Trasduttori

Trasduttori o sensori, sono dispositivi che acquisiscono in ingresso una grandezza fisica ed esprimono in uscita una grandezza elettrica il cui valore è funzione della grandezza di ingresso.

Essi sono sempre il primo blocco della catena di acquisizione digitale:

Molteplici processi industriali prevedono questo schema, con dei trasduttori in ingresso per acquisire le variabili fisiche da controllare.
I segnali elettrici vengono poi amplificati e condizionati prima della loro conversione in formato digitale (S/H)+(ADC).
Il microprocessore µP, provvede ad eseguire gli opportuni controlli sulle variabili di ingresso agendo eventualmente in uscita, con degli attuatori in grado di modificare l'andamento delle variabili da controllare.
Esistono trasduttori per misurare la gran parte delle grandezze fisiche come: temperatura, umidità, posizione, velocità accelerazione, forza, pressione, luminosità, gas, suono, campo magnetico.

Classificazione di trasduttori

Un primo criterio di classificazione dei trasduttori si basa sulla modo di conversione della grandezza fisica in ingresso:

I) I trasduttori primari, convertono direttamente la grandezza fisica in ingresso in una grandezza elettrica.
II) I trasduttori secondari trasformano preventivamente la grandezza fisica in ingresso in un'altra grandezza fisica, rilevabile attraverso un trasduttore primario.

Un altro criterio di classificazione dei trasduttori è basato sul tipo di grandezza elettrica prodotta in uscita (tensione, corrente, capacità, etc..).

I) Sono definiti attivi i trasduttori che generano un segnale in corrente o tensione (termocoppie).
II) Sono definiti passivi i trasduttori che producono in uscita una variazione di un parametro elettrico come resitenza, capacità etc..(potenziometri, estensimetri, termistori..).

Un terzo criterio di classificazione si riferisce la tipo di segnale prodotto.

I) I trasduttori analogici hanno un segnale di uscita che segue con continuità le variazioni della variabile fisica in ingresso.
II) I trasduttori digitali forniscono in uscita il valore della variabile da controllare tramite un codice binario ad n bit (ad es.encoder).

Parametri caratteristici

Per la valutazione delle caratteristiche statiche di un trasduttore (o sensore) è fondamentale lo studio della caratteristica di trasferimento (transcaratteristica) dove viene mostrata la relazione (funzione) fra la variabile di ingresso e quella di uscita.

In generale il sensore viene utilizzato nella zona della transcaratteristica dove l'andamento è il più possibile lineare (assimilabile ad una linea retta) in modo che vi sia un legame di proporzionalità diretta o inversa fra ingresso e uscita (linearità).

La sensibilità e un altro parametro importante; viene espresso come:

cioè il rapporto fra la variazione del segnale di uscita sul segnale di ingresso.

Si deduce che se la caratteristica è lineare, la sensibilità si mantiene costante in tutto il campo di utilizzo e coincide con il coefficiente angolare (pendenza) della retta; questo è il caso ottimale.

Altri parametri importanti sono: la risoluzione intesa come la più piccola variazione del segnale di uscita esprimibile come una percentuale del valore di fondoscala S_FS. La ripetibilità, cioè la capacità del sensore di fornire sempre la stessa uscita quando in momenti diversi viene fornito lo stesso valore in ingresso.

Le caratteristiche dinamiche di un sensore possono essere considerate : Il tempo di transizione che è legato alla risposta al gradino del dispositivo:

L'uscita, non sempre si adegua al valore aspettato; talvolta occorre un certo intervallo di tempo affinché tale segnale si stabilizzi al valore da rilevare.

Il tempo di transizione (tempo di salita) è l'intervallo di tempo necessario all'uscita per passare dal 10% al 90% del valore finale a regime.
La risposta in frequenza è un altro parametro dinamico da considerare; indica come risponde il sensore quando all'ingresso viene applicato un segnale sinusoidale a frequenza variabile.

