Parte I (I Sensori) I sensori induttivi di prossimità

Presentazione sul tema: "Parte I (I Sensori) I sensori induttivi di prossimità"— Transcript della presentazione:

1 Parte I (I Sensori) I sensori induttivi di prossimità
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)

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

3 Parte I (I Sensori) I sensori capacitivi
E’ possibile, in teoria, variare una capacità, in funzione di uno spostamento cambiando uno dei parametri che forniscono il valore di una capacità: 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) I sensori capacitivi
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: Oppure, se si usa un capacitore con n piatti: e quindi, rispettivamente: 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 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.

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

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 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 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
Applicando contemporaneamente una differenza di potenziale V tra i due elettrodi, si ha:

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

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

15 Parte I (I Sensori) I sensori piezoelettrici T=600o; ESEMPIO 1:
Per il titanato di piombo si ha: d=-44pC/N; T=600o; 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:

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 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:

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.

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 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.

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 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 SA y Transmitted beam Reflected

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.

30 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.