Sensori e trasduttori

1) Tipologie di sensori :

a) sensori di posizione

b) sensori di velocità

c) sensori di accelerazione

2) Tipologie di sensori di posizione :

a) Potenziometri

b) Trasformatori Differenziali Lineari

c) Sincro & Resolver

d) Maschere codificate

3) Tipologie di sensori di velocità :

a) Dinamo tachimetrica

b) Maschere incrementali

4) Tipologie di sensori di accelerazione :

a) Accelerometri piezoresistivi (estensimetro)

b) Accelerometri a controreazione

5) Potenziometro :

È costituito da un supporto isolante su cui si trova un resistore avente una resistenza ad unità di lunghezza , esso può esser sagomato in forma rettilinea oppure ad arco di cerchio, sulla resistenza scorre un cursore mobile collegato alla posizione che si vuole misurare, variando la posizione varia la resistenza, mentre con i potenziometri circolari si possono misurare le variazioni angolari. Se la resistenza è costituita da un filo metallico, essa può essere avvolta sul supporto isolante e ciò determina una discontinuità quando il cursore passa da una spira alla successiva pertanto la risoluzione è pari all´inverso del numero di spire, mentre è infinita nel caso l´elemento resistivo sia costituito da un film metallico.

Si utilizzano due schemi a partitore :

a) ad un estremo della resistenza c'è il morsetto positivo e all'altro estremo c'è la massa, il cursore è verso il carico

b) la resistenza viene alimentata da un generatore duale e si ha la massa connessa al suo punto centrale.

Il potenziometro è un trasduttore molto preciso ma è fortemente soggetto a vibrazioni e corrosione e la sua caratteristica è lineare solo in assenza di carico.

6) Trasformatore differenziale lineare :

Si utilizza per la misura di traslazioni lineari, è costituito da un supporto di materiale non ferromagnetico su cui si ha un avvolgimento primario alimentato in alternata e due secondari identici connessi in opposizione di fase. All´interno vi è un nucleo ferromagnetico mobile, se esso è disposto simmetricamente rispetto ai 2 avvolgimenti, il segnale complessivo è nullo, altrimenti si ha una riluttanza diversa e quindi in uscita si ha una sinusoide la cui ampiezza è funzione dello spostamento l , inoltre da una misura di fase è anche possibile valutare il verso dello spostamento.

La sensibilità dello strumento aumenta sia al crescere della frequenza (…si deve però tener conto che al crescere di w aumenta l'impedenza del primario e quindi diminuisce la corrente circolante) che al crescere della tensione (…si deve in questo caso tener conto che oltre una certa tensione il nucleo si satura e si hanno anche problemi di effetto Joule).

In genere si utilizzano tensioni inferiori a 50V e frequenze tra 50Hz e 10Khz .

7) Sincro :

inviando tali tensioni ad un discriminatore elettronico si riesce a determinare l'angolo q. Si utilizzano tensioni da 12V a 115V a frequenze tra 50Hz e 400Hz ottenendo sensibilità di 100mV/° .

8) Risolutore :

È un sensore di posizione utilizzato per la misura di angoli, in particolare l'angolo è quello di cui si sposta il rotore alimentato in alternata rispetto alla posizione di riferimento. Sullo statore ci sono 2 avvolgimenti disposti a 90° tra loro sui quali a vuoto si possono misurare le tensioni , inviando tali tensioni ad un discriminatore elettronico si riesce a determinare l'angolo q. Si utilizzano tensioni da 12V a 115V a frequenze tra 50Hz e 400Hz ottenendo sensibilità di 100mV/° .

9) Maschera codificata :

È un trasduttore molto utilizzato laddove sia richiesta una misura di spostamento lineare o angolare direttamente in forma digitale. Con riferimento al caso di spostamenti angolari, la maschera viene posta sull'organo in rotazione, essa è costituita da un disco suddiviso in settori e corone circolari, su ogni elemento di area così individuata è presente una informazione binaria 0-1 che che forma il numero presente su un dato settoree che consetuamente è la trascrizione binaria dei numeri naturali, la quale può poi essere ulteriormente codificata in BCD. L'informazione binaria 0-1 può corrispondere ad una zona più o meno conduttiva, più o meno opaca. Si hanno problemi perché nel passare da una codifica alla successiva sia in binario che in BCD variano più di un bit e questo può dar luogo ad errori per ovviare ai quali si ricorre al codice Gray.

10) Estensimetro a resistenza :

Si tratta di un trasduttore atto a misurare una deformazione, ve ne sono due tipologie :

a) estensimetro a resistenza

Si ha un supporto resistivo deposto sul materiale di cui interessa misurare l'allungamento, si ha da cui si ottiene del resto si ha che la variazione della sezione S del filo è legata alla variazione di volume dalla relazione di Poisson ed anche che la variazione di resistività r è legata alla variazione di volume dalla , in definitiva si ottiene quindi dove K è il fattore di taratura.

Per avere variazioni di resistenza misurabili occorrerebbero fili di sezione infinitesima, per ovviare a ciò si realizza una struttura a ghirigoro in cui i tratti curvi vengono realizzati con ampia sezione e quindi resistenza nulla. Particolare cura va tenuta nell'incollaggio e nella dipendenza dalla temperatura.

b) estensimetro piezoelettrico

Utilizza dei semiconduttori per i quali è molto forte la variazione di resistività conseguente ad una variazione di volume (…fenomeno denominato piezoelettricità) , si giunge alla relazione simile a quella che si ha per gli estensimetri a resistenza, con la differenza che per gli estensimetri piezoelettrici K è molto più elevato e quindi sono più sensibili, presentano però il difetto di una maggiore dipendenza dalla temperatura.

11) Dinamo tachimetrica :

Si ha uno statore costituito da un magnete permanente che quindi produce un flusso costante, il rotore è costituito da N spire e termina su un collettore spezzato dal quale si può prelevare una tensione proporzionale alla velocità di rotazione, ad esso è però sommato un ripple legato al numero di spire.

12) Maschere incrementali :

Si tratta di un sensore di velocità con uscita in forma digitale, si realizza con una maschera che viene posta sull'organo di rotazione, tale maschera è suddivisa in settori alternativamente trasparenti o opachi. Nel caso si utilizzi il lettore ottico, per una maschera di 15cm si possono avere sino a 2¹⁵ passi per giro. Per distinguere il verso di rotazione si utilizzano due taccheggiature sfasate tra loro e due lettori ottici.

Si può utilizzare anche per la misura di spostamenti semplicemente contando il n° dei passi.

13) Accelerometro piezoresistivo :

La massa soggetta all'accelerazione è collegata tramite un estensimetro ad un punto fisso, quando la massa si sposta l'estensimetro si deforma e quindi tramite una misura di resistenza con un ponte di Weathstone si può calcolare l'accelerazione impressa.