Upload
renzo-bruno
View
217
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Parte I (I Sensori)
•I sensori a correnti parassite, sfruttano il fenomeno dell’induzione di correnti parassite su un opportuno target, per sbilanciare un ponte.
•L’intervallo di funzionamento va da 0.25 a 30 mm (sensori di prossimità)
I sensori induttivi di prossimità
2
Parte I (I Sensori)
•Intervallo di misura: 0.25, 30 mm;
•Non linearità migliore di 0.5%;
•Frequenza di eccitazione 1MHz;
•Risoluzione 0.0001 mm.
I sensori induttivi di prossimità
3
Parte I (I Sensori)
E’ possibile, in teoria, variare una capacità, in funzione di uno spostamento cambiando uno dei parametri che forniscono il valore di una capacità:
I sensori capacitivi
x
AC ro
Le soluzioni che si basano sul cambiamento del dielettrico vengono raramente utilizzate per difficoltà costruttive. Si ricorre al cambiamento della distanza per valori molto grandi e molto piccoli del misurando.I dispositivi che si basano sulla variazione dell’area sono adatti per applicazioni intermedie (1÷ 10 cm).
Parte I (I Sensori)
Nonostante alcuni problemi di tipo elettrico, i sensori capacitivi hanno delle caratteristiche metrologiche che li rendono apprezzabili (basso carico meccanico, semplicità costruttiva, elevata stabilità).
La forma più comune di sensore capacitivo è a facce piane parallele. Per esso si ha:
I sensori capacitivi
x
AC ro
e quindi, rispettivamente:
1;22
nx
A
dx
dC
x
A
dx
dCroro
Oppure, se si usa un capacitore con n piatti:
1 nx
AC ro
Valori tipici di C vanno da 1 pF a 500 pF, con una frequenza maggiore di 10 kHz, per ridurre il valore dell’impedenza d’uscita del sensore.
5
Parte I (I Sensori)
I sensori capacitivi:
•Hanno una vita media molto maggiore rispetto ai potenziometri in quanto non sono soggetti ad usura per strofinio;
•Hanno un campo di misura circa doppio rispetto a quello dei sensori induttivi;
•Producono verso l’esterno un campo elettromagnetico molto minore.
•Esistono delle configurazioni differenziali che eliminano il problema della non linearità.
I sensori capacitivi
6
Parte I (I sensori)
Infatti si ha:
I sensori capacitivi
d
zV
d
zd
d
zdVVV
d
zdV
zdzd
zdVV
d
zdV
zdzd
zdVV
CC
CV
CjCjCj
VV
CC
CV
CjCjCj
VV
zd
AC
zd
AC
rr
rr
rr
rr
rr
22
2/1/1
/1
2/1/1
/1
111
111
;
21
2
1
21
1
2
21
2
21
2
1
21
1
21
7
Parte I (I Sensori)
I sensori capacitivi
•I sensori capacitivi coprivano nel 1999 il 3.1% del mercato US.
•Applicazioni tipiche dei sensori capacitivi sono:
•Sensori di prossimità (comprese le applicazioni di riconoscimento presenza umana e veicoli);
•Misure di altre grandezze (flusso, livello, etc.)
•Realizzazione di interruttori.
NB: un buon testo sui sensori capacitivi è Capacitive Sensors, Larry K. Baxter, IEEE Press.
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
•I sensori piezoelettrici si basano sulla proprietà di alcuni materiali di accumulare cariche alla superficie per effetto di carichi meccanici e viceversa (a differenza dei sensori capacitivi sono dei dispositivi attivi).
•I sensori piezoelettrici godono di:
•Elevata rigidità
•Elevata frequenza naturale (fino a 500 kHz)
•Grande dinamica (migliore di 108)
•Stabilità, riproducibilità e linearità
•Ampio campo di temperatura
•Elevata insensibilità ai campi elettromagnetici esterni.
9
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
I sensori piezoelettrici non possono misurare fenomeni statici per lunghi intervalli di tempo a causa della resistenza di dispersione e delle correnti di perdita verso i componenti elettronici attivi.
10
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
•La piezoelettricità è legata a delle asimmetrie della struttura cristallografica dei materiali.
•I materiali che presentano l’effetto piezoelettrico sono dei dielettrici e possono essere: cristalli naturali (quarzo e tomalina), ceramiche ferroelettriche (è richiesto un processo di polarizzazione) e film polimerici.
11
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
I fenomeni piezoelettrici vennero scoperti nel 1880-1881 da Jacques e Pierre Curie. Essi vengono descritti mediante le equazioni piezoelettriche.
Si consideri il caso schematico di un parallelepipedo di materiale dielettrico. Se il materiale non è piezoelettrico, applicando una forza esterna si ha:
12
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
YssTS
YSl
lY
A
FT
1;
Applicando contemporaneamente una differenza di potenziale V tra i due elettrodi, si ha:
ionepolarizzazdivettoreP
elettricoospostamentvettoreD
PEED 0
13
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
Se il materiale è piezoelettrico occorre introdurre anche gli effetti mutui:
ricapiezoelett costante detta è(C/N)
costanteelettricocampoaacedevolezz
costantestressaadielettriccostante
d
s
dETsS
EdTD
T
T
E
T
14
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
nedeformaziodiricopiezoelettcoeff.
tensionediricopiezoelettcoeff.
