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1 Parte I (I Sensori) E. Arri e S. Sartori: Le Misure di grandezze fisiche, TSP-Paravia; E. Doebelin: Mesurement systems, Mc Graw Hill; Pallas-Areny J.G.

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1 1 Parte I (I Sensori) E. Arri e S. Sartori: Le Misure di grandezze fisiche, TSP-Paravia; E. Doebelin: Mesurement systems, Mc Graw Hill; Pallas-Areny J.G. Webster: Sensors and Signal Conditioning; (disponibili presso le biblioteche della facoltà). Appunti di lezione Supporti didattici

2 Parte I (I Sensori) Lelaborazione dei segnali di tipo elettrico è relativamente facile, soprattutto facendo ricorso a tecnologie ibride di tipo analogico- digitale. Si possono utilizzare tali tecniche anche quando il segnale, associato allinformazione di interesse, non è di natura elettrica. I dispositivi che effettuano queste trasformazioni vengono chiamati trasduttori, o sensori. Cosè un trasduttore?

3 3 Parte I (I Sensori) Un sensore è un dispositivo in grado di percepire una grandezza a cui i nostri sensi non sono in grado di reagire. Si distingue spesso tra: sensore, o sensore primo (sensor o detector); attuatore (actuator o effector)

4 4 Parte I (I Sensori) Il sensore produce una variazione di un parametro duscita spesso non adatta alla successiva elaborazione. Un trasduttore è un dispositivo che trasforma la natura fisica di un segnale senza alterarne il contenuto informativo.

5 Parte I (I Sensori) In origine i sensori venivano utilizzati per il controllo dei processi industriali per la misura di temperatura, pressione, portata e livello. Attualmente il campo di applicazione copre innumerevoli grandezze fisiche e chimiche con campi applicativi nel settore automobilistico, aereo, medico, elettronica di consumo e ambiente. Attualmente il mercato mondiale dei sensori dovrebbe valere circa 42.2 miliardi di dollari US. Il mercato principale dei sensori è quello dellEuropa occidentale con il 31.7%, seguita dagli USA con il 31% e dal Giappone con il 19.4%. Caratteristiche della produzione Concentrazione nei paesi industrialmente e tecnologicamente più sviluppati (pochi produttori in Italia) Aziende medio-piccole o piccole divisioni di grandi aziende Innovazione tecnologica Utilizzo più esteso e nuove applicazioni di sensori con principio di funzionamento noto Applicazione di nuovi principi di funzionamento.

6 Parte I (I Sensori) Il mercato mondiale dei sensori è diviso tra: Temperatura; Pressione; Portata; Posizione di tipo binario; Posizione; Sensori chimici per liquidi e gas. I mercati a crescita più rapida sono: Sensori di pioggia; Sensori di spessore; Sensori per la stima delle caratteristiche dei liquidi; Sensori per la navigazione; Sensori di inclinazione; Fotodetettori; Biosensori; Sensori di campo magnetico; Sensori di spostamento.

7 Parte I (I Sensori) Un trasduttore è sempre associato ad altri sistemi fisici: sistema misurato sistema utilizzatore sistema ausiliario sistema ambiente Sistema ambiente Sistema misurato Sistema utilizzatore Trasduttore Sistema ausiliario

8 Parte I (I Sensori) La funzione di conversione : è la funzione che lega il segnale dingresso x(t) con il segnale duscita y(t) : x(t)=f[y(t)] Le grandezze dinfluenza sono tutte le grandezze fisiche attinenti al sistema misurato (con eccezione del misurando), allutilizzatore e allambiente, che influenzano il comportamento del trasduttore: x(t)=f[y(t),] La dipendenza dal tempo, dovuta allinvecchiamento dei materiali x(t)=f[y(t),,t] Il modello del trasduttore

9 Parte I (I Sensori) Il campo di misura precisa i limiti entro i quali deve variare la grandezza dingresso affinché il trasduttore funzioni secondo le specifiche fornite. Il campo di sicurezza fornisce informazioni sullintegrità del trasduttore, esso, infatti, specifica i limiti che la grandezza dingresso non deve superare per non danneggiare il trasduttore. Il campo di normale funzionamento delluscita. Il valori estremi delluscita. Il comportamento energetico : trasduttori attivi trasduttori passivi Il modello del trasduttore