Trasduttori con uscita a variazione resistiva

Molti sensori funzionano basandosi sul fenomeno meccanismo della variazione resistiva. I fenomeno fisici che possono causare tale variazione sono:

I) Azione meccanica: può semplicemente bastare, se è in grado di modificare le caratteristiche geometriche del conduttore, infatti risulta essere:

Cioè la resistenza dipende, oltre che dalla resistività , anche dalla lunghezza e dalla sezione del conduttore; è sufficiente che cambi uno di questi parametri e cambia anche la resistenza.
Una azione meccanica può anche far variare ρ se questa consente di modificare la struttura molecolare del conduttore o del semiconduttore.

II) Variazione di temperatura. Infatti è

R_Tf ed R_Ti rispettivamente, resistenza alla temperatura finale a alla temperatura iniziale. α è un coefficiente dipendente dal materiale.

III) Intensità luminosa: alcuni materiali modificano la loro resistenza se colpiti da radiazione luminosa.

Bisogna inoltre considerare che alcuni conduttori possono modificare la loro resistenza in ragione del campo magnetico in cui vengono immersi (effetto Hall).

Termoresistenze (RDT:Resistance Temperature Detector)

Sono dispositivi che modificano la loro resistenza in base alla legge:

Sono costituiti da conduttori in platino, nichel o rame e sono operativi in un ampio intervallo: da -200°C a +800°C.

Termistori

Sono costituiti da semiconduttori (silicio drogato). Sono dotati un range di operatività minore ma di una sensibilità maggiore rispetto alle termoresistenze le tecnologie di fabbricazione permettono di ottenerne due varianti:

NTC (Negative Temperature Coefficient): la resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura.
PTC (Positive Temperature Coefficient): la resistenza aumenta all'aumentare della temperatura.

Per questi dispositivi vale la formula:            con B=2000°K 5000°K.

Potenziometro (trasduttore di posizione)

Si tratta di una resistenza sulla quale viene fatto scorrere un cursore metallico. La resistenza viene così suddivisa in due resistenze R_a ed R_b.

Se il potenziometro viene alimentato dalla tensione E, la tensione di uscita V è data dalla regola del partitore:

   proporzionale ad R_a e dunque allo spostamento

Attenzione!!! Si deve evitare il collegamento diretto del potenziometro ad un eventuale carico R_L: la tensione di uscita V ne risulterebbe alterata (il carico influenza il comportamento del trasduttore).

In tal caso il potenziometro non vede il carico R_L a valle, cioè, vede la resistenza di ingresso dell'operazionale che è infinita e quindi è come se funzionasse a vuoto, senza che la sua tensione di uscita sia influenzata da altri fattori.

Termocoppia

La termocoppia è un trasduttore di temperatura con uscita in tensione. Si usano due cavi di conduttori diversi, in questo caso abbiamo scelto rame e costantana che vengono connessi ad un loro capo (giunto caldo).

Gli altri due capi vengono lasciati aperti, se i due giunti si trovano a temperature differenti ai capi del giunto freddo si genera una tensione V proporzionale alla differenza di temperatura T₂-T₁ .

Tipo

Conduttori

Temperatura °C

Sensibilità μV/°C

E

nichelcromo(+) costantana(-) 

-50∼+900

75

J

ferro(+) costantana(-)

-200∼+800

56

T

rame(+) costantana(-)

-180∼+400

52

K

nichelcromo (+) nichel(-) 

-200∼+1200

41

C

tungsteno/rame 5%(+)   tungsteno/rame 25%(+)

0∼+2300

15

R

platino/rodio(+) platino(-)

0∼+1800

12

ovviamente la sensibilità S deve essere interpretata come:

Fotoresistori (LDR:Light Dependent Resistor)

I fotoresistori sono conduttori la cui resistenza diminuisce al crescere dell'intensità luminosa.

I raggi luminosi, rompono un certo numero di legami covalenti del materiale con conseguente passaggio di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione. La loro resistenza R vale 10⁶ 10⁸ al buio e qualche decina di Ω in piena luce. A causa del fatto che non hanno un legame lineare fra resistenza e illuminazione vengono prevalentemente usati come interruttori on/off.

