I.P.S.I.A.
di
BOCCHIGLIERO
a.s. 2012/2013
-classe V-
Materia: Sistemi Automazione e Organizzazione della Produzione
----Trasduttori e sensori----
Alunna:
Rossella Serafini
prof. Ing. Zumpano Luigi
I.P.S.I.A. Bocchigliero
-Sistemi Automazione e Organizzazione della Produzione-
Trasduttori e sensori
TRASDUTTORI E SENSORI
I trasduttori sono dispositivi che forniscono in uscita un segnale elettrico proporzionale
alle variazioni della grandezza fisica presente al suo ingresso.
I trasduttori possono essere classificati semplicemente in funzione della grandezza fisica
che trasformano: trasduttori di temperatura, di velocità,di posizione, ecc.
Possiamo inoltre classificare i trasduttori in funzione del:
➢ tipo di segnale fornito;
➢ principio fisico;
➢ tipo di trasformazione;
➢ metodo per la trasformazione da grandezza fisica a segnale elettrico.
Tipo di segnale
Trasduttore analogico
Trasduttore digitale
Il segnale elettrico in uscita segue con continuità le
variazioni della grandezza fisica in ingresso; questo
segnale può assumere tutti i valori all'interno dell'intervallo
di funzionamento.
Il segnale in uscita viene rappresentato con un codice
binario; la successione di impulsi rappresenta il valore
della grandezza d'ingresso.
Principio fisico
Trasduttore di resistenza
Trasduttore di tensione (o di
corrente)
Trasduttore di capacità
Trasduttore di induzione
La grandezza fisica provoca La grandezza fisica provoca La grandezza fisica provoca La grandezza fisica provoca
una variazione
una differenza di potenziale
una variazione
una variazione
proporzionale della
(o una corrente)
proporzionale della capacità. proporzionale dell'induzione
resistenza.
proporzionale.
(auto o mutua).
Tipo di trasformazione
Trasduttori attivi
Trasduttori passivi
Generano direttamente un segnale elettrico (tensione o
Trasformano le variazioni della grandezza fisica in una
corrente); non hanno bisogno di ulteriore alimentazione nel variazione di un parametro del circuito (R, L o C a seconda
circuito.
che siano trasduttori di resistenza, di induttanza o di
capacità) dove sono inseriti; in questo caso è necessario
un sistema di alimentazione per ottenere il segnale
elettrico.
Metodi di trasformazione
Trasduttori primari (o diretti)
Trasduttori secondari (o indiretti)
Trasformano direttamente le variazioni della grandezza
fisica nel segnale elettrico.
Effettuano la conversione della grandezza prima in un
parametro e poi in un segnale elettrico.
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Trasduttori e sensori
PARAMETRI CARATTERISTICI DEI TRASDUTTORI
Il campo d'impiego definisce l'intervallo dei valori della grandezza fisica in ingresso che il
trasduttore trasforma correttamente in segnale elettrico.
Un trasduttore è lineare se esiste una relazione di proporzionalità tra grandezza in
ingresso e in uscita: S u= KS i K è una costante la cui unità di misura consente di
passare da grandezza fisica a elettrica.
ΔS
dove Δ S=S −S u
Su
rappresenta la differenza tra il valore misurato in uscita S e quello desiderato Su,
proporzionale all'ingresso: S u= KS i . La caratteristica ingresso/uscita è rappresentata
con una retta; è sufficiente poter approssimare con una retta la curva caratteristica I/O
entro l'intervallo del campo d'impiego.
La non linearità viene espressa attraverso il rapporto:
Caratteristica In/Out
Su
segnale
elettrico
(grandezza fisica)
Campo d'impiego
Si
Per sensibilità si intende la variazione del segnale elettrico di uscita in corrispondenza di
una variazione unitaria della grandezza fisica in ingresso. La sensibilità è legata alla
pendenza della retta (e alla costante K). Si parla di insensibilità ai disturbi quando il
trasduttore non risente delle variazioni di grandezze diverse; ad esempio per un
trasduttore di temperatura si può parlare di insensibilità alla pressione o all'umidità.
La stabilità rappresenta la capacità del trasduttore di mantenere costanti nel tempo le
proprie caratteristiche, in particolare la linearità.
Per precisione si intende l'errore massimo commesso, ossia la differenza tra l'uscita
Δ S=S −S u presente e quella teorica.
Il potere risolutivo è la minima variazione della grandezza fisica d'ingresso che il
trasduttore riesce a evidenziare in uscita.
Con ripetitività si intende la caratteristica di fornire le stesse prestazioni anche dopo
numerose utilizzazioni; in pratica la capacità di dare la stessa uscita per la solita
sollecitazione in ingresso applicata in tempi diversi.
La velocità di risposta indica il tempo impiegato dal trasduttore per adeguare l'uscita al
nuovo valore presente in ingresso; il dispositivo è caratterizzato da una costante di tempo.
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Il rumore è il segnale indesiderato presente in uscita anche in assenza di ingresso.
L'isteresi del trasduttore è dovuta al fatto che per lo stesso valore della grandezza fisica in
ingresso il valore dell'uscita dipende dal fatto che l'ingresso sia in fase di crescita o di
diminuzione. In pratica per uno stesso valore della grandezza fisica sono possibili 2 valori
dell'uscita.
I TRASDUTTORI GENERATORI DI TENSIONE O CORRENTE
Trasduttori attivi e passivi
Con questo termine intendiamo i trasduttori attivi e non quelli passivi; infatti anche un
trasduttore passivo genera un segnale elettrico ma in modo indiretto: questi modifica il
valore della resistenza in funzione della grandezza fisica e otteniamo un segnale elettrico
(tensione o corrente) dipendente dalla grandezza fisica.