10 Parte I (I Sensori) Il regime di funzionamento : regime stazionario regime dinamico Un trasduttore opera in regime stazionario quando le variazioni del misurando nel tempo sono tali che la funzione di conversione del trasduttore non risulta alterata in modo significativo rispetto a quella che si ha con misurando costante nel tempo. In caso contrario si dice che funziona in regime dinamico. Il modello del trasduttore

11 Parte I (I Sensori) Il principio di funzionamento Notizie sul misurando (Measurand) Specie Campo di misura (input range) Campo di sicurezza (measurand overload values) Notizie sulluscita(Output) Specie Campo di normale funzionamento (output range) Valori di sovraccarico(output overload range) Potenza erogabile (output power) Impedenza duscita (output impedance ) Incertezza intrinseca delluscita Alimentazione ausiliaria (Auxiliary supply) Come si caratterizza un trasduttore

12 Parte I (I Sensori) Caratteristiche metrologiche in regime stazionario (Static metrological characteristics) Funzione di tatatura Curva di taratura (Calibration curve) Incertezza di taratura (Cal. uncertainty) Sensibilità (Sensitivity) Linearità (Linearity) Risoluzione (Resolution) Ripetibilità (Repeatibility) Isteresi(Hysteresis) Stabilità (Stability) Come si caratterizza un trasduttore

13 13 Parte I (I Sensori) Caratteristiche metrologiche in regime stazionario (Static metrological characteristics) Funzione di tatatura Curva di taratura (Calibration curve) Incertezza di taratura (Cal. uncertainty) Sensibilità (Sensitivity) Linearità (Linearity) Risoluzione (Resolution) Ripetibilità (Repeatibility) Isteresi(Hysteresis) Stabilità (Stability ) Come si caratterizza un trasduttore Asse delle letture L M Curva di taratura ViVi L i M i s

14 Parte I (I Sensori) Caratteristiche metrologiche in regime dinamico (Dynamic characteristics) Risposta in frequenza (Frequency response) Campo di frequenze di non distorsione (Frequency range) Frequenza di risonanza (Resonant frequency) Come si caratterizza un trasduttore

15 15 Parte I (I Sensori) Caratteristiche metrologiche in regime dinamico (Dynamic characteristics) Risposta al gradino (Step responce) Sovraelongazione (Overshoot) Tempo morto (Deat time) Tempo di salita (Rise time) Tempo di risposta (Response time) Tempo di assestamento (Settling time) Frequenza delle oscillazioni di assestamento (Ringing frequency) Risposta libera (natural responce) Come si caratterizza un trasduttore

16 Parte I (I Sensori) Condizioni operative (Operating conditions) Definiscono i campi di valore in cui devono essere mantenute le grandezze dinfluenza (influence quantities) perché il sensore funzioni secondo le specifiche dichiarate. Campo di riferimento (reference operating conditions) Campo di normale funzionamento (Normal operating conditions) Campo di sicurezza (Operative limits) Campo di Magazzino (Storage coditions) Funzione dinfluenza (operating influence) Come si caratterizza un trasduttore

17 Parte I (I Sensori) Tempo di vita Numero di cicli (cicling life) Tempo di funzionamento (operating life) Tempo di magazzino (storage life) Affidabilità: è dovuta a guasti o da debolezza strutturale del sensore o da funzionamento al di fuori dei limiti di sicurezza: Degradazione: Variazione graduale delle caratteristiche nel tempo Rottura: Improvvisa degradazione delle caratteristiche. Come si caratterizza un trasduttore

18 Parte I (I Sensori) L affidabilità definisce in termini statistici la probabilità di un sensore di lavorare soddisfacentemente con le caratteristiche specificate. La frequenza dei guasti su dispositivi identici in funzione del tempo è rappresentata dal caratteristico diagramma a vasca da bagno: Come si caratterizza un trasduttore Freq. Dei guasti tempo Guasti per usura Freq. Guasti costante Guasti giovanili Vita utile

19 Parte I (I Sensori) Si definisce per i dispositivi che superano il periodo dei guasti giovanili, una durata media durante la quale funzionano entro le specifiche: MTBF (Mean time between failure - tempo medio fra guasti) MTBF = (N. dispositvi in esame x N. ore di uso) / N. totale di guasti Caratteristiche fisiche Costo Come si caratterizza un trasduttore


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