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Scarica qui il Quaderno GMEE no. 2

1. a FIO 4g WO data t b dt dt ov t dx t b bx t dove si ipotizza che il sistema sia invariante nel tempo e quindi che i coefficienti a e b siano costanti La risposta dinamica del sistema ovvero l andamento del segnale di uscita nel tempo in dipendenza di un determinato segnale forzante x t pu essere ottenuta risolvendo la precedente equazione differenziale o ricorrendo alle funzioni di trasferimento e alle trasformate di Laplace definita in Appendice 5 1 che presen tano il notevole vantaggio di trasformare l equazione differenziale in equazione al gebrica 3 6 Funzione di trasferimento errore dinamico Si accennato che il ritardo tra il segnale presente in uscita e l istante di applicazio ne del misurando pu comportare delle incertezze nella misura specie in regime dinami co L entit dell errore dinamico in genere variabile nel tempo Si definisce pertanto una funzione temporale yz t errore dinamico che pu essere valutata mediante l introduzione di una funzione di trasferimento errore dinamico del sistema G p Prima di definire tale funzione bene precisare che questo modello relativo agli errori deterministici e non si applica a quelli aleatori o stocastici causati ad esempio dalla presenza del rumore Gli errori accidentali devono quindi essere assenti o trascurabili rispetto a quelli sistematici Si consideri ora un segnale in ingresso x t la cui trasformata di Laplace sia
2. gt e si ha un sovrasmorzamento La sovraelongazione s quantit minore dell unit dipende unicamente dal fattore di smor n6 fl 6 zamento e ha la seguente espressione S 5 7 Risposta di un sistema del secondo ordine a una fun zione impulsiva Seguendo una procedura analoga a quella di un sistema del primo ordine soggetto a una funzione impulsiva possibile ricavare la risposta del sistema del secondo ordine quando l ampiezza dell impulso di durata finita sia A Ont Ont y t _ O e Ie ty O e 621 a ai DIFF L equazione precedente contiene tutte le informazioni relative alla funzione errore dinamico 5 8 Risposta di un sistema del secondo ordine a una fun zione a rampa Nel caso di una rampa di equazione x t Rt la cui trasformata di Laplace R p nota la funzione di trasferimento errore dinamico per un sistema del secondo ordine ri portata nel paragrafo 3 9 possibile ricavare la Yz p tt 1 p t t 1 pi 1 pt Y p Gs p X p sac t la cui antitrasformata 5 Appendici 91 t t 2 t t 1 te 2 i t i h 2 yp t kR t t 4 yt kRt Aggiungendo alla equazione precedente la funzione attesa y4 t kRt ed esprimendo le costanti di tempo in funzione di Ce di si ottiene la seguente risposta del sistema a una funzione a rampa Ot Be Ra a alee a alee 5 9 Risposta in frequenza di un sistema del secondo ordine In analogia
3. la somma e l interazione di pi processi Perch un sistema sia efficace sono indispensabili coordinamento e compatibilit delle diverse fasi che lo compongono e la definizione delle loro interfacce La prima fase quella di ricerca di mercato che pu essere commissionata all esterno a ditte specializzate le quali abbiano mostrato particolare esperienza nel settore d interesse Questa prima in dagine serve a stabilire le attese e i bisogni dei clienti la loro ubicazione geografica e soprattutto i pesi percentuali delle attese che consentiranno non solo di definire le spe cifiche ma anche di attribuire a queste attraverso alcuni coefficienti una maggiore o 52 Quaderno n 2 GMEE minore importanza In tal modo si potranno programmare le attivit dei vari processi tese al rispetto delle specifiche nel loro ordine di priorit Questa prima fase senza dubbio la pi delicata in quanto prevede la programmazione del marketing che come si diceva inizialmente comprende non solo le politiche di penetrazione nei mercati ma an che quelle di controllo della qualit e di verifica della soddisfazione dei clienti La seconda fase quella che prelude all ingegnerizzazione dei prodotti o dei servizi attraverso la progettazione e lo sviluppo Esiste una tecnica di progetto particolarmente efficiente quella del concurrent engineering che permette di ridurre drasticamente i tempi di sviluppo e i costi connessi Essa sorta anche p
4. la seguente dp amp A gt dt Questa legge del tutto generale nel senso che valida qualunque sia la causa de terminante la variazione del flusso concatenato e pu essere utilizzata nei sensori di campi magnetici variabili nel tempo In tal caso il sensore o sonda costituito dalla bo bina di n spire ferma Quando invece si vogliano misurare campi magnetici statici oc corre far ruotare la bobina a una velocit nota ma in tal caso l effetto si dice elettrodi namico L induttanza di una bobina di n spire avvolte su materiale magnetico varia in dipendenza non solo delle n spire ma anche della riluttanza del circuito magnetico Se questo dotato di un traferro si pu facilmente variare la riluttanza modificando le ca ratteristiche del circuito magnetico stesso Dalle variazioni di induttanza si pu risalire a spostamenti deformazioni forze pressioni Tra gli effetti elettromagnetici si anno 80 Quaderno n 2 GMEE verano anche quelli elettrodinamici Quando un conduttore di lunghezza si muove con velocit v perpendicolarmente a un campo magnetico di induzione B facile verifi care che si manifesta una f e m data da e B I v In modo reversibile quando il conduttore attraversato da corrente elettrica i e per pendicolarmente agisca un campo magnetico di induzione B si genera una forza F data da F Bli La presenza nelle due formule precedenti del prodotto B molto utile per la taratura dei cosiddett
5. rando vari nel tempo Esse descrivono il comportamento di un sensore in condizioni di funzionamento normale quando il misurando subisce variazioni molto lente e in assen za di urti vibrazioni o accelerazioni a meno che una di queste non debba essere oggetto di misura Le caratteristiche metrologiche dinamiche sono relative alla risposta del sensore alle variazioni con il tempo del misurando quando non pi valida la relazione tra i se gnali di ingresso e di uscita ottenuta durante la taratura La caratteristica dinamica de finita mediante un opportuna funzione di trasferimento Mentre la maggior parte delle prestazioni pu essere riferita alla caratteristica in regime stazionario opportuno cono scere anche la caratteristica dinamica per una corretta utilizzazione del sensore anche nelle condizioni di funzionamento in condizioni di regime permanente Le caratteristiche metrologiche di qualit e affidabilit sono relative alla vita o perativa o al cosiddetto numero di cicli di un sensore alle possibili cause del suo mal funzionamento e alla sua capacit di soddisfare le esigenze del cliente Le caratteristiche metrologiche ambientali si riferiscono al comportamento di un sensore dopo l applicazione caratteristiche ambientali non operative o durante l appli cazione caratteristiche ambientali operative di una o pi grandezze di influenza bene precisare che solo raramente accade che l indicazione y del sensore si
6. sente di individuare sul nascere potenziali guasti marginali incipienti o gi in atto di seguirne l evoluzione nel tempo e di programmare con largo anticipo e flessibilit le necessarie azioni correttive Tecniche di diagnostica industriale si vanno sempre pi dif fondendo in svariati settori in quanto operando in tempo reale consentono una riduzio ne dei costi di manutenzione preventiva ma soprattutto migliorano la disponibilit delle macchine e dei processi produttivi e quindi la continuit del servizio La diagnostica in dustriale richiede molti sensori predisposti nelle diverse parti del sistema in osservazio ne sensori intelligenti ovvero dotati di intelligenza distribuita e di sistemi di trasmis sione ed elaborazione dei dati La diagnostica medica prevede non solo la definizione della malattia ma anche la misura della sua gravit la determinazione dei fattori sia prognostici sia predittivi di risposta della cura Quanto meno la struttura ospedaliera dotata di sistemi sensori in grado di fornire in tempi brevi tutte le informazioni necessa rie ad una rapida diagnosi tanto pi elevata sar l incertezza con la quale il medico as sumer le decisioni sul da farsi Per poter utilizzare al meglio i sensori e far s che essi espletino correttamente le lo ro funzioni necessario saper misurare saper valutare l incertezza della misura da essi fornita saper tener conto delle grandezze che ne influenzano il comportamento
7. soidale sar ancora un segnale sinusoidale con la stessa frequenza ma con ampiezza e fase variabili con e con IG f kA 0 0 0 0 Figura 3 12 Risposta in frequenza di un sistema del secondo ordine 50 Quaderno n 2 GMEE Al limite per C 0 e l ampiezza cresce ad un valore teoricamente infinito Dalla figura emerge anche che per una registrazione fedele dei misurandi in un ampia banda di frequenza occorre scegliere valori di 6 compresi tra 0 6 e 0 7 Per tali valori il modu lo della risposta in frequenza abbastanza piatto al variare della pulsazione e quindi del la frequenza La fase varia linearmente con la frequenza il che comporta semplice mente la presenza di un ritardo nella risposta uguale per tutte le componenti del misu rando L eliminazione di questo ritardo richiederebbe valori di molto piccoli cui cor rispondono ampiezze variabili con la frequenza Se l interesse principale quello di mi surare il segnale in ingresso con la minima incertezza accettando un ritardo temporale la fase deve variare linearmente con la frequenza come avviene appunto per valori di compresi tra 0 6 e 0 7 Tali valori sono ad esempio ottimi per quei sensori utilizzati in sistemi di registrazione ad ampia banda di frequenza Se invece si desiderano caratteri stiche selettive si preferir un valore di quanto pi piccolo possibile e si fara coincide re la frequenza da esaltare con quella nat
8. 10 piccola isteresi I valori di sensibilit indicati stanno a significare che l effetto pie zoresistivo produce nel silicio a parit di sforzo una variazione di resistenza maggiore di quasi 2 ordini di grandezza rispetto a quella che si ha nei metalli Ad esempio se il sensore fosse soggetto ad un allungamento unitario per trazione dello 0 1 la sua va riazione di resistenza per un metallo sarebbe intorno allo 0 2 mentre la resistenza del silicio cambierebbe di circa il 10 Sfortunatamente i semiconduttori hanno anche un elevato coefficiente di temperatura effetto termoresistivo per cui il loro uso negli e stensimetri richiede spesso il ricorso a speciali tecniche di compensazione della tempe ratura I sensori piezoresistivi si utilizzano per misurare la pressione l accelerazione e la forza L effetto piezoresistivo utilizzato anche nei MEMS negli accelerometri e nei microfoni Oggi si fa un uso esteso di sensori di deformazione in campo edile ae ronautico automobilistico Una variazione di resistenza conseguente a uno spostamento si pu ottenere oltre che con elementi piezoresistivi anche con materiali conduttori facendo scorrere una spazzola su un filo o su un reostato come avviene nei sensori potenziometrici 4 4 Effetti magnetici La magnetostrizione quel fenomeno fisico che determina variazioni di dimensioni e forma in un materiale magnetico soggetto a magnetizzazione ed detta anche effetto Wiedemann L e
9. In molti proces si industriali essi sono chiamati trasmettitori di pressione di temperatura ecc In molti campi come d altra parte indicato anche nel VIM in particolare nell area dei di 10 Quaderno n 2 GMEE spositivi elettro ottici essi sono chiamati rivelatori ad intensit di luce infrarossa ecc Un altro termine molto utilizzato quello di cella cella di carico invece di senso re di forza ecc Altre parole inglesi molto usate sono gage scritto anche gauge che significa misuratore e pickup nel senso che qui si vuol dare alla parola non pu che essere tradotta come sensore Molto spesso alcuni trasduttori sono denominati aggiun gendo la desinenza metro al misurando A volte i sensori prendono il nome di sistema sensorio ci proprio per la necessit di adattare il sensore al processo industriale che si vuole governare Se si accetta la distinzione fatta precedentemente tra sensore e trasduttore e si convie ne di utilizzare correttamente questo termine ad esso necessario far riferimento quando si tratti di applicazioni industriali Non neanche da sottacere che rilevante il valore aggiunto nel passaggio da sensore a trasduttore o come anche sar meglio spiegato nel seguito da sensore a sensore intelligente chiaro allora che uno stesso sensore potr essere utilizzato in differenti trasduttori e reciprocamente lo stesso trasduttore pu uti lizzare diversi sensori In genere mentre il sensore
10. biti in un secondo il numero di elettroni e lacune liberi in eccesso raggiunge una con centrazione costante N t per ciascun tipo di carica Il numero di elettroni Ne che fluiscono nel tempo attraverso la batteria nel circuito esterno dato da Ne V N t u 44 do ve V la tensione applicata e 4 e 4 sono le mobilit di elettroni e lacune rispettiva mente L effetto fotoconduttivo si presenta in molti materiali come gli alogenuri alcalini il germanio il solfuro di cadmio il seleniuro di cadmio il solfuro di piombo il sele niuro di piombo L entit dell effetto nei diversi materiali fotoconduttivi e quindi la sensibilit del sensore che utilizzi un determinato materiale variano con la lunghezza d onda della radiazione incidente Pertanto si assegna a ciascun materiale fotocondutti vo un particolare campo di frequenze compreso nella banda fondamentale di assorbi mento ottico nel quale si manifesta la sua migliore attitudine Ad esempio gli alogenuri alcalini sono particolarmente indicati nella regione rossa dello spettro avendo un pic co di assorbimento ottico nell intorno di 1 6 eV mentre il germanio indicato per ra diazioni nell infrarosso avendo massimo assorbimento ottico intorno a 0 7 eV ma pu essere utilizzato anche nel visibile e nell ultravioletto Le propriet di conduttivit dei fotoconduttori sono notevolmente migliorate con il drogaggio consistente nell introdu zione di una quantit co