E
T
EEE
TTT
s
de
dg
eEs
SE
s
d
s
ST
gTDdTD
E
Viene introdotto anche un coefficiente di accoppiamento elettromeccanico:
ET s
degk
2
15
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
ESEMPIO 1:
Per il titanato di piombo si ha:
d=-44pC/N;
T=600o;
g=-8(mV/m)/(N/m2);
Si vuole calcolare la tensione sviluppata (a circuito aperto) da un carico di 1000 N su un papallelepipedo di 1 cm di lato.
16
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
SOLUZIONE:
Essendo in condizioni di circuito aperto si ha:
V828100/10008.82
kV/m9.821085.8600
)01/(.10001044
0
12
212
hEV
dTE
D
T
17
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
ESEMPIO 2:
iSi vuole calcolare la deformazione prodotta sullo stesso dispositivo quando si applica una differenza di potenziale pari a V=1kV, in assenza di carico meccanico.
SOLUZIONE
nm44
104.401.0104.4
με4.4
104.401.0
10001044
0
86
612
h
dES
T
18
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
In realtà nel caso di un dispositivo reale le azioni meccaniche possono avvenire secondo sei diversi assi (tre per tensione-compressione e tre per sollecitazioni di torsione).
E’ necessario quindi ricorrere a una rappresentazione matriciale.
19
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
Nel caso di assenza di fenomeno piezoelettrico le relazioni diventano:
E in presenza di effetto piezoelettrico si ha:
3,2,1,
6,..,1
3,2,1
jiED
j
iTsS
jiji
jiji
mipermki
ddnj
TdED
EsTsS
im
jiij
ninmimi
kikjiji
03,2,1,,
6...,,1,
20
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
Per un tipico dispositivo vengono riportati i seguenti parametri
Tale materiale genera ad esempio in reazione a uno stress torsionale di 1N/m2 applicato attorno all’asse 2 (direzione 5), una densità di carica pari a 515 pC/m2 su due elettrodi collegati al materiale in corrispondenza della direzione 1.
21
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
Per i materiali più comuni valgono i valori riportati in tabella per le caratteristiche piezoelettriche.
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
•Anche i sensori piezoelettrici vengono utilizzati per realizzare sensori di sistemi di deformazioni in tre direzioni (rosette piezoelettriche).
NB: Informazioni sui sensori piezoelettrici si possono trovare in G. Gautschi, Piezoelectric Sensorics, Springer Edt.
23
Parte I (I Sensori)
I sensori piezoelettrici
•La connessione con un dispositivo di misura dei sensori piezoelettrici crea problemi, a causa della loro elevata impedenza d’uscita.
Parte I (I Sensori)
I sensori optoelettrici
Esistono vari sensori optoelettrici, tutti hanno in comune la proprietà di influire in modo trascurabile sul misurando. Esempi di tali dispositivi sono:
•il sensore Fotonic.
• I vettori e/o le matrici di fotodiodi.
25
Parte I (I Sensori)
I sensori optoelettrici
Il sensore Fotonic
Utilizza fibre ottiche per inviare un fascio luminoso al target. Il segnale riflesso viene catturato da fibre ottiche riceventi.
26
Parte I (I Sensori)
I sensori optoelettrici
Si ottiene in tal modo un sensore di prossimità ad elevata sensibilità.
27
Parte I (I Sensori)
I sensori a ultasuoni
I sensori ad ultasuoni usano la misura del tempo di volo (TOF) di un’onda di pressione ad ultrasuoni per la misura della distanza.
Receiver
Target
O
h
z
S
A
S
A
y
Transmittedbeam
Reflectedbeam
sv
hTOF
2
28
Parte I (I Sensori)
I sensori a ultasuoni
Il ricevitore e il trasmettitore vengono realizzati con:
ceramiche piezoelettriche polimeri
Operanti a una temperatura inferiore alla temperatura di Curie.
Lo stesso dispositivo può funzionare da trasmettitore e ricevitore del segnale di eco.
Si utilizzano generalmente dispositivi risonanti a frequenza tipica di 40kHz.
29
Parte I (I Sensori)
I sensori a ultasuoni
Tali sensori sono carattetizzati da un basso costo (qualche euro).
Principali cause d’incertezza sono
la risoluzione (limitata a qualche dalla lunghezza d’onda del segnale ad ultrasuoni). la dipendenza della velocità del suono in aria dalla temperatura.
Parte I (I Sensori)
Gli encoder
Gli encoder hanno il vantaggio di fornire un’uscita direttamente sotto forma digitale. Esisono encoder per
•Misure angolari
•Misure di spostamento rettilineo
31
Parte I (I Sensori)
Gli encoder
Tutti gli encoder sono caratterizzati da strutture geometriche regolari che permettono di determinare la posizione dell’organo cui è vincolato il sensore.
Esistono sistemi:
• Ottici
•Elettromagnetici
32
Parte I (I Sensori)
Gli encoder
Gli encoder hanno il vantaggio di fornire un’uscita direttamente sotto forma digitale. Esisono tre tipi di encoder:
•Encoder tachimetrico
•Encoder incrementale
•Encoder assoluto.