Convertitore di temperatura AD590

L'integrato AD590 è fra i più diffusi sensori di temperatura (con uscita in corrente) e può essere schematizzato nel seguente modo:

La corrente i erogata dal generatore di corrente, vale i_T=hT con T :temperatura assoluta in °K ed h=1µA/°K costante.

Normalmente viene usato con la tecnica della modifica dell'offset, allo scopo di azzerare V_o in corrispondenza di uno specifico valore di i_T.

quest'ultima può essere riscritta come :         poi isolando v_o:

Ponte di Wheatstone

E' un circuito che può essere impiegato per convertire una resistenza in una tensione. Qualsiasi trasduttore che fornisca una uscita resistiva può essere interfacciato col circuito a ponte per vedere trasformata la grandezza fisica misurata in una tensione. Nello schema disegnato la resistenza R rappresenta il trasduttore ad uscita resistiva.

    notiamo come sia V_o+V₃-V₂=0 → V_o=V₂-V₃.

per l'equilibrio del ponte deve essere V_o=0 → cioè V₂=V₃. e V₁=V_R.

cioè devono essere uguali i prodotti delle resistenze dei rami opposti.      

Il trasduttore di temperatura ad uscita resistiva funziona con una legge:   

R=R_o+ΔR
rispetto ad un valore di riferimento R_o.
Affinché la tensione di uscita V_o sia nulla in corrispondenza del valore di riferimento R_o di R le resistenze rimanenti devono soddisfare la relazione R₂R_o =R₁R₃.
Scegliendo le tre resistenze rimanenti pari ad R_o:

Se viene verificata la condizione ΔR ‹‹ R_o    si può scrivere    

Il circuito col ponte di Wheatstone fornisce delle buone prestazioni di linearità e riduzione dei disturbi, inserendo un A.O. nel circuito queste caratteristiche vengono ulteriormente migliorate .

Le due resistenze sotto l'operazionale, formano un partitore che impongono

     per il principio della massa virtuale     

di conseguenza in tutti i rami del ponte le correnti sono uguali e di valore      e la tensione di uscita vale

Molti sensori sfruttano la variazione di una resistenza per valutare la corrispondente variazione di una grandezza fisica, uno di questi è l'estensimetro a resistenza

Estensimetri a filo

Gli estensimetri a filo appartengono alla famiglia dei sensori elettrici resistivi. I sensori resistivi sfruttano il principio della dipendenza della resistenza di un conduttore dalla sua lunghezza e sezione

ρ=resistività del materiale
l=lunghezza del conduttore
S=sezione del conduttore

Una variazione Δl del conduttore influisce producendo una nuova resistenza R_x:

L'estensimetro a filo, viene dunque usato per misurare un'allungamento oppure una forza.

La misura della resistenza viene effettuata tramite il ponte di Weathstone. Per quanto visto prima quando il ponte è in equilibrio il voltmetro segna V=0 e vale la relazione: R₂R₃=R₁R_x
da cui si ottiene il valore della resistenza incognita R.

L'estensimetro a resistenza (o estensimetro a filo) è costituito da un filo conduttore di materiale ad elevata resistività (manganese, costantana) che, illustrato qui a fianco.

La forza applicata, produce una variazione di lunghezza del filo e conseguentemente una variazione della resistenza, la misura di quest'ultima consente la realizzazione di un trasduttore di forza.

Il parametro che indica la sensibilità di un estensimetro è il fattore di gauge definito come:

ΔR/R=variazione relativa della resistenza dell'estensimetro
Δl/l=variazione relativa della lunghezza dell'estensimetro
Quando il fattore di gauge GF=1 vuol dire che ad un aumento della resistenza dell'1% corrisponde un aumento della resistenza dell'1%.

Cella di carico

Le celle di carico sono trasduttori estensimetrici che vengono impiegati per la misurazione di grandi forze quali ad esempio il peso; sono normalmente costituite da un cilindro al quale sono applicati diversi estensimetri collegati a ponte; possono lavorare sia in trazione che in compressione ma le prime sono più precise delle seconde.