11. indicazione derivata semplicemente dalla grandezza fisica in ingresso I trasduttori di questo tipo sfruttano diversi effetti fisici quali quelli piezoelettrico fotoelettrico fotovoltaico elettromagnetico e termoelettrico Poich l indicazione in genere un segnale elettrico limitato dal valore del misurando fisico o chimico questi tipi di trasduttori tendono ad avere un segnale d uscita a bassa energia per cui in genere richiedono una amplificazione Un esempio di classificazione sulla base della natura attiva o passiva dei sensori fornito nelle Tabelle 2 1 e 2 2 Tabella 2 1 Esempi di sensori attivi Classi ed esempi Natura del sensore Sensori ad equipaggio Movimento relativo tra Velocit di vibrazione mobile magnete ed equipaggio velocit di spostamento Termocoppie Metalli dissimili a diverse Temperature radiazioni temperature flussi di calore Sensori piezoelettrici Compressione del quarzo Vibrazioni o altro cristallo accelerazioni suoni pressioni Celle fotovoltaiche Generazione in semi Esposizione luce conduttori di tensione dalla luce solare I sensori passivi agiscono come impedenze elettriche Il misurando pu produrre una variazione nei parametri geometrici volume superficie lunghezza ecc o una va riazione delle propriet elettriche resistivit permettivit permeabilit ecc Anche se molto importante tener presente che le variazioni nei parametri geometrici frequente mente producono
12. p k Mentre la costante di tem po tha sempre le dimensioni di un tempo la sensibilit statica ha dimensioni fisiche dipendenti dal sistema considerato e rappresenta l entit del segnale d uscita per segnale d ingresso unitario e costante Note le funzioni di trasferimento effettiva e attesa pos sibile ricavare la funzione di trasferimento errore dinamico per un sistema del primo or dine kpt k G k 2 P 1 pr 1 pr Dall esame di questa equazione si ricava che un sensore assimilabile ad un sistema del primo ordine ha un funzionamento in regime dinamico tanto migliore quanto pi piccola la sua costante di tempo in quanto al limite per 7 0 si ha che Gz p 0 Nel seguito si esaminano le risposte di un sistema del primo ordine ad alcune fun zioni canoniche In Appendice 5 2 si dimostra matematicamente che la risposta ad un gradino di un sensore assimilabile ad un sistema del primo ordine quella mostrata in Fig 3 3 Una condizione del genere si verifica quando il sensore collegato ad un si stema gi funzionante con valore del misurando pari ad A o quando il misurando ha una brusca variazione sempre di entit pari ad A In Fig 3 3 sono riportate le funzioni di ri sposta al gradino dell indicazione y t del sensore e dell errore dinamico y t con la normalizzazione delle ordinate ad 1 e con la scala del tempo in valori relativi alla co stante di tempo 7 pari al tempo necessario al sensore perch la sua ri
13. Infatti i campi elettromagnetici non possono indurre cor renti elettriche nel vetro che un materiale dielettrico come invece accade in presenza di cavi in materiale conduttore come il rame Inoltre i campi elettromagnetici non modi ficano le caratteristiche della luce che attraversa la fibra ottica Si esamina quindi l effetto Doppler che consiste nella variazione di frequenza delle onde acustiche ottiche o radio dovuta al moto relativo tra sorgente e ricevitore delle on de Tale effetto impiegato in svariati campi come quello dei sensori radar di velocit diffusi in campo sia automobilistico sia militare dove tra l altro servono per avere indi cazioni sulla velocit radiale dei bersagli aerei I sensori sonar ad effetto Doppler acu stico sono quelli pi indicati per la determinazione della velocit di un veicolo sottoma rino Molti sensori di flusso si basano sugli effetti prodotti dalla propagazione di onde ad ultrasuoni con trasmettitore e ricevitore generalmente di tipo piezoelettrico o di on de appartenenti al campo ottico Svariate sono le applicazioni in campo medico come in quello della pletismografia per lo studio delle variazioni di volume degli arti in funzio ne del ciclo o del deflusso venoso I sensori Doppler in questo settore servono per mi surare le variazioni di volume delle arterie delle vene periferiche della carotide o per la misura della pressione sistolica Un altro effetto preso in esame quello
14. alla procedura seguita per i sistemi del primo ordine la trasformata di Laplace della risposta del sistema a un segnale sinusoidale in ingresso di ampiezza A e pulsazione pu essere ricavata dalla X p e dalla G p e ricordando la seguente e spressione di X p per un sistema del secondo ordine data da a Ao k MO rage Caen Antitrasformando la precedente si ottiene la risposta del sistema che pu essere ca ratterizzato anche mediante le funzioni di risposta armonica di ampiezza e fase date da k lara O O G jo 92 Quaderno n 2 GMEE Bibliografia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Allocca J A Stuart A Transducers Theory and Applications Reston Publishing Company Inc A Prentice Hall Company 1984 Beeby S Ensell G Kraft M White N MEMS Mechanical Sensors Artech House Boston London 2004 Brignell J White N Intelligent sensor systems IOP Bristol Philadelphia 1996 Egidi C Introduzione alla Metrologia Ed Garzanti Milano 1982 Fraden J Handbook of modern sensors AIP Press New York 1995 Gorini I Le misurazioni tramite trasduttori con uscita elettrica in Arri E Sartori S Le misure delle grandezze fisiche Paravia Editore Torino 1984 ISO GUM Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements Kroh
15. anche variazioni nelle propriet elettriche 2 Classificazione e rappresentazione dei sensori 21 Tabella 2 2 Esempi di sensori passivi Classi ed esempi Naturadelsensore del sensore Misurando Resistore a filo Resistenza ESE Dimensioni spostamento Strain gage Resistenza variabile Sforzi forze coppie pressioni Termometri a resistenza Spira o termistore Temperatura Igrometro a resistenza Variazioni di resistivit Umidit relativa Radiometro a termistore Radiazioni su bolometro Inseguimento di missili Sensore a spira calda Spira riscaldata Variazioni di flusso elettricamente turbolenze Misuratore di spessori Misura di resistenza Spessori livelli Sensore a riluttanza Variazioni di riluttanza Posizione spostamenti Sensore a correnti Variazioni di induttanza Spessori spostamenti parassite Trasformatori Nucleo magnetico mobile Spostamenti posizioni forze differenziali Sensore a Propriet magnetiche Suoni pressioni forze magnetostrizione Misuratori di traferro Variazioni di induttanza Pressioni spostamenti Sensore ad effetto Hall Effetti elettromagnetici Correnti tensioni potenze Condensatore variabile Variazioni capacit Spostamenti pressioni Microfono Variazioni capacit Voce musica vibrazioni a condensatore Celle fotoconduttive Rel sensibili alla luce Tubi fotoemissivi Emissione di elettroni Rel fotosensibili Misuratori Flusso di elettroni Radiazioni e particelle di ionizzazione Di queste va
16. attraverso una serie di coefficienti piroelettrici variabili con l orientazione degli assi di riferimento Fra i cristalli che presentano il fenomeno vi sono la tormalina l acido tartarico il solfato di litio e sodio il titanato di bario il titanato zirconato di piombo il niobato di litio con coefficienti piroelettrici variabili intorno a valori di 10 C m K L effetto piroelettrico si manifesta in due modi uno primario quando il cristallo tenuto a volume costante in modo che non si verifichino fenomeni di dilatazione termi ca e uno secondario quando non si esercitano azioni meccaniche e si possono quindi verificare deformazioni per la dilatazione termica Nel secondo caso l effetto piezoelet trico dovuto alla dilatazione fornisce un ulteriore contributo alla variazione dei mo menti di dipolo I coefficienti piroelettrici variano in funzione di 7 con T temperatura assoluta per l effetto primario e con 7 per l effetto secondario a indicare che l effetto secondario maggiore di quello primario L effetto piroelettrico ampiamente sfruttato nei bolometri ovvero nei rivelatori termici di radiazioni e specie nel campo delle radiazioni infrarosse questi sono pre feriti a quelli basati sull effetto fotoelettrico o fotoconduttivo per il pregio di poter fun zionare anche a temperatura ambiente senza necessit di correzioni essendo insensibili alla radiazione di fondo stazionaria nel tempo in quanto se l illumina
17. bene precisare l importanza della misura accurata del ritardo nella risposta del sensore per la corretta progettazione di un sistema di controllo Molto spesso a tale sco po anche accettabile che 7 non sia troppo piccolo purch il suo valore sia noto con precisione e non vari nel tempo ovvero sia stabile Se si applica in ingresso al sensore un misurando che ha l andamento di un segnale sinusoidale di ampiezza costante pari ad A e si varia la sua frequenza un sensore ideale fornir un indicazione con lo stesso andamento ovvero tale indicazione sar costituita da un segnale ancora sinusoidale di ampiezza costante pari a KA e di frequenza uguale a quella del corrispondente misurando In realt se vi un ritardo dell indicazione del sensore rispetto all applicazione del misurando poich ad un ritardo nel dominio del tempo corrisponde uno sfasamento nel dominio delle frequenze le due onde sinusoidali che rappresentano ingresso ed uscita saranno sfasate di un angolo La rappresentazio ne dell andamento del modulo della risposta G del sensore normalizzata ad 1 e del suo argomento o fase fatta in genere in funzione di wz dove la pulsazione del misu rando che non altro che la frequenza moltiplicata per 27 Cos operando si ottengono i diagrammi della risposta in frequenza del sensore chiamati rispettivamente risposta in ampiezza e risposta in fase In Appendice 5 5 si dimostra matematicamente che gli an dament
18. coefficienti di tem peratura positivi PTC in un campo limitato di temperatura mediante un opportuno drogaggio anche se le leggi di variazione della resistenza con la temperatura variano considerevolmente tra i vari termistori PTC In Fig 4 6 sono riportati a titolo illustra tivo gli andamenti delle leggi di variazione della resistenza con la temperatura per metalli e semiconduttori Nell ambito degli effetti termoresistivi si pu annoverare anche quello dovuto alle variazioni con la temperatura sia della resistenza diretta di un diodo costituito da una giunzione p n al silicio quando sia polarizzato direttamen te sia delle tensioni base emettitore di dispositivi allo stato solido costituiti da transi stor con corrente di collettore costante L entit delle variazioni sono differenti da di spositivo a dispositivo per cui ogni termometro richiede una taratura preventiva Questi sensori si utilizzano nelle applicazioni che non richiedono elevate precisioni soprattutto per la loro linearit nella risposta il piccolo tempo di risposta e il costo ridotto rispetto ad altri sensori 4 6 Effetti capacitivi Sensori tipicamente passivi possono essere costituiti semplicemente da condensatori la cui capacit vari con il modificarsi delle caratteristiche fondamentali del condensatore stesso Ad esempio si consideri un condensatore ad armature piane e parallele di area A 84 Quaderno n 2 GMEE poste a distanza d tra loro e con interposto
19. condizioni operative assegnate o di targa deve indicare quelle relative non solo al misu rando ma anche alle grandezze d influenza e lo stesso deve fare per le condizioni opera tive limite Il costruttore tenuto inoltre nell indicare le condizioni operative di riferi mento a fornire gli intervalli dei valori sia del misurando sia delle grandezze d influenza Per cui quando sia prevista la possibilit che un sensore funzioni in condizioni ambientali differenti da quelle operative assegnate o durante la verifica da quelle in cui stato tara to necessario che siano noti gli effetti causati dalle grandezze di influenza in modo da poter stabilire opportuni limiti di errore delle caratteristiche o fattori di correzione Il VIM definisce variazione dovuta ad una grandezza d influenza la differenza nell indicazione del sensore per uno stesso valore del misurando allorquando una gran dezza d influenza assume successivamente due valori differenti Per esempio l effetto di temperatura deve essere noto e portato in conto in tutti i ti pi di sensori Come si detto gi in precedenza molti costruttori incorporano nella strumentazione degli elementi dedicati a compensare gli effetti della temperatura Gli effetti termici possono determinare sia deriva dell offset ovvero uno scostamento termi co dallo zero della curva di taratura sia una alterazione della sua pendenza ovvero una variazione termica della sensibilit La conosce
