Parte I (I Sensori)

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Parte I (I Sensori)
I sensori di movimento

• Molte grandezze (pressione, temperatura, forza,
  accelerazione, etc.) vengono trasformate in uno
  spostamento, prima di essere convertite in un
  segnale elettrico.

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Parte I (I Sensori)
I potenziometri

• Un potenziometro è costituito da un elemento
  resistivo su cui può scorrere un contatto mobile.
  
• Lelemento resistivo viene alimentato con una
  tensione, continua o alternata (sensore passivo).
• In condizioni ideali luscita è una funzione
  lineare dellingresso.

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Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Il moto della parte mobile può essere
traslatorio, rotatorio o elicoidale.
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Parte I (I Sensori)
I potenziometri
che in condizioni ideali diventa
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Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Per avere un comportamento lineare occorre che la
resistenza del potenziometro sia piccola
relativamente a quella del dispositivo
utilizzatore!
Questa specifica, tuttavia è in contrasto con la
possibilità di avere un elevata sensibilità!
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Parte I (I Sensori)
I potenziometri

• I potenziometri a filo presentano una variazione
  di resistenza continua, ma hanno valori di
  sensibilità troppo bassi.
• Non è possibile diminuire la sezione del filo,
  per aumentare la resistenza, si ricorre allora ai
  potenziometri a filo avvolto.
• Laltra classe dei potenziometri è costituita dai
  potenziometri in cermet ed in plastica conduttiva

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Parte I (I Sensori)
I potenziometri

• I potenziometri a filo avvolto hanno una
  risoluzione finita, legata alla possibilità di
  avvolgere un numero finito di spire per unità di
  lunghezza.
• I potenziometri del in cermet o in plastica
  conduttiva hanno una risoluzione infinitesima, ma
  presentano unuscita molto rumorosa, a causa
  della rugosità della superficie

Esempio un potenziometro che ha 500 avvolgimenti
ed una lunghezza di 1 cm avrà una risoluzione
pari a
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Parte I (I Sensori)
I potenziometri

• I vengono immessi sul mercato come dispositivi
  lineari (tranne che non si vogliano realizzare
  particolari funzioni). Il valore della loro
  linearità corrisponde pertanto anche alla loro
  accuratezza. Quando richiesto è possibile
  migliorare la linearità di tali dispositivi
  mediante inserimento di opportune resistenze
  (potenziometri a filo avvolto) o mediante
  processi al laser (potenziometri a strato).

Nel caso di dispositivi che devono funzionare in
ambienti ostili viene dichiarata anche la dither
life. Essa indica la capacità del dispositivo a
resistere a un numero grande di cicli di piccola
ampiezza
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Parte I (I Sensori)
I potenziometri

• Esistono dispositivi con caratteristiche
  metrologiche moto varie. Occorrerà di volta in
  volta scegliere il dispositivo che meglio
  soddisfa i vincoli imposti dallapplicazione e le
  specifiche richieste.

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Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Un tipico esempio di dati forniti per
potenziometri
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Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Esempio Per un potenziometro della famiglia
riportata in tabella, la sensibilità può essere
ricavata dai dati forniti (potenza massima,
massimo valore del misurando, resistenza del
potenziometro)
E nel caso in esame vale P0.2
W R1k? L0.5in1cm
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Gli estensimetri
Gli estensimetri o strain gage si basano sul
fenomeno della variazione della resistenza di un
filo conduttore con la deformazione dello stesso

• Gli estensimetri vengono utilizzati in due campi
• studio dello stato di carico di pari meccaniche
• costruzione di trasduttori di forza, coppia,
  pressione, etc.

• Si possono avere vari tipi di estensimetro
• a filo non incollato o incollato
• a foglio metallico
• a semiconduttore.

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Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Gli estensimetri a foglio metallico vengono
costruiti direttamente nella forma desiderata e
vengono incollati al dispositivo da analizzare
con opportuni collanti.
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Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Quando richiesto si ricorre a opportune rosette
di estensimetri.
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Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Gli estensimetri metallici sono molto lineari ma
presentano un gage factor di valore molto basso
(da 2 a 4)
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Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Gli estensimetri a film metallico depositato non
hanno bisogno del collante, ma vengono depositati
direttamente sulla superficie di un organo
deformabile (servono in genere per costruire
trasduttori di altre grandezze.)
Gli estensimetri a semiconduttore possono essere
sia incollati sia diffusi. In entrambi i casi
possono essere di tipo N o P. Nel primo caso la
resistenza aumenta con lo stress nel secondo caso
diminuisce. Presentano il notevole vantaggio di
avere un gage factor molto elevato (fino a 150).
Dovuto principalmente alleffetto piezoresistivo
e vengono detti trasduttori piezoresistivi.
Purtroppo presentano elevata sensibilità alla
temperatura e non linearità.
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Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Sarà la particolare applicazione, di volta in
volta, a suggerire il tipo di estensimetro più
adatto. I parametri più significativi sono
riportati nella tabella che segue.
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Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Un tipico esempio di dati forniti per
estensimetri metallici
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Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Esercizio Si consideri uno strain gage di tipo
metallico (con gage factor G2.0) di valore R120
? che deve misurare lo stato deformativo di un
organo di acciaio (modulo di Young Y210 GPa).
Quanto vale la variazione di resistenza se il
carico massimo vale 8x106Pa. Si ha
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I trasformatori differenziali
I trasformatori differenziali (LVDT) sono
costituiti da un avvolgimento primario e due
avvolgimenti secondari.

• Il primario è eccitato con una tensione di tipo
  sinusoidale, con frequenza variabile tra 60 e
  20.000 Hz.
• Sui secondari vengono indotte due tensioni di
  ampiezza variabile con la posizione del nucleo.
• Connettendo i due secondari in antiparallelo,
  lampiezza del segnale duscita diventa una
  funzione lineare della posizione del nucleo.

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I trasformatori differenziali

• Luscita del sensore è una sinusoide modulata in
  ampiezza. Per ricavare linformazione in uscita
  si può, a seconda dei casi
• utilizzare un voltmetro per AC
• demodulare il segnale e utilizzare un voltmetro
  in DC, o un oscilloscopio (insieme ad eventuali
  filtri passabasso).

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Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali

• Se la frequenza della portante è grande rispetto
  alla massima frequenza del segnale (valore tipico
  è il rapporto 101) possono bastare dei filtri
  RC, semplici o multipli.

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Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali
Si supponga di voler misurare uno spostamento il
cui contenuto in frequenza risulta trascurabile a
frequenze superiori a 1000 Hz, utilizando un LVDT
con tensione di eccitazione a frequenza di 10.000
Hz. Il processo di modulazione e successiva
demodulazione produrrà dei segnali a frequenze
nelintervallo 19.000 Hz, 21.000Hz. Si vuole
che il ripple residuo alla frequenza di 19.000 Hz
sia minore del 5. Deve allora essere
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Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali
Alla frequenza di 1000 Hz tale filtro produce
unattenuazione pari a 0,68 e uno sfasamento pari
a -47. Si ha quindi una distorsioe eccessiva del
segnale. Si possono migliorare le prestazioni del
filtro utilizzando una cella RC doppia In
questo caso alla frequenza di 1000 Hz si ha
unattenuazione di 0,94 e uno sfasamento di -26.
In tali condizioni si ottiene in uscita un
segnale che è una copia fedele e ritardata del
segnale in ingresso (cfr condizioni di non
distorsione)