Il più diffuso metodo di misurazione consiste nel prelevare la tensione continua in uscita dal ponte e, dopo una necessaria amplificazione(L'ordine di grandezza della tensione d'uscita è di alcune mV), nel misurarla con un voltmetro tarato in newton o in kilogrammi, se necessitano elevate precisioni si ricorre a metodi di misurazione più complessi.

Fotodiodo

E' un trasduttore di luminosità che esprime un segnale in corrente proporzionale alla radiazione incidente.

Basa il suo funzionamento sul principio che una giunzione PN polarizzata inversamente vede aumentare la corrente che la percorre quando viene esposta a radiazione luminosa (quindi, prima di tutto, dobbiamo usare un diodo polarizzato inversamente).

Questo fenomeno è dovuto al fatto che i fotoni incidenti, liberano della coppie elettrone-lacuna che sotto l'effetto del campo elettrico applicato aumentano l'intensità della corrente (inversa).

Fototransistor

E' un transistor che varia la corrente di collettore al variare della radiazione luminosa che colpisce la giunzione base-collettore (polarizzata inversamente durante il funzionamento normale).

Un vasto utilizzo del fototransistor, lo si ha nel settore dei fotoaccoppiatori (optoisolatori) strutturalmente composti da un LED fotoemettitore a raggi infrarossi e un fototransistor separati da un dielettrico trasparente.

In questo dispositivo, il segnale di ingresso può pilotare il in modo ON/OFF o in modalità analogica (continua) il LED che a sua volta controlla il BJT nella stessa forma.

I fotoaccoppiatori possono avere la stessa funzione del buffer non invertente già visto: possono disgiungere due circuiti, proteggendo quello a valle da eventuali sovratensioni provenienti dal circuito a monte.

Encoder

Encoder: è un trasduttore di posizione che può fornire in uscita un numero binario (encoder assoluto) oppure degli impulsi (encoder incrementale).

E' costituito da una lastra (per rilevare scostamenti rettilinei) o da un disco (per rilevare scostamenti circolari) di materiale trasparente su chi vengono riportate delle striscie opache.

La lastra o il disco sono solidali con l'oggetto di cui si vuole rilevare lo spostamento e vengono inseriti in un dispositivo fotoaccoppiatore costituito da un LED e un fototransistor (come visto sopra).

Quando la barra si muove si crea una alternanza di zone opache e di zone trasparenti, passanti rispetto la radiazione luminosa emessa dal LED questo crea, ovviamente, una alternanza della conduzione del fototransistor (funzionamento ON/OFF) che passa alternativamente dalla saturazione all'interdizione.
La corrente di collettore del fototransistor è dunque, di tipo impulsivo con frequenza proporzionale alla velocità di spostamento della parte meccanica (funzionamento come tachimetro).
Se il disco ha N tacche opache la velocità del disco n in giri al secondo è

Invece per misurare lo spostamento, basta contare gli impulsi tramite un contatore digitale binario. In particolare l'encoder assoluto, misura direttamente in binario lo spostamento rettilineo od angolare.
E' possibile dimostrare che con un contatore dotato di n bit in uscita si possono codificare 2ⁿ posizioni angolari ottenendo una risoluzione R:

     per l'encoder per spostamenti angolari

         per l'encoder per spostamenti rettilinei

con l=lunghezza della lastra (espressa in metri). La risoluzione R è da considerare come il valore dello spostamento minimo rilevabile.

Microfono

Il microfono esegue una traduzione di una grandezza acustica in una grandezza elettrica, è un trasduttore indiretto, dato che il suono viene prima trasformato in una grandezza meccanica tramite un dispositivo mobile, successivamente viene trasformato in un segnale elettrico.

Vi sono due tipi di microfono:

I) microfoni a spostamento
II) microfoni a velocità

Nei microfoni a spostamento viene generata una tensione elettrica proporzionale allo spostamento del dispositivo mobile l'accoppiamento elettromeccanico è basato su un campo elettrico.

Nei microfoni a velocità viene generata una tensione elettrica proporzionale alla velocità del dispositivo mobile l'accoppiamento elettromeccanico è basato su un campo magnetico.