20. conto delle loro incertezze di misu ra e le corrispondenti indicazioni del sensore con associate le sue incertezze strumenta li e in una seconda fase utilizza questa informazione per stabilire una relazione che consenta di ottenere il risultato di misura da un indicazione del sensore Attraverso la taratura si determina l incertezza strumentale del sensore valutata in genere come semi ampiezza dell intervallo di massimo scostamento tra i valori del misurando corri spondenti ad una stessa indicazione del sensore Perch la taratura sia effettuata corret tamente l incertezza strumentale del sensore deve essere grande in confronto con le in certezze di misura associate ai valori della grandezza ottenuti dai campioni di misura Il costruttore tenuto ad indicare le condizioni operative di riferimento definite come quelle prescritte per la valutazione delle prestazioni del sensore o per il confronto dei ri sultati di misura La specifica delle condizioni operative durante la taratura richiede che siano forniti gli intervalli dei valori sia del misurando sia delle grandezze d influenza L espressione grafica per esempio su un piano cartesiano della relazione tra l indicazione del sensore posta su un asse e il corrispondente risultato di misura posto sull altro asse definita come diagramma di taratura In genere ad una stessa indica zione del sensore corrispondono diversi valori della grandezza misurata i cui valori li mit
21. d ira I PT p o p41 T Applicando il teorema di espansione di Heaviside e la trasformazione inversa di La place dall equazione precedente si ottiene kATO n ii kA _e n OT ea Trae dove arctg t Poich la funzione attesa risulta kAsenat dalla precedente si ricava la funzione errore dinamico sen at sen ot kro per Jra Hro Sia la y t sia la yg t presentano un termine transitorio che si esaurisce tanto pi ra pidamente quanto pi piccolo 7 Il modulo e la fase del restante termine del secondo membro dell equazione precedente coincidono con quelli della risposta in frequenza del sistema y t kA senot k k ge saretg ar SO ar Maree 5 Appendici 89 Da quanto risulta in base alle precedenti equazioni un sistema del primo ordine non altera la frequenza del segnale in ingresso ma pu attenuare l ampiezza e introdurre uno sfasamento nel senso dei ritardi di un massimo di 90 Tali effetti dipendono dal rap porto tra costante di tempo del sistema e frequenza del segnale in ingresso In particola re per T lt lt il sistema ha un comportamento coincidente con quello atteso in quanto tende a zero la radice di 1 r tende a 1 e la funzione errore y t quindi tende a Zero 5 6 Risposta di un sistema del secondo ordine a una fun zione gradino Dal confronto tra le due funzioni di trasferimento G p scritte nel paragrafo 3 9 si ri cavano le seguenti relazio
22. di taratura Un sensore tanto pi pre giato quanto pi elevata la sua sensibilit in quanto ci implica che sufficiente una piccola variazione del misurando per avere un elevata indicazione facilmente misurabi le La sensibilit non va confusa con la risoluzione definita come la minima variazione del misurando che d luogo a una variazione percettibile della corrispondente indicazio ne La risoluzione pu essere espressa come valore assoluto o percentuale riferito alla massima indicazione FSO del sensore e in genere pu avere diversi valori in differenti 3 Caratterizzazione dei sensori 33 parti del campo di misura Il VIM precisa che per la determinazione della sensibilit la variazione da dare al misurando deve essere superiore a quella che serve a valutare la risoluzione La risoluzione a sua volta spesso confusa con la banda morta termine molto diffuso tra i tecnici dell industria definita come l intervallo massimo all interno del quale si pu far variare il misurando in entrambi i sensi senza che si produca una variazione rivelabile nella corrispondente indicazione del sensore La sensibilit non va neanche confusa con la selettivit del sensore definita come la propriet del sensore impiegato in una specifica procedura di misura nella quale esso fornisce i valori della grandezza da misurare in presenza di uno o pi misurandi in modo tale che i valori di ogni misurando siano indipendenti dagli altr
23. e di Fourier Un sistema lineare a parametri costanti bene caratterizzato dalla funzione di tra sferimento definita come la trasformata di Laplace dell uscita del sistema A t conse guente ad un impulso unitario applicato all ingresso un tempo 7 prima dell istante consi derato G p he dr La risposta in frequenza o funzione di risposta armonica definita invece come la trasformata di Fourier della suddetta uscita G f ne dr In sistemi lineari a parametri costanti le funzioni G p e G f possono essere ottenute dal rapporto tra le trasformate di Laplace e di Fourier dell uscita e dell ingresso del si stema La G f generalmente una quantit complessa e pu essere espressa in termini di un modulo e di una fase o di una componente reale e di una immaginaria come indi cato nelle seguenti equazioni con chiaro significato dei simboli GN E e G S CIGA L uso delle funzioni G p e Gf permette di caratterizzare un sistema dinamico me diante i diagrammi a blocchi e di determinare le caratteristiche complessive quando sia no note le funzioni di trasferimento o di risposta in frequenza dei singoli blocchi rap presentativi dei dispositivi costituenti il sistema di misura In particolare se il sistema costituito da N blocchi caratterizzati dalle funzioni G p e G f e siano assenti o trascu rabili effetti di carico e di retroazione le funzioni di trasferimento e di risposta in fre quenza s
24. funzione della temperatu ra ha una pendenza positiva che varia con il materiale conduttore considerato come mo strato in Fig 4 6 Per i materiali semiconduttori che presentano un gap non nullo tra le bande di va lenza e di conduzione 2 positivo e varia con il materiale considerato assumendo valo ri elevati intorno a diverse migliaia Anche per i materiali semiconduttori si pu deter minare una legge di variazione della resistenza che prescinda dalla conoscenza di pr quando sia noto il valore di resistenza alla temperatura ambiente T normalmente pari a 25 C infatti si pu facilmente verificare la validit della seguente relazione 4 Principi fisici dei principali sensori 83 E E T TERMISTORI NTC PTC METALLI NICHEL PLATINO 200 400 600 TIE Figura 4 6 Variazioni indicative della resistenza con la temperatura per metalli e termistori La resistenza R_ comunemente compresa tra 1000 e 200 000 Q La variazione di resistenza con la temperatura nei materiali semiconduttori quindi esponenziale il che rappresenta uno svantaggio anche se vi sono tecniche che consentono di lineariz zare la risposta dei sensori che fanno uso di materiali semiconduttori Tra i materiali pi utilizzati vi sono gli ossidi di nichel di cobalto e di manganese Essi sono noti come termistori a coefficiente di temperatura negativa NTC in quanto la pen denza della curva negativa possibile ottenere termistori con
25. gli utili suggeri menti tesi a migliorare il contenuto del libro Infine vorrei ricordare due carissimi colleghi ed amici prematuramente scomparsi con i quali ho lavorato intensamente nell ambito del GMEE Italo Gorini e Carlo Offelli Essi sono stati autori di diversi libri ed articoli sui sensori che hanno rappresentato un sicuro riferimento nella stesura di questo quaderno Mario Savino m savino poliba it Indice Prefazione 1 Fondamenti sui sensori 1 1 Definizioni 1 2 Il sensore intelligente e i MEMS Classificazione e rappresentazione dei sensori 2 1 Sensori passivi ed attivi 2 2 Rappresentazione dei sensori Caratterizzazione dei sensori 3 1 Parametri fondamentali dei sensori 3 2 Caratteristiche di un sensore 3 3 Taratura o calibrazione 3 4 Linearizzazione della curva di taratura 3 5 Funzionamento in regime dinamico 3 6 Funzione di trasferimento errore dinamico 3 7 Sistemi di ordine zero 3 8 Sistemi del primo ordine 3 9 Sistemi del secondo ordine 3 10 Le caratteristiche di qualita 3 11 Affidabilita dei sensori 3 12 Caratteristiche metrologiche ambientali Principi fisici dei principali sensori 4 1 Effetti fotonici 4 2 Effetto Doppler 4 3 Effetti piezoelettrico piroelettrico piezoresistivo 4 4 Effetti magnetici 4 5 Effetti termici 4 6 Effetti capacitivi Pag 6 Quaderno n 2 GMEE 5 Appendici 5 1 Le trasformate di Laplace e di Fourier 5 2 Risposta di un sistema del primo ordine a una
26. il loro corretto funzionamento urti sovraccarichi grandezze d influenza temibili ecc sia quando si teme che la deriva strumentale possa aver ridotto la loro accuratezza La verifica della taratura deve essere eseguita ad intervalli prefissati e prima dell uso impiegando strumenti certificati riferibili a campioni di misura riconosciuti nazionali o internazionali In mancanza di tali campioni di misura il criterio utilizzato sia per la ta ratura sia per la verifica deve essere documentato Data la sempre maggiore rilevanza dei sistemi di prova automatici si richiede che le procedure di verifica siano estese an che al software di prova Le apparecchiature di prova misurazione e collaudo devono essere scelte ed utilizzate in modo da assicurare che la loro incertezza strumentale di misura sia conosciuta e compatibile con le esigenze di misurazione richieste Esse de vono essere verificate prima della loro utilizzazione in produzione installazione o assi stenza e devono essere ricontrollate a intervalli di tempo e di uso prefissati solitamente dal costruttore dell apparecchiatura di misura L organizzazione deve conservare le rela tive registrazioni bene anche sottolineare la necessit di verifiche ispettive interne della qualit L organizzazione deve predisporre e mantenere attive procedure documentate per la pianificazione e l esecuzione di verifiche ispettive interne per la qualit allo scopo di accertare se le attivit
27. in grado di dissolvere selettivamente il materiale da asporta re Purtroppo nel caso del silicio facce diverse del cristallo presentano caratteristiche chimiche diverse il che pu portare ad un errore nello spessore asportato con alterazioni nelle caratteristiche previste in sede di progetto L incisione a secco con ioni reattivi ottenuta mediante un plasma che produce ioni reagenti con il materiale da asportare Il processo per sputtering analogo a quello esaminato per la deposizione solo che in questo caso il substrato sostituisce la sorgente e subisce il bombardamento degli elettro ni Infine l incisione in fase vapore prevede l introduzione in un apposita camera di uno o pi gas reattivi che formano prodotti gassosi per il substrato da asportare In genere si usa acido fluoridrico gassoso per l asportazione dell ossido di silicio o fluoruro di xe non per l incisione del silicio Attualmente i sensori basati sui MEMS sono principalmente quelli di pressione di accelerazione di velocit di forza e di flusso oltre ai gi citati biosensori I sensori di pressione trovano largo impiego nel settore automobilistico e in quello biomedicale do ve si stanno diffondendo dispositivi usa e getta dopo il successo dei misuratori di glu cosio I MEMS per misurare l accelerazione e i giroscopi hanno trovato il mercato pi ampio nell ambito degli airbag per autovetture I sensori di velocit hanno trovato il principale mercato ne
28. in molte classi di cri stalli si presenta solo su un unico piano La relazione matematica tra le sei componenti del tensore degli sforzi tre componenti per la tensione e tre per la compressione e le tre componenti del vettore di polarizzazione P rappresentata da una matrice a 18 elementi piezoelettrici i cui valori sono funzioni della maggiore o minore simmetria del cristallo Per semplificare la forma della matrice si scelgono come assi di riferimento quelli di simmetria naturale del cristallo La prima applicazione della piezoelettricit dovuta a Pierre Curie che realizz un misuratore di cariche elettriche ma le prime utilizzazioni in campo industriale sono successive e si fanno risalire alle prime decadi del Novecento quando furono generate onde acustiche con risonatori al quarzo impiegati come sonar per individuare i sottoma rini in immersione Altre applicazioni riguardano la costruzione di interferometri acu stici per la misura della velocit del suono e di filtri selettivi impiegati in radiotecnica Il materiale piezoelettrico pi diffuso il quarzo in virt delle sue eccellenti caratteristi che quali l elevata resistenza allo sforzo meccanico la possibilit di funzionare a tem perature fino a 500 C l ottima linearit l isteresi trascurabile la sensibilit costante in un ampio campo di temperature e la bassissima conducibilit L effetto piezoelettrico presente come si accennato a proposito dei mic
29. indicazione un se gnale o un altra forma di riconoscimento della presenza di una specifica sostanza nel 1 Fondamenti sui sensori 11 l ambiente Questa definizione dimostra la tendenza ad assegnare al sensore il ruolo predominante nel processo di conversione e trasmissione del segnale Il mercato dei sensori grazie alle nuove tecnologie si va allargando con l automa zione di fabbrica e la diagnostica sia industriale sia medica interessando non solo aree nelle quali l automazione stata attuata ormai da tempo ma anche nuovi settori emer genti quale ad esempio quello delle industrie manufatturiere Come gi evidenziato un settore in forte crescita quello dei biosensori per il quale si stima una crescita annuale del suo mercato superiore al cinquanta percento Definire il valore del mercato in un set tore in rapida espansione tecnologica quale quello dei sensori e degli attuatori risulta estremamente difficile oltre che azzardato Si tratta di un settore di una notevole vastit ed inoltre si va dal costo del sensore e dell attuatore che pu essere irrisorio a quello del trasduttore completo che risulta decisamente superiore e che permette i maggiori guada gni da parte delle imprese costruttrici Questo senza dubbio uno dei motivi per cui nel le banche dati disponibili non vengono distinti i termini sensori e trasduttori Le tecno logie utilizzate per la realizzazione di sensori attuatori e trasduttori sono le pi disparat
