Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le produzioni animali CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE DELLA PRODUZIONE ANIMALE Tecnologie Informatiche ed Elettroniche per le produzioni animali (corso TIE) Massimo Lazzari Scienze veterinarie per la salute,  la produzione animale  e la sicurezza alimentare - VESPA Università degli Studi di Milano

Generalità su sensori e trasduttori TIE per le Produzioni Animali CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE DELLA PRODUZIONE ANIMALE Generalità su sensori e trasduttori TIE per le Produzioni Animali Massimo Lazzari Scienze veterinarie per la salute,  la produzione animale  e la sicurezza alimentare - VESPA Università degli Studi di Milano

INQUADRAMENTO TECNOLOGIE DI BASE TECNOLOGIE ELETTRONICHE DI BASE TECNOLOGIE DI POSIZIONAMENTO TECNOLOGIE INFORM. HARDWARE TECNOLOGIE INFORM. SOFTWARE

INFORMAZIONI E DATI (2) decisione azione Utilizzo INTRA-AZIENDALE delle informazioni: SISTEMI DI PRESA DELLE DECISIONI UTILIZZO RACCOLTA ELABORAZIONE ANALISI decisione azione Attività di controllo monitoraggio Dati grezzi Selezione e sintesi dei dati valutati Informazioni

I SENSORI E LO SPAZIO DELL’INFORMAZIONE

Estrazione della informazione I SENSORI E LO SPAZIO DELL’INFORMAZIONE Informazione Estrazione della informazione Sensore/trasduttore Misurando Uscita Il segnale è una grandezza fisica alle cui variazioni è associata una informazione mediante una convenzione nota. Caratteristica fondamentale di ciascuno degli elementi della catena di misura -quindi anche del sensore/trasduttore- è quella di conservare inalterata l'informazione contenuta nel segnale d'ingresso, restituendola nel segnale d'uscita

Trasduttori e “sensori” dalla Norma UNI-UNIPREA 4546: DEFINIZIONI Trasduttori e “sensori” dalla Norma UNI-UNIPREA 4546: Trasduttore: « mezzo tecnico che compie su un segnale d’ingresso una certa elaborazione, trasformandolo in un segnale d’uscita. » Trasduttori omogenei (ex, ingranaggi meccanici) Trasduttori non omogeni (ex: lampadina)

DEFINIZIONI un dispositivo di captazione (elemento sensibile), - un trasduttore, che provvede a estrarre il dato d'interesse dalla grandezza fisica a cui è collegato direttamente o attraverso il dispositivo di captazione ed a trasferirla, sotto forma di segnale (di definite caratteristiche), all’anello della catena di misura successivo; un sistema di condizionamento, - un convertitore analogico/digitale; - una macchina calcolatrice,

DEFINIZIONI A volte, per la complessità della trasformazione richiesta, il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l’uno in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il misurando, viene chiamato “sensore”. E

DEFINIZIONI A volte, per la complessità della trasformazione richiesta, il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l’uno in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il misurando, viene chiamato “sensore”. Trasduttore “forza-tensione” Trasduttore “spostamento-tensione” Trasduttore “forza-spostamento”

DEFINIZIONI A volte, per la complessità della trasformazione richiesta, il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l’uno in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il misurando, viene chiamato “sensore”. Sensore

I realtà nel lingaggio comune vale: DEFINIZIONI I realtà nel lingaggio comune vale: Sensore !!!!!!!!!!! Il sensore ha lo scopo, attraverso un elemento sensibile e un trasduttore, di inviare un segnale di misura agli elementi della catena in modo tale che questo segnale mantenga una proporzionalità con la grandezza fisica dell’ambiente misurando e possa quindi diventare esso stesso (il segnale) un elemento di input per il sistema di controllo. Nei sistemi di misura e di controllo automatico, quindi, il sensore è il dispositivo che fornisce in uscita un segnale che dipende dal valore di una determinata grandezza presente all’ingresso: è quindi analogo al trasduttore (i due termini sono talvolta usati come sinonimi) e si basa spesso sugli stessi principî di funzionamento, ma se ne differenzia per la funzione, che nel trasduttore è di convertire la variazione di una grandezza fisica nella variazione di un’altra (a fini di misura, di registrazione o di utilizzazione del nuovo segnale generato) mentre nel sensore è di determinare il valore della variabile in ingresso a fini di regolazione o di controllo del sistema in cui il sensore è impiegato

DEFINIZIONI Il sensore complessivo spesso è sensibile a variabili che alterano il risultato della misura primaria, quindi per ottenere un buon funzionamento bisogna attenersi al data-sheet in cui sono descritti: I parametri caratteristici del sensore ; Gli schemi dettagliati più comuni di utilizzo; I circuiti di prova per verificare le caratteristiche

TIPI DI SENSORE Analogico: quando il suo segnale di uscita è una grandezza elettrica che varia in modo continuo mantenendo una doppia corrispondenza con il valore della grandezza misurata  Digitale: quando il suo segnale di uscita è composto da uno o da una sequenza di più segnali digitali che possono assumere ciascuno solo due livelli di tensione identificati come 0 e 1.