Le termocoppie
Le termocoppie rappresentano un tipico esempio di trasduttore attivo perché producono
una tensione dipendente dalla differenza di temperatura.
Effetto Seebeck
Il principio di funzionamento si basa sull'effetto Seebeck: due conduttori di natura diversa,
connessi tra loro in modo da formare due giunzioni, vengono percossi da corrente se le
due giunzioni sono a temperature differenti; questa corrente cresce all'aumentare della
differenza di temperatura.
Conduttore 1
T0
T1
I
Termocoppie
Conduttore 2
I punti di contatto vengono chiamati giunti: mantenendone uno a temperatura costante la
corrente diventa funzione, in pratica, della temperatura dell'altro giunto. Se si apre il
circuito in un giunto allora si genera una tensione tra i conduttori funzione della differenza
di temperatura.
Conduttore 1
T1
T0
+
-
d.d.p.
Termocoppie
Conduttore 2
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Il generatore di Hall
Una piastrina di materiali semiconduttori (silicio o arseniuro di gallio) percorsa da corrente
e immersa in un campo magnetico perpendicolare alla corrente stessa provoca una
differenza di potenziale tra le superfici esterne.
B
I
Effetto Hall
-
+
f.e.m.
Forza elettromagnetica
Questo fenomeno è dovuto al fatto che cariche elettriche in movimento all'interno di un
campo magnetico subiscono una forza. Infatti si dimostra che una carica q che si sposta
con una velocità v all'interno di un campo magnetico caratterizzato da un'induzione B
subisce una forza F data da: F =qBv
Tale forza è perpendicolare sia alla direzione dell'induzione sia quella della corrente.
Questa forza provoca uno spostamento delle cariche verso le facce esterne della piastrina
e una separazione delle cariche positive a quelle negative; di conseguenza nasce una
differenza di potenziale tra le due facciate.
Fenomeni piezoelettrici
Alcuni materiali, quali il quarzo, presentano la caratteristica che se le due facce parallele
del cristallo subiscono delle sollecitazioni meccaniche, fra essi si manifesta una differenza
di potenziale. Questo fenomeno è reversibile, ossia applicando d.d.p. tra le facce e queste
subiscono delle vibrazioni meccaniche. Nel primo caso il cristallo è usato come trasduttore
attivo, nel secondo come attuatore.
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Fenomeni fotoelettrici
I trasduttori il cui funzionamento si basa su fenomeni fotoelettrici permettono il passaggio
da grandezza ottica a segnale elettrico e viceversa. Un primo esempio è il diodo LED. I
fotoresistori variano la loro resistenza al variare della densità luminosa che li investe; le
energia che investe il materiale provoca infatti un aumento del numero di legami rotti, un
numero maggiore di cariche libere e di conseguenza un aumento della conducibilità del
materiale. Questi componenti permettono variazioni della loro resistenza da decine di Ohm
a Megaohm.
Ω
105
Caratteristica
fotoresistenza
104
103
102
10
10 102 103 104
(LUX)
Illuminamento
Il fotodiodo è una particolare giunzione PN, polarizzata inversamente, che eroga una
corrente inversa pressoché proporzionale all'energia luminosa che la investe.
I (μA)
V
20
200 Lux
600 Lux
1000 Lux
40
Caratteristica
fotodiodo
60
80
1400 Lux
Vediamo che al crescere dell'illuminamento cresce la corrente inversa (a parità di tensione
inversa applicata). Il fotodiodo può dunque essere utilizzato come trasduttore da energia
luminosa a corrente. Le celle fotovoltaiche realizzate con giunzioni PN hanno la
caratteristica che, se investite da variazioni luminose, forniscono tra gli elettrodi una
differenza di potenziale (fototensione). A differenza del fotodiodo, in questo caso la
giunzione non è polarizzata. Se la cella è chiusa su un carico, abbiamo passaggio di
corrente (fotocorrente).
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Trasduttori e sensori
V (V)
0,4
λ
0,3
V
0,2
0,1
Lux
Caratteristica celle
Fotodiodi PIN
Esistono in commercio fotodiodi, indicati PIN, che hanno la caratteristica di migliorare la
velocità di risposta e la sensibilità. Questi si ottengono inserendo tra le zone P e N una
zona intrinseca ossia con semiconduttore non drogato. I PIN vengono usati
prevalentemente come trasduttori da energia luminosa a d.d.p., ossia come generatori di
fotocorrente. Per ottenere correnti elevate è necessario aumentare la superficie della
giunzione; ma all'aumentare della superficie aumenta la capacità e dunque diminuisce la
velocità di risposta.
I fototransistori
Questi componenti emettono una corrente dipendente dall'energia luminosa che l'investe.
Dal punto di vista del funzionamento possiamo immaginare il transistor NPN con la
giunzione base-collettore polarizzata inversamente, ossia funzionante da fotodiodo,
seguita da un amplificatore. Allora il fotodiodo, colpito da energia luminosa, eroga una
corrente che entra in base e viene amplificata secondo le caratteristiche del BJT (hFE).
C
I
C
B
E
Fototransistor
IB
E
I fototriac
I fototriac hanno la caratteristica che il loro innesco avviene quando sono investiti da un
livello sufficiente di energia luminosa. In questo modo l'innesco avviene attraverso un
segnale ottico e il tric è elettricamente isolato dal circuito di comando.
Fototriac
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