30. inerenti alla qualit e i relativi risultati siano in accordo con quan to pianificato e per valutare l efficacia del sistema qualit Le verifiche ispettive interne per la qualit devono essere programmate in funzione della importanza della attivit da verificare e devono essere eseguite da personale indipendente da chi ha diretta respon sabilit delle attivit da sottoporre a visita ispettiva I risultati devono essere registrati e portati all attenzione di chi ha la responsabilit dell area verificata perch questi intra prenda tempestive azioni correttive importante anche la gestione del magazzino che pu risultare molto dispendiosa Con la politica del just in time si cerca di rendere minime le giacenze di magazzino in termini sia di materie prime sia di prodotto finito Per quanto attiene alla gestione del magazzino l organizzazione deve predisporre e mantenere attive procedure documentate sia per la movimentazione allo scopo di impedire danni o deterioramenti sia per l im magazzinamento o deposito allo scopo di evitare il danneggiamento o il deterioramen to del prodotto in attesa della sua utilizzazione o consegna sia per l imballaggio la conservazione e la consegna del prodotto Per la vendita e distribuzione l organizza zione si deve dotare di una rete quanto pi estesa possibile di venditori nelle aree geo grafiche nelle quali dalle indagini di mercato risultata la presenza di potenziali clienti Cura
31. ione positivo o in un elettrone libero In casi pi complessi una molecola pu essere modificata in uno ione positivo o in uno negativo separati tra loro L energia necessaria perch possa manifestarsi il processo di fotoionizzazione fornita per irraggiamento di fotoni contenuti in radiazioni X od otti che Tali radiazioni agiscono in genere in un gas ma possono anche essere applicate alla superficie di materiali solidi e danno luogo ad atomi ionizzati o a elettroni liberi La fo toionizzazione utilizzata nel campo della misura delle radiazioni I due effetti precedenti danno luogo a sensori passivi mentre quello fotovoltaico riferito a sensori attivi ed conseguente alla conversione dell energia radiante in energia elettrica Tale effetto consente la realizzazione di celle solari notissime per la loro uti lizzazione sempre pi diffusa in diversi campi come quello dei satelliti L effetto fotovoltaico si presenta nelle giunzioni p n dei semiconduttori sottoposte a radiazioni che danno luogo alla comparsa di una forza elettromotrice f e m Come mostrato in Fig 4 2 illuminando la giunzione si producono coppie elettroni lacune le coppie vengono separate dal campo della barriera gap e danno origine a una f e m La giunzione p n altri non che un diodo caratterizzato da una elevata corrente inversa Naturalmente si vengono a creare una lacuna o buca in BV ed un elettrone in BC solo se l energia hf del fotone superior
32. la caratteristica inversa del sensore Come si accennato inizialmente le tecniche che si vanno pi diffondendo per la li nearizzazione della caratteristica stazionaria dei sensori sono quelle di tipo numerico La pi semplice realizzata col memorizzare in una ROM read only memory la caratteri stica inversa del sensore con associati gli errori di linearit e di indirizzare l uscita dell ADC in quella zona di memoria per apportare la correzione Tecniche pi evolute si basano su un approccio adattativo costituito da due fasi La prima delle quali consiste nell invertire la caratteristica del sensore e nel suddividerla in diversi tratti a questo scopo molto usato lo schema iterativo di Newton Raphson La seconda fase consiste nella implementazione di un algoritmo iterativo in grado di migliorare con continuit la linearit dei tratti in cui stata suddivisa la caratteristica inversa del sensore utilizzando una procedura basata sulla minimizzazione dell errore di linearit relativo ai diversi trat ti L algoritmo inoltre aggiorna continuamente la tabella delle correzioni rendendo tra scurabile nei risultati forniti l errore di linearit 3 5 Funzionamento in regime dinamico Nel seguito di questo capitolo si esamineranno esclusivamente sensori con ingresso e uscita analogici e si assumer un modello di tipo continuo Bench spesso sia suffi ciente caratterizzare un sensore in termini di comportamento in condizioni
33. la sua specificazione richiede la conoscenza della natura della grandezza e la descrizione dello stato del fenomeno del corpo o della sostanza di cui la grandezza una propriet includendo le entit chimiche in gioco Nella terza nota si sottolinea la necessit della correzione intesa come compensazione di un effetto sistematico noto infatti la pre senza del sensore altera le condizioni iniziali del sistema in prova e non consente la mi sura del valore che il misurando assumeva prima della presenza del sensore Questo ef fetto sistematico pu essere valutato nella sua entit in modo che si possa compensare correggendo la misura Un sensore per espletare le sue funzioni segue un metodo di misura per il quale s intende la sequenza logica di operazioni descritte in modo generico impiegate nel l esecuzione delle misure stesse Per meglio dettagliare il procedimento di misura si de finisce la procedura intesa come l insieme di operazioni descritte in modo specifico utilizzate nell esecuzione di particolari misure in accordo ad un metodo prefissato Un sensore inserito singolarmente in uno strumento di misura d luogo ad un metodo diret to di misura mentre un sistema multisensoriale comporta il ricorso ad un metodo indi retto in cui si risale al risultato di una misura dalla combinazione delle misure dirette effettuate dai diversi sensori su parametri funzionalmente legati al misurando In letteratura per qualificare la bo
34. non ecceda il valore di Vz A volte i due diodi sono posti in parallelo invece che in serie senza che ci vari il funzionamento precedentemente esposto In Appendice 5 4 si dimostra matematicamente che la risposta y t ad una rampa di pendenza pari ad R di un sensore assimilabile ad un sistema del primo ordine quella mostrata in Fig 3 6 In figura sono riportate le funzioni attesa y t ed effettiva y t della risposta alla rampa in modo da evidenziare sia l errore transitorio caratteristico della prima fase della risposta y t sia l errore stazionario pari a XKR 7 dovuto al ritardo tempo rale nella risposta del sensore L errore stazionario aumenta con l aumentare sia della costante di tempo 7 sia con la pendenza R della rampa Anche lo scostamento nel tratto iniziale della y t che porta in conto l errore transitorio si esaurisce tanto pi rapida mente quanto pi 7 piccola Poich in genere molto pi facilmente realizzabile una variazione del misurando che segua l andamento di una funzione a rampa piuttosto che di un gradino o di un impulso la costante di tempo 7 generalmente si determina dalla misura dell errore stazionario conseguente all applicazione di una rampa Infatti noti con precisione la sensibilit k del sensore e la pendenza R della rampa dalla misura dell errore XR7 si ricava facilmente 7 44 Quaderno n 2 GMEE t Figura 3 6 Risposta di un sistema del primo ordine a una funzione a rampa
35. oggetto o su oggetti simili in diverse postazioni utilizzando diversi sistemi di misura che possono seguire anche pro cedure differenti con l impiego anche di vari operatori Il VIM introduce inoltre la de finizione di precisione intermedia di misura per cui le condizioni di misura includono la stessa procedura la stessa postazione e misure ripetute sullo stesso oggetto o su og getti simili in un periodo di tempo esteso ma che possono includere altre condizioni comprendenti anche variazioni come nuove tarature nuovi calibratori operatori o nuo vi sistemi di misura Sorge ora il problema se una misura precisa anche accurata e viceversa Ebbene si pu affermare che la precisione un requisito auspicabile ma non sufficiente per assicu rare accuratezza Ovvero si auspica che una misura accurata sia anche precisa e rappre sentabile con un sufficiente numero di cifre significative ma una misura precisa non detto che sia anche accurata Infatti si ipotizzi di avere uno strumento digitale che per metta di leggere sei cifre della grandezza da misurare e inoltre di eseguire diverse misu 3 Caratterizzazione dei sensori 27 re abbastanza vicine tra loro Si pu affermare di avere eseguito una misura precisa nel l ipotesi che pi misure si scostino poco tra loro ma non detto che essa sia accurata potendo lo strumento risultare non correttamente tarato o potendo aver perso le sue ca ratteristiche nel tempo a causa di degra
36. pi attuali tematiche dell ICT ed in particolare verso verifica collaudo e controllo di qualit dei di spositivi numerici Ha trasferito questa sua esperienza negli insegnamenti da lui impartiti presso le universit nelle quali ha insegnato Nonostante gli impegni derivanti dalla numerose cariche ricoperte ha svolto e continua a svolgere un intensa attivit scientifica testimoniata da pi di cento pubblicazioni apparse sulle pi prestigiose riviste nel campo dell ICT e dalla partecipazio ne a pi di sessanta congressi internazionali all estero E autore di diversi libri ll 1492 49 1 788890 3 ISBN 978 88 90 9 14 00 6 gt
37. piezoelettrico gode di rever sibilit ovvero si pu presentare un effetto detto elettrocalorico lineare Quando si ha una variazione della polarizzazione a causa della applicazione di un campo elettrico e sterno il cristallo subisce una variazione di temperatura I valori di questa variazione raggiungibili in tipici materiali piroelettrici sono dell ordine di grandezza di 0 01 C L effetto piezoresistivo fu scoperto da Lord Kelvin nel 1856 l effetto di varia zione della resistivit di un opportuno materiale quando soggetto a una deformazio ne dovuta a uno sforzo ad esso applicato L effetto correntemente utilizzato nei sen sori estensimetrici strain gage Nei materiali metallici l effetto si manifesta in modo ridotto rispetto ai semiconduttori Fu nel 1954 che si scopr la caratteristica di alcuni materiali semiconduttori di presentare un effetto piezoresistivo molto maggiore dei me talli I cristalli di semiconduttori dai quali si ottengono gli elementi sensibili dei sensori sono in genere opportunamente drogati e il contenuto di impurit deve essere accurata mente controllato perch si abbiano le caratteristiche desiderate Con l uso di semicondut tori si ottengono notevoli vantaggi quali una elevata sensibilit superiore quasi di cento volte a quelle relative agli estensimetri metallici piccole dimensioni 0 5x0 25 mm un elevato valore di resistenza da 60 Q a 1 kQ un elevato numero di cicli superiore a
38. pu es sere assunta come un efficace indice della non linearit del sensore A volte se si dispo ne di un misurando variabile con legge sinusoidale questo si applica all ingresso del sensore e si osserva il contenuto di armoniche presente all uscita indice della non linea rit del sensore Il metodo non facilmente applicabile in quanto richiede la purezza della sinusoidalit del misurando ovvero questo non dovrebbe contenere componenti armoniche oltre la fondamentale 3 9 Sistemi del secondo ordine Molti sensori che hanno parti mobili come alcuni tra quelli di vibrazione detti si smografi ed accelerometri sono assimilabili a sistemi del secondo ordine La funzione di trasferimento di un sistema del secondo ordine data dalla seguente espressione k 97 RA 46 Quaderno n 2 GMEE dove t e t rappresentano le due costanti di tempo del sistema Tale funzione di trasfe rimento quella effettiva mentre quella attesa relativa ad un sistema di ordine zero pari a G p k Dalla differenza tra queste due funzioni possibile ricavare la funzione di trasferimento errore dinamico per un sistema del secondo ordine p ti t t G p Pt a ast Dall esame della quale si evince che un sensore assimilabile ad un sistema del se condo ordine ha un comportamento dinamico tanto migliore quanto pi piccole sono le sue due costanti di tempo In genere per studiare la risposta di un sistema del secondo ordi
39. quali anche differenti da quelli tipici degli IC I tre processi principali sono quelli di de posizione di film sottili di materiale su un substrato di applicazione di una maschera con lo schema circuitale sulla base del film attraverso la fotolitografia e di incisione della maschera sul film Lo spessore dei film sottili varia in genere da un centinaio di micrometri fino a pochi nanometri Il processo di deposizione pu avvenire per reazione chimica o fisica Nel caso si impieghi una reazione chimica le tecniche pi utilizzate sono l elettrodeposizione se i film sono di materiale conduttivo come rame oro o nichel e la crescita epitassiale su un substrato isolante sul quale si diffonde il silicio o l arseniuro di gallio tecnica che ha il vantaggio di essere molto rapida e di consentire la realizzazione di film di spessori va riabili da pochi micrometri a un centinaio di micrometri Nel caso si impieghi una rea zione fisica le tecniche pi utilizzate sono l evaporazione e lo sputtering L evaporazio ne pu avvenire o impiegando un fascio di elettroni o un riscaldamento resistivo Nello sputtering il materiale rilasciato dalla sorgente ad una temperatura molto pi bassa di quella che si ha nell evaporazione In questa tecnica un gas inerte di solito argon por tato allo stato plasmatico tramite una radiazione in genere a radiofrequenza Gli ioni di argon colpendo la superficie della sorgente estraggono atomi che condensano su t
