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Parte I (I Sensori) I sensori a correnti parassite, sfruttano il fenomeno dellinduzione di correnti parassite su un opportuno target, per sbilanciare un.

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1 Parte I (I Sensori) I sensori a correnti parassite, sfruttano il fenomeno dellinduzione di correnti parassite su un opportuno target, per sbilanciare un ponte. Lintervallo di funzionamento va da 0.25 a 30 mm ( sensori di prossimità ) I sensori induttivi di prossimità

2 2 Parte I (I Sensori) Intervallo di misura: 0.25, 30 mm ; Non linearità migliore di 0.5% ; Frequenza di eccitazione 1MHz ; Risoluzione mm. I sensori induttivi di prossimità

3 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 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).

4 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 e quindi, rispettivamente: Oppure, se si usa un capacitore con n piatti: Valori tipici di C vanno da 1 pF a 500 pF, con una frequenza maggiore di 10 kHz, per ridurre il valore dellimpedenza duscita del sensore.

5 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 lesterno un campo elettromagnetico molto minore. Esistono delle configurazioni differenziali che eliminano il problema della non linearità. I sensori capacitivi

6 6 Parte I (I sensori) Infatti si ha: I sensori capacitivi

7 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.

8 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 10 8 ) Stabilità, riproducibilità e linearità Ampio campo di temperatura Elevata insensibilità ai campi elettromagnetici esterni.

9 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 10 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici La piezoelettricità è legata a delle asimmetrie della struttura cristallografica dei materiali. I materiali che presentano leffetto piezoelettrico sono dei dielettrici e possono essere: cristalli naturali (quarzo e tomalina), ceramiche ferroelettriche ( è richiesto un processo di polarizzazione) e film polimerici.

11 11 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici I fenomeni piezoelettrici vennero scoperti nel 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 12 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici Applicando contemporaneamente una differenza di potenziale V tra i due elettrodi, si ha:

13 13 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici Se il materiale è piezoelettrico occorre introdurre anche gli effetti mutui :

14 14 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici Viene introdotto anche un coefficiente di accoppiamento elettromeccanico :

15 15 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici ESEMPIO 1: Per il titanato di piombo si ha: d=-44pC/N; T =600 o ; g=-8(mV/m)/(N/m 2 ); Si vuole calcolare la tensione sviluppata (a circuito aperto) da un carico di 1000 N su un papallelepipedo di 1 cm di lato.

16 16 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici SOLUZIONE: Essendo in condizioni di circuito aperto si ha:

17 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

18 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 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:

20 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/m 2 applicato attorno allasse 2 ( direzione 5 ), una densità di carica pari a 515 pC/m 2 su due elettrodi collegati al materiale in corrispondenza della direzione 1.

21 21 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici Per i materiali più comuni valgono i valori riportati in tabella per le caratteristiche piezoelettriche.

22 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 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 duscita.

24 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 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 26 Parte I (I Sensori) I sensori optoelettrici Si ottiene in tal modo un sensore di prossimità ad elevata sensibilità.

27 27 Parte I (I Sensori) I sensori a ultasuoni I sensori ad ultasuoni usano la misura del tempo di volo (TOF) di unonda di pressione ad ultrasuoni per la misura della distanza. Receiver Target O h z SASA SASA y Transmitted beam Reflected beam

28 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 29 Parte I (I Sensori) I sensori a ultasuoni Tali sensori sono carattetizzati da un basso costo (qualche euro). Principali cause dincertezza sono la risoluzione (limitata a qualche dalla lunghezza donda del segnale ad ultrasuoni). la dipendenza della velocità del suono in aria dalla temperatura.

30 Parte I (I Sensori) Gli encoder Gli encoder hanno il vantaggio di fornire unuscita direttamente sotto forma digitale. Esisono encoder per Misure angolari Misure di spostamento rettilineo

31 31 Parte I (I Sensori) Gli encoder Tutti gli encoder sono caratterizzati da strutture geometriche regolari che permettono di determinare la posizione dellorgano cui è vincolato il sensore. Esistono sistemi: Ottici Elettromagnetici

32 32 Parte I (I Sensori) Gli encoder Gli encoder hanno il vantaggio di fornire unuscita direttamente sotto forma digitale. Esisono tre tipi di encoder: Encoder tachimetrico Encoder incrementale Encoder assoluto.


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