TIPI DI SENSORE Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza nessun consumo di energia elettrica. E’ il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie. Passivi: Sono quei sensori ai quali bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica d’uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica. Ad esempio il potenzimetro che fornisce in uscita valori di resistenza diversi, a seconda della posizione. E

CARATTERISITICA DI TRASFERIMENTO E' il legame che intercorre tra la variabile da misurare (ingresso) e il segnale elettrico di uscita del trasduttore. I trasduttori la cui caratteristica è una retta sono detti lineari. U U=KI  tg=K I U: La grandezza di uscita del sensore I: La grandezza da misurare K: Coefficiente angolare

DIAGRAMMA DI TARATURA In realtà, a causa delle inevitabili incertezze, per nessuno dei due segnali di entrata e uscita della funzione di trasferimento si può parlare di "valore", ma bisogna introdurre il concetto di "fascia di valore", cioè l'insieme di valori che rappresenta, nella sua globalità, la grandezza in questione, senza che nessuno di essi abbia più peso degli altri. Facendo riferimento alla relazione inversa, si preferisce dunque parlare di "funzione di taratura”, definita come la relazione che permette di ricavare da ogni valore della grandezza di uscita la corrispondente fascia di valore del misurando.

OFFSET Quando la curva di taratura è rettilinea, cioè esiste una relazione di proporzionalità fra uscita e misurando, essa viene espressa di regola con un il coefficiente angolare K, chiamato anche costante di taratura (fattore di calibrazione). U=Grandezza di uscita U=KI+offset offset I=grandezza d' ingresso Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al valore nullo della variabile d' ingresso.

RANGE DI FUNZIONAMENTO E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza che deve essere trasdotta. RANGE DI FUNZIONAMENTO Range di Funzionamento Saturazione Zona lineare Min Max

ISTERESI U=Grandezza di uscita Caratteristica reale Caratteristica Ideale Deviazione I=Grandezza d' ingresso Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una imprecisione di misura. Dovrebbe essere inferiore allo 0,1%

SENSIBILITA’ E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita e la variazione della grandezza d' ingresso che la provoca. S = ΔU/ΔI =K Maggiore pendenzasensore più sensibile. U Valore massimo di uscita U1 U2 l

TEMPO DI RISPOSTA E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere in uscita il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso.

RISOLUZIONE In un sensore l’uscita non varia mai con continuità, ma presenta sempre una certa discontinuità, anche se molto piccola, tra un valore e il successivo. Si ha cioè un andamento a gradino per cui si verifica che a due valori diversi di ingresso, tra di loro diversi, corrisponda una stessa uscita. U Dal grafico si vede che per tutti i valori di i compresi tra i1 e i2, l’uscita è sempre la stessa. La quantità Δi normalmente non è costante, ma variabile nel campo dei valori misurabili. Umax U Viene definita come risoluzione percentuale di un sensore il rapporto tra la quantità Δi e il valore massimo misurabile. R = 100 Δi i Δi i1 i2 Umax Se ad esempio abbiamo un sensore con fondoscala = 10 Volt ed ha una risoluzione R =0.04% Δi = 0.04 x 10 / 100 = 0.004 Volt Vuol dire che il nostro sensore è in grado apprezzare una variazione di ingresso pari a 0.004 Volt

ACCURATEZZA E PRECISIONE Precisione = basso errore standard -errore quadratico medio deviazione – standard = 2,8% Accuratezza = differenza di misura con un gold standard – esigenza taratura periodica

CLASSIFICAZIONE IN BASE AL PRINCIPIO FISICO MISURATO (INPUT) Classificazione in base a caratteristiche fisiche resistivi: sfruttano la variazione della resistenza (fotoresistori, termoresistori, sensori di posizione); capacitivi: sfruttano la variazione della capacita' di un condensatore (sensori di umidità); elettroacustici: convertono segnali sonori in grandezze elettriche (microfoni); elettrodinamici: si basano sul principio della forza elettromotrice per misurare velocita' (dinamo tachimetrica); elettromagnetici: utilizzano il principio dell'induttanza elettrica per rilevare angoli di rotazione; magnetorestivi: si fondano sul principio della permeabilita'; piezoelettrici: sfruttano l'originarsi di una polarizzazione elettrica su facce opposte di cristalli sottoposti a sollecitazioni (stress) fisiche; a semiconduttore: sfruttano le caratteristiche della giunzione dei semiconduttori (fotodiodi, fototransistor).