40. saper correggerne gli errori derivanti e quindi saper interpretare ed utilizzare le misure che essi forniscono Le caratteristiche essenziali dei sensori sono la loro accuratezza e preci sione la stabilit nel tempo la minima interferenza con la quantit da misurare la linea rizzabilit della caratteristica statica la risoluzione l affidabilit e la sensibilit caratte ristiche che saranno esaminate in dettaglio nel testo Il futuro della sensoristica prevede dispositivi sempre meno invasivi pi accurati e sensibili intelligenti in grado di fare la diagnosi di comandare attuatori che sostituiscano l uomo nell esecuzione di interventi su macchine su processi ma anche sul corpo umano attraverso la biosensoristica Oggi 1 Fondamenti sui sensori 9 si sta lavorando a rendere i sensori sempre pi piccoli con l impiego delle nanotecnolo gie e cos sensibili ad un predefinito misurando da percepirne la presenza anche se esso costituito da una quantit molto piccola 1 1 Definizioni Oltre che di sensori si parla di trasduttori termini molto spesso utilizzati in modo indifferenziato Per cercare di distinguere le due parole nel seguito si fornisce per essi la definizione riportata dall ultima edizione la terza del VIM International Vocabu lary of Metrology Per sensore si intende un elemento di un sistema di misura che direttamente sog getto all azione di un fenomeno di corpi o di sostanze che trasmet
41. uguale ed opposta a quella di offset in modo da riportare la retta nella posizione iniziale La deriva strumentale del sensore pu causare non solo problemi di offset ma anche di variazioni della pendenza della ret ta con una conseguente modifica della costante di taratura Per comprendere come effet tuare la correzione di questo ulteriore effetto sistematico si consideri la relazione y k x Quando l indicazione del sensore di natura elettrica il contributo prevalente alla sensi bilit k dato dal guadagno di un amplificatore o di una catena di amplificatori posti a 34 Quaderno n 2 GMEE valle del sensore Sar quindi sufficiente dotare tale catena di un amplificatore a guada gno variabile in modo che con una sua opportuna regolazione si riporti il valore della pendenza della retta ovvero della sensibilit e quindi della costante di taratura che il suo inverso ai valori iniziali o nominali indicati nelle specifiche del sensore Quando il campo nominale del sensore non comprenda lo zero la regolazione ovve ro le correzioni da apportare in seguito alla deriva strumentale del sensore risultano leggermente pi complesse In tal caso necessario conoscere i valori limite del campo di misura e le corrispondenti indicazioni del sensore Si indichino con Xmin Vmin XmavVmax le coordinate dei punti relativi ai suddetti valori Per apportare la correzione generalmente si applica all ingresso del sensore il valore xmi
42. un dielettrico di permettivit relativa La capacit di questo condensatore data da dove la permettivit del vuoto Dalla precedente risulta evidente che la capacit pu variare per modifiche dei parametri dimensionali o della permettivit relativa del dielet trico Si ottengono cos tre tipi base di sensori capacitivi a variazione di distanza fra le armature a variazione di area delle armature a variazione di permettivit La variazione di distanza pu avvenire per deformazione delle armature quando sl in presenza di dielettrici gassosi o liquidi o per applicazione di pressioni sia sta tiche sia dinamiche La variazione di area si pu avere sia per scorrimento sia per rotazione di una armatura rispetto all altra La variazione di permettivit pu essere dovuta a variazioni sia di temperatura effetto termodielettrico sia di composizione del dielettrico L effetto termodielettrico utilizzato nei sensori capacitivi di tempe ratura Come dielettrici si impiegano vetri e ceramiche metallizzate per avere di sponibili le armature del condensatore i campi di temperatura sono diversi e com prendono quello delle temperature criogeniche inferiori a 20 K L umidit una delle grandezze che pu determinare variazioni nella composizione di dielettrici co stituiti da ceramiche porose In tal modo si realizzano sensori capacitivi di umidit 5 Appendici 85 5 Appendici 5 1 Le trasformate di Laplace
43. 1 si ha un sovrasmorzamento Un sistema del se condo ordine con smorzamento nullo quando sollecitato da una funzione a gradino agisce come un generatore di segnale sinusoidale Le perdite devono essere effettiva mente nulle o compensate dal sistema di alimentazione perch si possa effettivamente avere un generatore sinusoidale Una delle migliori indicazioni sulla velocit di risposta del sistema dato dal tempo di assestamento y t kA fascia di incertezza sovraelongazione y specificata tempo morto o t tempo di salita tempo di risposta tempo di assestamento Figura 3 9 Definizione di alcuni parametri per la risposta al gradino Naturalmente il valore ottimo di varier con la scelta della fascia di incertezza Quando questa del 5 un valore di compreso tra 0 7 e 0 8 d luogo al tempo di as sestamento pi breve In realt il miglior valore di pu variare in dipendenza della forma del gradino che influenza la risposta del sistema e quindi il tempo di assestamen to Molti sensori del secondo ordine disponibili in commercio utilizzano un valore di compreso tra 0 6 e 0 7 in quanto ci consente di avere anche una buona risposta in fre quenza in un ampia banda bene ricordare che quanto minore il tempo di assesta mento tanto pi rapidamente la funzione errore dinamico si porta a zero Altri parametri caratterizzanti la risposta al gradino di un sistema del se
44. 2 e 3 John Wiley amp Sons Ltd 1982 Taylor R F Schultz J S Chemical and Biological Sensors IOP Bristol Philadelphia 1996 Usher M J Sensors and Transducers MacMillan Publishers Ltd 1985 VIM International Vocabulary of Metrology Basic and General Concepts and Asso ciated Terms Third Edition 2007 Webster J G Mechanical Variables Measurement CRC London New York 2000 Zanini A Elementi di Affidabilit Soc Ed Esculapio Bologna 1991 Zingales G Metodi e Strumenti per le Misure Elettriche U T E T Torino 1986 Indice analitico 93 Indice analitico A Accelerazione 18 19 66 75 76 Accelerometro 46 74 75 81 Accuratezza 8 16 21 25 28 54 72 Adattamento d impedenza 30 Adeguatezza 51 58 Aerospaziali applicazioni 56 57 65 Affidabilit 8 16 17 29 56 63 Aliasing 14 ADC analog to digital converter 13 14 38 Alimentazione 17 29 30 43 48 74 Alluminio 77 81 Ambientale 54 63 Amplificatore 13 14 34 74 75 Armonica 41 45 85 91 Arseniuro di gallio 17 64 79 Asimov 7 Attuatore 8 12 14 Autodiagnosi 12 59 Autoregolazione 10 34 Avaria 14 53 56 57 60 B Banda 13 32 48 50 64 68 75 79 82 Banda morta 31 48 Barriera di potenziale 69 70 Bias strumentale 26 Biomedico 8 16 19 56 57 Biosensore 8 10 11 19 Bit 16 Bolometro 22 65 74 Boltzmann 68 78 Brand 54 57 Bus 14 15 Bussola 78 C Calcolatore 3
45. 3 74 Tolleranti all avaria 59 60 Transistor 83 Trasduttore definizione 9 Trasmettitori 9 U Ultrasuoni 64 72 Ultravioletto 68 V Validazione 24 51 53 Valore di fondo scala 28 32 35 36 75 Valore vero 25 28 Velocit 10 16 18 22 39 47 64 66 69 71 78 81 Veridicit 26 32 Verifica 14 24 33 35 36 42 53 55 63 Vibrazione 19 21 29 46 63 73 Villary 65 76 Voigt 73 Vita operativa 29 56 W Web sensor 15 Wiedemann 65 76 Z Zener diodo 14 43 44 Questo quaderno rivolto a quanti anche se non in possesso di una cultura spe cifica sono affascinati dallo sviluppo scientifico e si vogliono avvicinare alla sco perta del mondo della sensoristica un campo in forte evoluzione e che attraver so le micro e le nano tecnologie si svilupper sempre pi nel prossimo futuro La qualit dei prodotti e dei processi notevolmente migliorata grazie anche alle voluzione dei sistemi di misura gestiti in genere da un calcolatore ed in grado sia di elaborare una serie notevole di informazioni provenienti da diversi senso ri sempre pi miniaturizzati e distribuiti sia di eseguire l autocontrollo delle pre stazioni Le Information and Communication Technologies ICT permettono oggi di creare sistemi informativi molto efficienti per svariate applicazioni Sono stati realizzati diversi sistemi artificiali che utilizzano algoritmi genetici capaci di apprendimento e che rappresentano un modell
46. 4 44 Doppler effetto 64 70 72 E Fffetto sistematico 25 27 34 35 Elettrodinamico effetto 80 Elettromagnetico effetto 20 64 Elettrone 66 69 78 Eliminazione 49 55 Encoder 16 Errore aleatorio 26 Errore di linearit 36 38 Errore di misura 26 60 Errore dinamico 39 40 42 45 87 Frrore massimo ammissibile 60 Errore sistematico 26 35 41 Errore transitorio 44 48 Ettingshausen effetto 79 Evaporazione 17 68 79 F Faraday legge 79 Fascia di incertezza 35 42 45 48 Fattori 57 58 Fermi livello 80 81 Ferro 65 70 Fibra ottica 11 12 64 Film 17 18 77 Filtraggio 14 Filtro 13 14 45 73 Forza 10 11 18 19 21 65 73 78 80 Fourier 85 Fotone 67 69 Fotodiodo 16 64 70 Fotolitografia 17 18 Fototransistor 16 64 70 Fowler 67 Frequenza di campionamento 14 FSO full scale output 29 32 33 Funzione a rampa 39 44 48 50 87 90 Funzione di trasferimento 29 39 41 46 85 91 Funzione gradino 39 42 44 46 48 50 86 90 Funzione impulsiva 39 42 44 48 50 85 90 Funzione indicativa 9 Funzione obiettivo 35 Funzione sinusoidale 39 44 49 88 91 G Germanio 16 68 73 GPS Global Positioning System 18 77 Grandezza di influenza 28 30 31 34 35 39 54 62 63 Guasto 55 62 H Hall effetto 16 21 66 77 79 Host computer 14 I IC Integrated Circuit 16 17 ICT Information Communication Tech nologies 3 Imprecisione 26 Inac
47. 8 10 14 24 53 Calibrazione o Taratura 31 Campionamento 12 14 Campione di misura 26 32 Campo di misura 28 32 38 56 63 69 Capacit 21 70 74 84 Caratteristica metrologica 24 41 46 51 58 63 Caratterizzazione 24 45 65 Catena di misura 9 12 14 Cella 10 16 Ceramico 66 73 84 Ciclo di vita 56 Classe di accuratezza o precisione 27 Classificazione 19 20 Comunicazione 12 14 15 52 Condensatore 21 66 74 75 84 Condizioni di regime permanente Condizioni di ripetivit 26 Condizioni di riproducibilit 26 Condizioni operative limiti 28 Condizioni operative di riferimento 31 Condizioni operative di targa 28 Conferma metrologica 54 Confidenza 28 58 Conformit 51 55 Contatore 16 79 Conversione 10 11 17 38 69 74 Convertitori 13 22 Controllo 3 8 16 24 44 51 53 62 65 79 Coppia 21 65 Correzione 25 28 30 32 34 38 45 63 67 Costante di taratura 32 36 40 41 Crescita epitassiale 17 Curie 72 73 Curva di calibrazione o taratura 12 14 30 36 45 63 77 Curva teorica 32 35 36 D DAC Digital Analog Converter 14 De Bridge 67 Decibel 13 Deposizione 17 18 Deriva strumentale 33 34 Deviazione tipo o standard 26 28 Diagnostica industriale 8 Diagnostica medica 8 Diagramma calibrazione o taratura 32 35 Diodo 37 38 69 70 83 Dispositivo 9 10 12 17 19 29 34 57 61 79 83 94 Quaderno n 2 GMEE Dominio 13 1
48. ASSOCIAZIONE ITALIANA GRUPPO MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE I QUADERNI DEL GMEE N 2 Introduzione alla sensoristica indust Parte Unit del GMEE di Bari AL I QUADERNI DEL GMEE N 2 Mario Savino INTRODUZIONE ALLA SENSORISTICA INDUSTRIALE Parte Prima Unit del GMME di Bari I QUADERNI DEL GMEE N 2 Introduzione alla sensoristica industriale Parte prima Collana Quaderni del GMEE n 2 E a cura dell Associazione Gruppo Misure Elettriche ed Elettroniche M Con il gentile supporto di Tutti i diritti di riproduzione traduzione adattamento anche parziale sono riser vati a norma di legge e a norma delle convenzioni internazionali Videoimpaginazione la fotocomposizione Torino Stampa La Grafica Nuova Torino Finito di stampare nel mese di Giugno 2008 ISBN 978 88 903149 1 9 A amp T Affidabilit amp Tecnologia Via Palmieri 63 10138 TORINO Tel 011 536 34 40 Fax 011 536 32 44 E mail info affidabilita com WEB www affidabilita com Prefazione La cultura metrologica ha solide tradizioni in Italia ma per lo sviluppo del nostro paese necessario che si diffonda ulteriormente sia nei contenuti sia nel raggiungimento concreto dell utenza industriale La scienza delle misure spazia dai tradizionali argomenti inerenti alle misure elettriche meccaniche e termiche a quelli pi recenti dedicati alla diagnostica alle infrastrutture alle costruzioni alla bi
49. Al termine di queste operazioni il sensore stato regolato Quando queste operazioni sono effettua te automaticamente si dice che il sensore dotato della funzione di autoregolazione della curva di taratura come mostrato nello schema a blocchi di Fig 1 2 Spesso questa operazione detta impropriamente autotaratura Poich l autoregolazione pu essere eseguita frequentemente e allo scopo di non sollecitare indebitamente il sensore con il valore massimo del suo misurando si scelgono coppie di valori misurando indicazione differenti da quelle limiti del campo nominale Ci presuppone che la caratteristica non si discosti da un andamento lineare il che consente di considerare due punti qualsiasi purch non troppo vicini tra loro per le inevitabili incertezze che accompagnano tutti i processi di misura Un altro effetto sistematico pi difficile da correggere rappresentato dall isteresi che la massima differenza tra le indicazioni del sensore corrispondenti al medesimo misurando quando la misura eseguita procedendo per valori prima crescenti e poi de crescenti del misurando stesso nell ambito del suo intervallo di misura Essa d luogo ad un errore sistematico in genere espresso in per cento del fondo scala presente in diversi componenti ed causata da un ritardo nell azione di un elemento Valori diversi dell isteresi si presentano al variare del campo di escursione del misurando Essa mas sima quando il misurand