Microfono a condensatore

Bisogna considerare che la capacità di un condensatore viene espressa dalla:

dove ε è la costante dielettrica (variabile a secondo dei materiale dielettrico)
S è la superficie dell'armatura
d è la distanza fra le armature

Il condensatore microfonico è costituito da una piastra metallica rigida accoppiata ad una membrana sensibile e mobile al suono.
La piastra viene collegata ad un circuito che la polarizza ad una tensione costante E₀.
A riposo la quantità di carica accumulata sull'armatura sarà Q₀=C₀E₀.
Una vibrazione sonora fa variare la distanza C fra le armature generando una variazione C rispetto al valore statico C₀ che a sua volta produce delle variazioni di tensione rispetto al valore statico E₀.
La variazione di tensione può essere schematizzata come un generatore variabile v_s come indicato in figura.
Il segnale elettrico variabile v_s riesce a scavalcare il condensatore in uscita, al contrario della tensione di polarizzazione E₀.
Questo segnale variabile è proporzionale al segnale acustico in ingresso.
Il microfono a condensatore è un microfono a spostamento perché basato sulla variazione della distanza d del dielettrico.

Microfono piezoelettrico

E' un altro microfono a spostamento si basa sull'effetto piezoelettrico tipico di alcuni cristalli come il quarzo per il quale se si comprimono due facce parallele di tale materiale vengono a generarsi su tali facce delle cariche elettriche di segno opposto, in pratica si genera una tensione proporzionale alla pressione esercitata.

Un microfono piezoelettrico prevede che l'onda sonora acquisita, eserciti una opportuna pressione sulle facce parallele di una piastrina di materiale piezoelettrico che poi viene rilevata sotto forma di segnale elettrico da una coppia di elettrodi saldati sulle facce stesse.

Casi particolari di microfoni piezoelettrici sono i microfoni a ceramici (nella ceramica le proprietà piezoelettriche possono essere introdotte durante la fase di fabbricazione) e i microfoni a transistor dove si sfruttano le proprietà piezoresistive del silicio.

Microfono a bobina mobile

Il microfono a bobina mobile è un microfono a velocità: la tensione elettrica generata è proporzionale alla velocità di spostamento del dispositivo mobile.

E' costituito da una bobina montata su di un supporto cilindrico solidale con una membrana che se investita dal suono può vibrare.

La bobina, solidale con la membrana è inserita in un traferro cilindrico sede di un campo magnetico radiale prodotto da una calamita a forma circolare.

Il moto viene trasmesso alla bobina dalla membrana che si muove a velocità v(t). Ricordiamo che per la legge di Faraday ,i n un conduttore rettilineo di lunghezza l, immerso in un campo magnetico con vettore induzione costante B che si muova con velocità v nel piano perpendicolare alle linee di induzione e con direzione perpendicolare al conduttore stesso, si induce una forza elettromotrice e(t) (variabile nel tempo) data dalla:

Questo è il principio fisico che caratterizza la generazione del segnale elettrico in un microfono a bobina mobile (o dinamico). Come si nota l'accoppiamento fra la parte meccanica e quella elettrica è di natura magnetica.

Trasduttori di livello a ultrasuoni

Sono costituiti da un classico trasduttore ad ultrasuoni cioè da un trasmettitore che emette impulsi sonori(onde di frequenza superiore a 20 Mhz) e da un ricevitore; il sistema opera attraverso la misura del tempo che intercorre tra l'emissione delle onde ed il ricevimento della loro eco; funzionano senza contatto fisico con il materiale immagazzinato; le lunghezze di rilevamento di rilevamento non possono superare i 5-6 m; può esse utilizzato un solo sensore per rilevare entrambi i livelli minimo e massimo.

Oltre gli esercizi collegati qui in basso, si possono trovare altre applicazioni negli esercizi riassuntivi di elettronica ; mentre negli esercizi sull'amplificatore operazionale sono presenti alcuni esempi sull'uso del trasduttore di temperatura AD590 e altri circuiti per il condizionamento del segnale.