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLO SCOPO (OUTPUT)

SENSORI RESISTIVI E’ possibile utilizzare come sensori di posizione un reostato in modo da convertire la posizione in una variazione di resistenza infatti: se avviene un allungamento la misura della resistenza consente di misurare indirettamente lo spostamento.

SENSORI RESISTIVI

SENSORI RESISTIVI

SENSORI RESISTIVI

UNA SEMPLICE BILANCIA R = f (MASSA) SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI FORZE https://www.youtube.com/watch?v=BvG6L6wuv4g UNA SEMPLICE BILANCIA R = f (MASSA)

SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI PRESSIONI SESNORI DI PRESSIONE

SENSORI TEMPERATURA RTD = RESISTENCE TEMPERATURE DETECTOR

SENSORI TERMOCOPPIA

RESISTENCE TEMPERATURE DETECTOR R = f(T) SENSORI TERMORESISTIVI RESISTENCE TEMPERATURE DETECTOR R = f(T)

TERMISTORI

TERMISTORI

SENSORI A CIRCUITO INTEGRATO

Faremo una lezione apposita SENSORI TERMOGRAFICI Faremo una lezione apposita

SENSORI INDUTTIVI

SENSORI CAPACITIVI ε0 è la costante dielettrica del vuoto, εr quella del mezzo, A la superficie delle armature del condensatore, d la loro distanza.

INDIRETTAMENTE SI USANO PER MISURARE LE CELLULE NEL LATTE SENSORI CAPACITIVI INDIRETTAMENTE SI USANO PER MISURARE LE CELLULE NEL LATTE IL FLUSSO DI LATTE Il RUMORE

SENSORI CAPACITIVI

SENSORI FOTOELETTRICI

FOTOCELLULE

FOTOCELLULE

ENCODER L'elemento fotosensibile (un fotodiodo o un fototransistor) genera un treno di impulsi ed il loro numero è pari al numero delle zone trasparenti, alternate alle scure, intercettate dal blocco emettitore-ricevitore Il conteggio di questi impulsi consente di individuare la rotazione compiuta dal disco

ENCODER ENCODER INCREMENTALE: ENCODER ASSOLUTO: contando gli impulsi permette di valutare lo spostamento rispetto ad una posizione iniziale ENCODER ASSOLUTO: fornisce la posizione assoluta fotorivelatori LED fotorivelatore tracce ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce vengo ad avere una risoluzione di 210=1024 impulsi per giro (nota: i segnali provenienti dai fotorivelatori possono essere interpretati direttamente come una codifica binaria della posizione)

ENCODER I tachimetri elettronicI basano il loro funzionamento su un encoder che fornisce una sequenza di impulsi grazie a una coppia led-fotodiodo in genere integrati nell’encoder. I tachimetri digitali possiedono un generatore di clock il cui compito è di fornire una finestra temporale di durata costante che abilita il conteggio di un contatore.

DINAMO TACHIMETRICA La dinamo tachimetrica è un piccolo generatore di corrente continua. Nello statore è presente un magnete permanente. Il rotore racchiude l’avvolgimento indotto. Rispetto le tradizionali dinamo si pone molta cura nella costruzione per evitare attriti e eccentricità che falserebbero la lettura.

SENSORI PIEZOELETTRICI si basano sulla misura della carica elettrica che compare sulla superficie di cristalli speciali (quarzi, topazi, sale di Rochelle) quando sono sottoposti a stress meccanici. EX podometro

SENSORI A ULTRASUONI

SENSORI A ULTRASUONI

Elettrodo per un pH-metro SENSORI ELETTROCHIMICI Elettrodo per un pH-metro

SENSORI ELETTROCHIMICI Un pHmetro usa il voltaggio di una cella per misurare la concentrazione di H+ in una soluzione

OROLOGIO In genere oscillatori al quarzo, che genera la frequenza di base di 32,768 kHz. http://www.youtube.com/watch?v=Vft2fKVLMVY

SENSORI RIASSUNTO

I SENSORI E LO SPAZIO DELL’INFORMAZIONE

SENSORI RIASSUNTO

INTEGRAZIONE CON GLI ALTRI COMPONENTI ELETTRONICI posizione transponder reader macchine di calcolo attuatori