50. X p Si indichino con Y p e Y4 p le trasformate di La place del segnale di uscita effettivo e atteso rispettivamente dove si assume come se gnale di uscita atteso ai fini del calcolo dell errore dinamico quello privo di ritardo allora possibile definire due funzioni di trasferimento del sistema una G p effettiva e l altra attesa Gy p date da 40 Quaderno n 2 GMEE Y p G _ YC X p ep G p La funzione di trasferimento errore dinamico si definisce come la differenza tra le due precedenti funzioni di trasferimento G p G p G p Sulla base di questa definizione possibile ricavare la trasformata di Laplace della funzione errore dinamico y t in funzione della trasformata di Laplace del segnale in ingresso Y p G p X p G p G p X p 3 7 Sistemi di ordine zero Per un sistema di ordine zero l equazione caratteristica in base all equazione gene rale del tipo y t ao x t dove si posto b 1 in modo che la costante ay coincida con la costante di taratura del sensore In base alla precedente equazione la funzione di trasferimento di un sistema di ordine zero risulta _ Vp LL G p X p ay dove la costante k la sensibilit del sensore L esame delle equazioni precedenti per mette di affermare che un sistema di ordine zero non altera le caratteristiche temporali di una funzione eccitatrice in ingresso dipendente dal tempo Quindi tra ingresso e usci ta non so
51. a fun zione oltre che del tempo della sola variabile in ingresso x misurando in genere essa dipende anche se in misura ridotta da altre grandezze fisiche denominate grandezze d influenza o a volte anche fattori perturbanti capaci di modificare pi o meno e in modo generalmente non desiderato la relazione tra l indicazione del sensore e il misu 30 Quaderno n 2 GMEE rando Il VIM definisce d influenza quella grandezza che in una misura diretta come sinteticamente mostrato in Fig 3 1 non ha un effetto sulla grandezza che si sta misu rando ma altera la relazione tra l indicazione in questo caso del sensore e il risultato di misura bene chiarire quanto esposto prendendo a riferimento per esempio l effetto termico La temperatura agir sia sul misurando sia sul sistema di misura mentre la va riazione sul misurando legata a una propriet del sistema sotto osservazione e rappre senta quindi qualcosa che va rivelata l effetto di temperatura sul sensore indesiderato e quindi va effettuata la correzione dell errore derivante da tale effetto Per eseguire la correzione non sufficiente misurare le variazioni di temperatura ma anche necessa rio conoscere con precisione la legge di dipendenza dalla temperatura della curva di ta ratura del sensore GRANDEZZE D INFLUENZA MONITORAGGIO AMBIENTALE Le X X4 Xs Sd O A een vw SE INFORMAZIONE MISURANDO SENSORE isla x x Figura 3 1 Schema di un senso
52. a mente sana consente al corpo di svolgere pienamente le sue azioni cos solo dei sensori rispondenti alle loro caratteristiche aiuteranno il microprocessore a dare il meglio di s sempre che il microprocessore sia stato ben progettato e non si guasti Ci presuppone che come si sottopone il microprocessore a frequenti test utilizzando in genere algoritmi di autotest anche i sensori siano soggetti a periodiche verifiche o a validazioni dove per verifica si intende la condizione di evidenza oggettiva che un dato sensore soddisfi ai requisiti specificati mentre per validazione si intende una verifica che i requisiti specificati siano adeguati ad un determinato uso Una delle verifiche ri guarda l incertezza strumentale del sensore che una componente dell incertezza del la misura e che in genere fornita dal costruttore nelle specifiche o ottenuta tramite una taratura del sensore che sar esaminata dettagliatamente in seguito Uno strumento un sensore saranno tanto pi facilmente utilizzabili e integrabili in un sistema automatico di produzione quanto pi saranno note e verificate le loro carat teristiche tecniche la qualit e affidabilit le modalit di manutenzione Altri requisiti particolarmente richiesti riguardano gli aspetti ergonomici il rispetto di vincoli ambien tali e un buon rapporto prezzo caratteristiche Le specifiche di un sensore o pi in gene rale di un sistema di misura in grado di caratterizzarne il f
53. a otto a dodici indicazioni ottenendo altrettanti punti sperimentali sul piano car tesiano Si inizia con il fissare come curva teorica una retta di equazioni y k x g dove k la sensibilit di misura e q rappresenta il valore del possibile offset Per il calcolo dei due parametri k e q si applica LSM minimizzando la somma degli scarti quadra tici fra 1 punti sperimentali sul piano cartesiano e la retta di equazione data tale somma definita funzione obiettivo F Si passa poi a fissare come curva teorica una quadrati ca per esempio del tipo y kxx k x g e si applica nuovamente LSM Se il minimo della nuova funzione obiettivo inferiore a quello ottenuto per la retta vorr dire che la funzione quadratica raccorda i punti sperimentali meglio di quanto non avvenga con la retta Si passa quindi a fissare come curva teorica una cubica per esempio del tipo y kxx k2x kx g e si applica nuovamente 1 LSM Se il minimo della nuova funzione obiettivo inferiore a quello ottenuto per la funzione quadratica vorr dire che la fun zione cubica raccorda i punti sperimentali meglio di quanto non avvenga con le due curve precedenti Il processo si ferma non appena la curva di taratura rientra all interno della fascia di incertezza specie se tale funzione una retta in quanto la caratteristica rettilinea particolarmente apprezzata negli strumenti di misura Si pu anche verificare che lo scarto tipo o deviazione standard o de
54. ali Inol tre ad una data frequenza il numero di fotoelettroni emessi per secondo proporzionale all intensit della radiazione incidente Infine i fotoelettroni hanno energia cinetica con valori compresi tra zero e un massimo ben definito proporzionale alla frequenza della radiazione incidente e indipendente dall intensit L energia cinetica degli elettroni libe ri risulter pertanto uguale o inferiore a un massimo dato dalla differenza hf E valore che deve risultare necessariamente positivo perch l elettrone possa liberarsi dal mate riale Si definisce inoltre efficienza quantica il numero di elettroni emessi per ogni fo tone incidente L efficienza quantica dipende naturalmente dal tipo di metallo e dalla lunghezza d onda della radiazione incidente Nei sensori fotoemissivi purtroppo l effetto della temperatura non trascurabile in quanto il valore della soglia fotoelettrica non pi ben definito quando la temperatura del metallo si scosta dallo zero assoluto Vi sono dei coefficienti di correzione dell ef fetto di temperatura proposti da Fowler e da De Bridge Per sfruttare la fotoemissione si potrebbero utilizzare anche dei semiconduttori ma a questi sono preferiti i metalli che presentano un energia di soglia fotoelettrica inferiore a quella dei semiconduttori I rive latori fotoemissivi trovano scarsa utilizzazione nei sensori mentre pi diffusa l applicazione nei fotomoltiplicatori nei quali si crea una corr
55. all avvento di sistemi assistiti da calco latore e dagli sviluppi della robotica La possibilit di corredare la macchina con sensori in grado di trasmettere le informazioni a distanza ha dato la possibilit di rilevare situa zioni anomale ed anche di avere indicazioni in tempi rapidi sia di situazioni pericolose per le persone sia di parti di macchine in avaria In sistemi intelligenti assistiti da calco latori si in grado anche di avere indicazioni sugli interventi da operare sui tempi e sul le modalit di intervento Al fine di soddisfare gli elevati requisiti di qualit che debbo no essere garantiti sia per quanto attiene alla produzione sia per quanto si riferisce ai materiali di base utilizzati nei processi produttivi sono introdotti sistemi di controllo e di garanzia della qualit che accompagnano tutte le fasi di produzione Si pu quindi affermare che il sensore soggetto ed oggetto della qualit nel senso che un sensore parte integrante di quasi tutti 1 sistemi di produzione in qualit ed al tempo stesso anche la sua produzione richiede un organizzazione in qualit Particolare cura va posta alle prove ai controlli e ai collaudi Il fornitore dei sensori deve predisporre e mantenere attive procedure documentate per le attivit di prova controllo e collaudo allo scopo di validare i requisiti specificati per il sensore Le prove controlli e collaudi richiesti e le registrazioni da eseguire devono essere indicati nel pi
56. altra parte il costruttore dell arco pu anche aver evidenziato l effetto sistematico nel foglio di accompagnamento dello strumento indicando la correzione da apportare in termini di scostamento del tiro dal cerchio cen trale L arbitro della gara pu allora accettare come validi i tiri se riscontrasse che una volta apportata la correzione i tiri risulterebbero tutti nel cerchio centrale Un ultima condizione si pu verificare quando il livello di accuratezza richiesto non elevato e si ritengono accettabili i tiri all interno non solo del cerchio centrale ma anche della prima corona circolare vicina al cerchio centrale Se le frecce sono sparse lungo la circonfe renza della suddetta corona circolare ma ne cadono all interno i tiri ovvero i risultati saranno accurati ma non precisi Questa condizione permette di chiarire un aspetto im portante della sensoristica in campo industriale Il fine del costruttore certamente quel lo di realizzare sensori con le migliori prestazioni possibili tenendo sempre in conto il bilancio costi benefici Tutto sta ad intendersi su quali sono le prestazioni del sensore che lo rendono idoneo all uso Un sensore idoneo quando rispetti la sua classe di ac curatezza quasi sempre nei testi italiani indicata come classe di precisione indicata con un numero o un simbolo ovvero soddisfi requisiti metrologici stabiliti tesi a man tenere gli errori di misura o le incertezze strumentali entro
57. anizzazione deve predisporre e mantenere attive procedure documentate per indivi duare le necessit di addestramento del personale che svolge attivit che hanno influen za sulla qualit Il personale che svolge compiti particolari deve essere qualificato La qualificazione si acquisisce attraverso un adeguata istruzione l addestramento e l espe rienza acquisita Una fase delicata nel ciclo delle attivit tese alla qualit quella relativa ad attivit e verifica ex post Pu essere considerata come il bilancio di tutte le procedure seguite fi nalizzato in un processo dialettico ad attivare tutte quelle azioni correttive e preventive tese al miglioramento nell organizzazione della qualit Ogni azione correttiva o preventi va intrapresa per eliminare le cause di non conformit effettive o potenziali deve essere di livello appropriato all importanza dei problemi e commisurata ai rischi relativi L organiz zazione deve attuare tutte le modifiche derivanti dalle azioni correttive e preventive regi strandole nelle procedure documentate A questo proposito sar necessario attivare proce dure documentate per l identificazione la raccolta la catalogazione l accesso l archivia zione la conservazione l aggiornamento e l eliminazione delle registrazioni della qualit Ultima fase non meno delicata delle precedenti quella attinente all eliminazione o al riciclaggio del prodotto da sostituire Le previsioni pi ot
58. ano della qualit o in procedure documentate Il fornitore deve assicurarsi che il prodotto in arrivo non sia utilizzato o messo in lavorazione senza essere stato controllato ovvero che si sia accertato in altro modo la sua conformit ai requisiti specificati L organizzazione deve anche predispor re e mantenere attive procedure documentate per evitare che venga involontariamente utilizzato o installato un prodotto non conforme Devono essere definite le responsabili t per l esame del prodotto non conforme e l autorit per le relative decisioni Il prodot 54 Quaderno n 2 GMEE to non conforme deve essere esaminato secondo procedure documentate Inoltre si de vono predisporre e mantenere attive procedure per identificare il prodotto con mezzi a deguati a partire dal ricevimento e durante tutte le fasi di produzione consegna e instal lazione L organizzazione deve conservarne le registrazioni che devono identificare il responsabile del controllo e collaudo per il rilascio del prodotto Le apparecchiature per prova misurazione e collaudo vanno periodicamente controllate tarate e sottoposte a manutenzione La taratura solo una delle fasi della conferma metrologica di tali ap parecchiature Per assicurare la loro conformit ai requisiti metrologici occorre seguire le indicazioni contenute nella norma UNI EN ISO 10012 sia nella fase della loro messa in servizio sia quando si siano verificate condizioni che possono aver pregiudicato
59. arallelo La comunicazione tra i diversi gruppi di lavoro che operano allo stesso progetto favorita dalla tecnica di Definizione Elettronica del Prodotto E lectronic Product Definition EDP un pacchetto di moduli software in grado di ren dere visibile ai gruppi di specialisti un albero di componenti Le connessioni che legano tra loro le diverse parti dell intero obiettivo assemblato sono facilmente accessibili O gni progettista pu operare sulla propria parte considerando i vincoli posti dagli altri progettisti e dalle altre fasi del ciclo di produzione Essi sono in grado di simulare tutte le fasi di produzione inserendo i dati relativi alla loro parte di programma in modo da avere un idea del prodotto finito derivante dalle variazioni progettuali da loro introdotte Se si tiene conto che i costi di progettazione coprono pi del 50 del bilancio comples sivo della produzione di un oggetto evidente il beneficio derivante al ciclo completo dall ottimizzazione della progettazione La nuova tecnica messa a punto consente di ridurre i costi di progettazione ottimizzare i tempi di produzione seguire le fluttuazioni del mercato Il sistema di gestione dell informazione strategico Ad esso hanno ac cesso in tempo reale tutte le persone autorizzate seguendo una logica di estensione del sistema aziendale I dati disponibili riguardano ogni variazione e sviluppo della proget tazione e realizzazione dei prodotti Le informazioni di
