Parte I (I Sensori) Supporti didattici 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

Parte I (I Sensori) Cos’è un trasduttore? L’elaborazione 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 all’informazione di interesse, non è di natura elettrica. I dispositivi che effettuano queste trasformazioni vengono chiamati trasduttori, o sensori.

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)

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

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 dell’Europa 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.

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.

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 Trasduttore Sistema utilizzatore Sistema ausiliario

Parte I (I Sensori) Il modello del trasduttore La funzione di conversione: è la funzione che lega il segnale d’ingresso x(t) con il segnale d’uscita y(t): x(t)=f[y(t)] Le grandezze d’influenza sono tutte le grandezze fisiche attinenti al sistema misurato (con eccezione del misurando), all’utilizzatore e all’ambiente, che influenzano il comportamento del trasduttore: x(t)=f[y(t),•] La dipendenza dal tempo, dovuta all’invecchiamento dei materiali x(t)=f[y(t),•,t]

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

Parte I (I Sensori) Il modello del trasduttore 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.

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

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore 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)

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore 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) Asse delle letture L M Curva di taratura Vi D Li Li D Mi Is

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore 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)

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore 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)

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore Condizioni operative (Operating conditions) Definiscono i campi di valore in cui devono essere mantenute le grandezze d’influenza (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 d’influenza (operating influence)

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore 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.

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore 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: Freq. Dei guasti Vita utile Freq. Guasti costante tempo Guasti per usura Guasti giovanili

Parte I (I Sensori) Come si caratterizza un trasduttore 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