60. asce d incertezza rispettivamente del 36 8 13 5 5 1 8 Ovviamente al ridursi della fascia d incertezza aumenta il tempo d assestamento 42 Quaderno n 2 GMEE 3 4 5 t t Figura 3 3 Risposta a una funzione a gradino di un sistema del primo ordine In Appendice 5 3 si dimostra matematicamente che la risposta y t ad un impulso di durata finita T e di ampiezza pari a A T di un sensore assimilabile ad un sistema del primo ordine quella mostrata in Fig 3 4 Un aspetto interessante della funzione impul siva la sua relazione con quella gradino Se una funzione gradino inviata in ingresso a un dispositivo differenziale l uscita sar una funzione di tipo impulsivo Si pu quindi affermare che la funzione impulsiva pu essere ottenuta teoricamente come la derivata di una funzione gradino anche se la derivata in corrispondenza della discontinuit del gradino non pu essere rigorosamente applicata xit ArT yit T t Figura 3 4 Risposta di un sensore del primo ordine a un impulso di durata finita Un impulso di durata finita pu essere assimilato a una brusca variazione del misu rando Il sensore riuscir a seguire l evoluzione del misurando tanto meglio quanto pi piccola 7 In tal caso in particolare il valor massimo dell indicazione si avviciner a quello dell impulso Questa in realt si potrebbe rivelare una situazione pericolosa in quanto c la possibilit che si ecceda la condizio
61. ati mediante un foglio di carta che faceva da supporto sulla struttura da controllare L anno 1938 importante perch da pi parti lo si considera quello della nascita della sensoristica industriale Infatti gli estensime tri elettrici a resistenza da quell anno ebbero una vastissima diffusione con vari impie ghi per l analisi sperimentale degli sforzi nelle strutture molto utilizzati nelle gru per la caratterizzazione meccanica dei materiali e per la realizzazione di sensori di diverse grandezze La magnetostrizione una propriet dei materiali ferromagnetici come ferro nichel e cobalto i quali modificano la loro dimensione o forma quando sono sottoposti ad un campo magnetico Reversibilmente quando si applichi uno sforzo ad un materiale ma gnetostrittivo varia la sua permeabilit magnetica per il cosiddetto effetto magnetoela stico o Villary La distorsione elastica detta anche effetto Wiedemann Su questi effetti si basano efficaci sensori di posizione di sforzo e di coppia Alcuni materiali anisotropi come l antimoniuro di indio o come leghe nichel ferro presentano un effetto magneto resistivo che rientra tra quelli magnetogalvanici In un materiale magnetostrittivo la resistivit e quindi la resistenza elettrica varia quando esso sottoposto ad un campo magnetico esterno Sensori di questo tipo sono impiegati per la lettura e scrittura di dati digitali sui dischi rigidi dei computer a costi ancora pi contenuti
62. atterizzazione dei sensori Introduzione I recenti sviluppi nel campo dei sistemi di progettazione produzione e controllo assi stiti dal calcolatore hanno elevato notevolmente la qualit dei prodotti rendendo obbli gatorio eseguire diversi tipi di misure in modo estensivo Questo ha incentivato la rea lizzazione di strumentazione che impiega un gran numero di sensori sempre pi auto matizzata e con prestazioni inimmaginabili fino a qualche decennio fa Nel seguito non si far distinzione tra sensori e trasduttori e si parler prevalentemente di sensori anche se quanto si scriver nella maggior parte dei casi applicabile ad entrambi Le caratteristiche dei sistemi di misura e dei sensori in esso contenuti dipendono prevalentemente dal tipo di funzione che essi sono chiamati a svolgere e dalle applica zioni In ogni caso di importanza basilare verificare che lo strumento ed in particolare i sensori rispondano ai requisisti richiesti Assume quindi rilevanza sempre crescente la caratterizzazione ovvero la descrizione delle loro caratteristiche tecniche Riprenden do la metafora dei sensori come parte essenziale del corpo di un sistema gestito dalla mente rappresentata da un microprocessore occorre ricordare la massima latina mens sana in corpore sano che dovuta a Giovenale e rivela la stretta relazione esistente tra mente e corpo nota fin dall antichit Come un corpo sano aiuta la mente a dare il me glio di s e un
63. casi particolari pu anche essere espressa in modo tradizionale semplicemente dall errore possibile da cui affetto il valore stimato del misurando Si definisce incertezza standard o tipo quella rappresentata da una deviazione standard Un altro parametro importante per la scelta del sensore l intervallo tra il pi picco lo e il pi grande valore della grandezza ovvero l intervallo nominale definito come l insieme dei valori della grandezza compresi entro due estremi approssimati di indica zione ottenibili con una particolare posizione dei controlli del sensore utilizzati per de terminare tale posizione La differenza tra questi due valori estremi prende il nome di campo dell intervallo nominale Oltre all intervallo nominale il VIM riporta la defini zione di intervallo di misura o intervallo di lavoro inteso come l insieme dei valori delle grandezze della stessa natura che possono essere misurate da un determinato sen sore caratterizzato da una specificata incertezza strumentale in determinate condizioni Quindi se si vuole che il sensore non esca dalle specifiche legate all incertezza fornita dal costruttore ovvero funzioni correttamente occorre far riferimento all intervallo di misura Il costruttore tenuto a fornire le condizioni operative assegnate o di targa definite come quelle che devono essere soddisfatte durante la misura perch il sensore operi conformemente ai suoi dati di progetto Nelle condizio
64. co terrestre o bussola che pu essere utilizzata all interno dei ricevitori GPS Global Positioning System La bussola permette al GPS sia di stabilire la direzione in cui si sposta sia di fornire informazioni utili alla guida anche in assenza di segnale satellitare come avvie ne ad esempio nelle gallerie L applicazione attualmente pi diffusa dei sensori magnetoresistivi quella nelle te stine di lettura e scrittura dei dischi rigidi che sono di alluminio o vetro rivestiti di ma teriale ferromagnetico e dove sono disponili su film sottili le tracce su cui sono memo rizzati i dati Nel sensore magnetoresistivo di lettura costituito per esempio da una le ga nichel ferro e da una o pi testine leggerissime e velocissime che sfiorano la superfi cie del disco a distanza di frazioni di micron due contatti galvanici per ogni testina conducono la corrente di polarizzazione e rivelano le variazioni di resistenza causate dalle tracce sul disco In base al verso del campo magnetico che caratterizza la zona del la traccia sulla quale posizionato l elemento sensibile questo varier la sua resistenza da un valore elevato ad uno basso Si fa circolare nel sensore una corrente costante in modo che a resistenza alta corrisponda un segnale di tensione alto equivalente al livello 1 e a resistenza bassa un segnale di tensione basso equivalente al livello 0 Si utilizzano particolari tecniche per la linearizzazione della curva di taratura del
65. come la pi grande variazione del valore del misurando che non produce alcuna variazione rive labile nella corrispondente indicazione del sensore In realt le oscillazioni della caratte ristica intorno allo zero possono causare l insorgere sia di una soglia sia di un indica zione del sensore presente anche in assenza di segnale in ingresso in alcuni testi inglesi indicato come piedistallo che pu essere sia positivo sia negativo L insorgere di una soglia di discriminazione pu essere causato dalla deriva strumentale del sensore ov vero da una variazione continua o incrementale nel tempo di un indicazione dovuta ad alcune variazioni nelle propriet metrologiche del sensore Quando come spesso accade l indicazione del sensore di natura elettrica possi bile controllare la deriva e correggere gli effetti sistematici dovuti agli offset riportando la curva di taratura del sensore a ripartire dall origine Questo aggiustamento rientra nel la regolazione del sensore definita come l insieme di operazioni eseguite sul sensore in modo che esso fornisca le indicazioni prescritte corrispondenti a determinati valori del misurando La regolazione non dovrebbe essere confusa con la taratura che un suo prerequisito anzi a rigore dopo la regolazione il sensore dovrebbe essere ritarato Per effettuare la regolazione baster aggiungere o sottrarre mediante un dispositivo somma tore sottrattore in uscita al sensore una grandezza
66. conda parte di questo quaderno e k AT dove AT la variazione di temperatura fra le giunzioni e k il potere termoelettrico o sensibi lit della termocoppia a volte indicato anche come coefficiente assoluto di Seebeck che pu essere sia positivo sia negativo I valori ottenibili di f e m sono molto piccoli essendo i valori di k in genere variabili tra i 10 e i 100 uV C I sensori termoelettrici sono miniaturizzati nei MEMS dove per aumentare la sensibilit diverse piccole termo coppie in genere di alluminio e polisilicio sono collegate in serie tra loro a formare una termopila Per valutare il salto termico un estremit della termocoppia posizionata al di sopra di un area termicamente isolata del chip l altra sul silicio Una delle applica zioni di questi sensori attiene alle misure dell intensit di radiazioni incidenti con parti colare riguardo alle radiazioni nell infrarosso Quando la radiazione incide sul MEMS l estremit isolata si riscalda e si porta ad una temperatura superiore a quella posta sul silicio consentendo dalla misura della f e m conseguente al salto termico di risalire a quella dell intensit della radiazione Un altra applicazione riguarda la misura di porta ta di gas Due termopile sono equidistanziate su due lati di una sorgente di calore al passaggio di gas la parte del chip sede di una termopila che entra per prima in contatto con il gas si raffredda mentre la parte op
67. condo ordine sono riportati nella Fig 3 9 In particolare si evidenziano la sopraelongazione rispetto alla condizione di regime il tempo di salita il tempo di risposta e il tempo di assesta mento che richiede la specificazione di un determinata fascia d incertezza A volte il tempo necessario al sensore per raggiungere il 10 del valore di regime detto tempo morto da non confondere con la banda morta e con i sistemi a tempo morto che saranno esaminati in seguito In Appendice 5 7 si dimostra matematicamente che la risposta y t ad un impulso di durata finita 7 e di ampiezza pari a A T di un sensore assimilabile ad un sistema del se condo ordine quella mostrata in Fig 3 10 La risposta sempre normalizzata ed ri 48 Quaderno n 2 GMEE portata per tre valori di Anche in questo caso per 1 si ha lo smorzamento critico per lt 1 il sistema sottosmorzato o oscillatorio per gt 1 il sistema sovrasmorzato o non oscillatorio Dalla Fig 3 10 si nota che per 60 65 si ottiene il minor tempo di asse stamento che consente al sensore di portarsi rapidamente in condizioni di funzionamen to normale dopo che l impulso si esaurito y t kAO 0 Ot Figura 3 10 Risposta a una funzione impulsiva di un sistema del secondo ordine In Appendice 5 8 si dimostra matematicamente che la risposta y t ad una rampa di pendenza pari ad R di un sensore assimilabile ad un sistema del secondo ordine quella mostra
68. ct oriented un modo molto efficiente per generare schemi standard di gestione ed interpretazione dei dati provenienti dai sensori I sensori intelligenti possono avere anche una codifica digitale diretta e in tal caso il segnale digi tale in genere disponibile in forma parallela prelevato all uscita del sensore e inviato in ingresso al microprocessore Dispositivi di questo tipo sono rari Come esempio si pu considerare un encoder un misuratore di spostamento lineare o angolare costituito da un disco circolare sul quale stampigliato un opportuno schema che consente la co difica diretta Il disco normalmente calettato su un albero e come questo ruota si gene ra una codifica differente per ogni posizione misurabile La codifica pu avvenire per 16 Quaderno n 2 GMEE contatto per via magnetica o per via ottica Quella per contatto richiede la presenza di spazzole con tutti i problemi che queste comportano Quella magnetica utilizza dei sen sori ad effetto Hall sensibili alla presenza o meno di un campo magnetico Questo tipo di codifica non soffre dell usura delle spazzole e quindi assicura una vita utile maggiore al sensore La codifica ottica quella che si va diffondendo sempre pi in quanto con sente i maggiori livelli di accuratezza Fondamentalmente un codificatore ottico costi tuito da tre componenti un disco segmentato composto da parti trasparenti e opache una sorgente di luce solitamente un diodo ad emission
69. curatezza 26 Inaffidabilit 57 62 Incertezza definizione 28 Incertezza strumentale 24 26 28 31 38 57 63 Incisione 17 18 Indicazione definizione 10 Induttanza 21 76 79 80 Informazione 9 10 25 29 52 77 Infrarosso 68 69 81 Intervallo di lavoro 28 Intervallo nominale 28 Invecchiamento 63 Isteresi 35 68 73 75 K Kelvin 75 L Laplace 40 85 91 LED light emitting diode 16 64 79 Limite di errore 60 Limite di velocita 39 Linearita 32 36 38 46 73 83 Linearizzazione 33 36 38 77 LOC lab on a chip 12 Lorentz forza 78 LSM least square method 35 M Magazzino 54 59 63 Magnetoresistivo effetto 65 77 Magnetostrizione effetto 17 61 72 Indice analitico 95 Marketing 51 53 Manutenzione 8 17 24 54 58 61 Marcatura 51 Marchio 54 57 Markoviane tecniche 59 Massa 3 Memoria 38 MEMS micro electronic mechanical sys tem 11 16 18 66 73 75 77 81 Mercato 11 14 18 20 51 54 57 Metodo dei minimi quadrati 35 36 Metodo diretto di misura 25 Metodo indiretto di misura 25 Metrologia 3 7 Modello matematico 39 Modificatori 22 Monitoraggio ambientale 8 15 30 N Nanotecnologie 9 12 Natura della grandezza 25 29 Newton Raphson 38 Niobato di litio 74 O Object oriented 15 Offse 33 35 63 P Peltier effetto 81 Permalloy 76 Piezoelettrico effetto 16 19 20 64 65 72 75 Piezoresistivo effetto 65 72 75 Picku
70. d esaminare separatamente le sessioni riguardanti i dispositivi resistivi quelli termoelettrici quelli a semiconduttore i pirometri Anche una classificazione per settore pu risultare utile a chi operi in un cer to campo ma a parte la difficolt di individuazione dei tanti settori in cui si utilizzano i sensori essa darebbe luogo a ripetitivit o a continui rinvii in quanto uno stesso sensore viene correntemente adoperato in diverse aree La classificazione per dispositivo inte ressato alla misurazione mettendo in evidenza i particolari requisiti dei sensori in rela zione alle differenti applicazioni e fornendo una panoramica dei sensori utilizzabili per eseguire misure su un determinato macchinario particolarmente utile agli specialisti Da un punto di vista dell utente senza dubbio la migliore classificazione quella per grandezze da misurare in quanto consente di stabilire subito quali siano i sensori dispo nibili con le loro caratteristiche evidente che una classificazione per funzioni deve soprattutto mettere in evidenza i particolari requisiti dei sensori in relazione alle diffe renti applicazioni dando una panoramica delle varie propriet fisiche utilizzabili per eseguire una determinata misura In tal modo l utente potr operare la sua scelta in base alle necessit tenendo conto del rapporto costi benefici Purtroppo molti testi classifi cando i sensori per grandezze da misurare spesso tendono ad assumere la veste d
71. dazione di componenti o per motivi accidentali In alcune applicazioni come per esempio nel controllo di processo spesso si richiede ripetibilit delle indicazioni ovvero un ottima precisione che risulta pi importante del l accuratezza Per una semplice comprensione della differenza tra accuratezza e precisione spesso si fa riferimento al tiro con l arco Si pensi ad un bersaglio costituito da tante corone circolari attorno al cerchio centrale che simula il misurando mentre i tiri sono le misu re Quando si effettuano diversi tiri e le frecce si concentrano nel cerchio centrale le mi sure sono accurate e precise se invece sono sparse su tutte le corone circolari dalle pi centrali alle pi estreme allora le misure non sono n accurate n precise Pu per ca pitare che le frecce pur essendo distanti dal cerchio centrale siano molto vicine tra loro in tal caso le misure saranno precise ma non accurate Soffermiamoci su questa condi zione Le frecce vicine tra loro lasciano supporre buona abilit da parte del tiratore Per ch allora le frecce non sono finite nel cerchio centrale Probabilmente a causa di un effetto sistematico dell arco per esempio di un non corretto allineamento del mirino se l arco ne dispone di uno o della corda non tesa bene Correggendo questi effetti siste matici ovvero nel caso di un sensore effettuando una sua regolazione si potranno avere tiri ovvero risultati precisi ed accurati D
72. definito esclusivamente dalla gran dezza da misurare il trasduttore dipende dal processo e dall ambiente in cui opera Le grandezze fisiche da misurare nella maggior parte dei casi risultano non elettri che D altra parte i metodi di misura che assicurano la migliore accuratezza dei risultati e che consentono l ottimizzazione nella progettazione della strumentazione di misura e controllo sono quelli elettrici Allo scopo di utilizzare i metodi e le tecniche delle misure elettriche la grandezza non elettrica deve essere convertita in un segnale elettrico I sen sori quindi molto spesso convertono la grandezza da misurare in un segnale elettrico La preferenza per un tale tipo di conversione deriva dalla facilit di condizionare trasmet tere elaborare memorizzare visualizzare il segnale o il dato con le tecniche che l elet tronica e l informatica mettono a disposizione al giorno d oggi Inoltre solo il caso di ricordarlo il segnale elettrico ha la prerogativa che con opportuna elaborazione permet te l automazione del processo da controllare e l autoregolazione del sensore come sar chiarito dettagliatamente in seguito Per esempio mediante un opportuno trasduttore e un controllo in retroazione una termocoppia consente non solo la misura della tempera tura ma anche la variazione della potenza immessa nell elemento riscaldante in modo che si abbia la costanza della temperatura entro limiti prefissati Campi tipici di applica zione d
73. dei sensori analogici ad 4 Principi fisici dei principali sensori 79 effetto Hall si hanno prevalentemente nei misuratori di campo magnetico di corren te elettrica e di potenza elettrica Da queste misure si pu naturalmente risalire a grandezze ad esempio meccaniche legate alle grandezze elettriche da determinate re lazioni funzionali Un dispositivo commerciale che utilizza arseniuro di indio ha una corrente di controllo di 0 1 A e presenta una tensione di Hall pari a 0 15 V in corri spondenza di un campo di induzione magnetica di 1 Wb m Un altra applicazione dei sensori analogici quella di misurare deboli correnti continue che sono convertite applicando un campo magnetico alternativo in tensioni Hall alternate pi facilmente amplificabili Vi sono applicazioni di wattmetri ad effetto Hall nel campo delle alte frequenze Proprio la prerogativa di funzionare in un ampia banda di frequenze ha permesso lo sviluppo dei sensori ad effetto Hall nei trasformatori di correnti alter nate e continue e nei trasformatori di tensione Nei sensori digitali ad effetto Hall la tensione in uscita applicata ad uno squadratore elettronico che fornisce in uscita due soli livelli di tensione uno alto quando la tensione di Hall supera il valore di una soglia predefinita e uno basso quando la tensione di Hall scende al di sotto di un altra soglia La differenza tra le due soglie definisce l immunit al rumore dello squadratore Un applicaz
74. dell eliminazione o del riciclaggio dei sensori in disuso o del riutilizzo di loro parti acquisisce meriti in campo sociale ed fortemente apprezzata da una clientela sempre pi numerosa attenta alla conservazione dell ecosistema Non va sottaciuto che l Unione europea ed alcuni enti pongono il vincolo del riciclaggio o riuso tra le clausole di molti loro bandi di gara 56 Quaderno n 2 GMEE Una procedura operativa per la realizzazione di un prodotto o servizio deve essere realizzata nel rispetto dei requisiti di qualit del processo tutelando l ambiente oltre alla sicurezza e alla salute dei lavoratori Si potrebbe quindi unificare e giungere a una sola politica aziendale per la qualit la sicurezza e la difesa dell ambiente 3 11 Affidabilit dei sensori Uno dei requisiti richiesti ad un sensore di qualit un elevata affidabilit Limita zioni e difetti nella progettazione e realizzazione di un sensore deterioramenti legati al suo uso intenso o a condizioni operative anomale l influenza delle condizioni ambienta li sono fattori che possono causare incertezze ed errori nella risposta del sensore Allo scopo di studiare l influenza di questi fattori sul suo funzionamento e sulle sue caratteri stiche nel tempo in modo da poterla quantificare stato introdotto il concetto di affida bilit Si associa un elevato grado di affidabilit di un sensore a un buon progetto a una corretta costruzione all util
75. di regime permanente a volte utile esaminare anche le sue caratteristiche in regime transitorio o dinamico in alcuni casi indispensabile come quando si esaminino i sensori di vibrazio ne Spesso le caratteristiche dinamiche permettono di comprendere meglio il comporta mento del sensore in regime stazionario Inoltre possibile definire una funzione di tra sferimento errore dinamico che caratterizza lo scostamento tra il comportamento effet tivo in condizioni transitorie e quello desiderabile Infatti il ritardo nella risposta del sensore al misurando inserito in ingresso pu contribuire all incertezza della misura Quando si utilizza un sensore per misure nelle quali si presentano variazioni rapide del misurando o necessario visualizzare fedelmente la risposta a sue variazioni disconti nue occorre avere informazioni sulle caratteristiche dinamiche del sensore Il limite di velocit quel valore limite della velocit di variazione del misurando oltre il quale l indicazione del sensore non in grado di seguire con la stessa velocit le variazioni del misurando Il tempo di recupero quello necessario al sensore per ri prendere a funzionare secondo le caratteristiche specificate dopo il verificarsi di un de terminato evento Nello studio del funzionamento del sensore in regime dinamico si utilizza un model lo matematico semplificato non tenendo conto delle grandezze di influenza e suppo nendo adeguato un modello a paramet
76. di un rivelatore di limite di errore Come si detto questo limite indicato anche come er rore di misura massimo ammissibile definito come il valore estremo dell errore di misura in rapporto a un valore noto di una grandezza di riferimento permesso dalle spe cifiche o dalle regolazioni di un sensore Quando si raggiunto questo valore di soglia si procede alla commutazione automatica su un componente sano interno al sensore che ne permette il ripristino del funzionamento secondo le sue specifiche Spesso la commu tazione fra i diversi componenti uguali all interno del sensore avviene con una certa fre quenza prestabilita questa procedura rende molto improbabile l evenienza di commuta zione su un elemento in avaria quando si sia rivelata la presenza dell errore massimo ammissibile in uno dei due componenti ovvio che la commutazione bloccata quan do uno dei due componenti in avaria La condizione segnalata in modo che appena possibile si sostituisca o si ripari tale componente quando fermo il ciclo produttivo Questa tecnica molto costosa in quanto richiede la presenza all interno dei sensori o dei sistemi sensori del doppio dei componenti strettamente necessari per la loro realiz zazione Una tecnica meno costosa anche se meno affidabile quella di sottoporre il sensore a frequenti autoregolazioni che ne correggano gli errori in modo che non si rag giunga l errore di misura massimo ammissibile e quando qu
77. e in cui sono distinte le funzioni di autotest e di controllo Certamente il modo pi diffuso per passare dal continuo al discreto come mostrato in figura quello di utilizzare un convertitore analogico digitale ADC e su questo principio si basa la maggior parte dei sensori intelligenti disponibili sul mercato Essi prevedono nel sistema di condizionamento oltre all amplificatore un adattatore d impedenza un filtro per ridurre il rumore e un filtro anti aliasing per evitare gli errori dovuti al campionamento I segnali in uscita agli ADC attraverso un multiplatore digi tale MUX da paralleli diventano seriali il che ne facilita la trasmissione Dal MUX i segnali sono convogliati sia su un processore di segnali digitali DSP sia su un bus di comunicazione Il DSP governa sia il controllo della macchina tramite un controllore locale dedicato un DAC e un attuatore sia la funzionalit dei sensori A questo scopo sono necessari ancora i DAC filtri e regolatori oltre ad una tensione di riferimento in genere ottenuta stabilizzando una tensione continua con un diodo zener a rel ed inter ruttori non mostrati in figura La catena di controllo del sistema multisensoriale consente la scelta della portata dei sensori e della polarit della frequenza di campionamento oltre che l autoconfigu razione Il bus di comunicazione interna permette ai segnali di raggiungere la stanza centralizzata di controllo dove si ha a disposizione un host c
78. e per cui si assiste a una forte specializzazione da parte dei costruttori Chi produce senso ri per termocoppie difficilmente commercializza altri tipi di sensori a meno che questi non si basino sulla stessa tecnologia utilizzata per la termocoppia Per affrontare lo stu dio la progettazione la realizzazione di sensori occorre avere a disposizione competen ze multidisciplinari utilizzare ricerca di base molto specializzata e conoscere come sfruttare un particolare fenomeno per ricavare un elemento sensibile a un determinato misurando I sensori diventano sempre pi piccoli meno costosi pi affidabili pi intelligenti meno attaccabili da ambienti ostili e utilizzano sempre pi semiconduttori e materiali ottici Altre tendenze sono quelle di portare il sensore pi vicino al processo e l intelli genza pi vicina al sensore Tecnologie avanzate per la realizzazione di sensori impie gano la interferometria laser le fibre ottiche i radar modulati l interferenza ottica i sensori di forza e movimento a sei assi per misurare componenti multiple sensori che sono tanto leggeri e di dimensioni tali da poter essere montati sulle dita di una pinza per impianti robotizzati 1 2 Il sensore intelligente e i MEMS Le nuove tecnologie dei moderni microsistemi rendono possibile la realizzazione di sensori in cui l elemento sensibile integrato sullo stesso chip in scala microscopica con l elettronica di controllo di misura e di elabo
79. e a quella Eg caratterizzante la barriera di potenziale tra le due bande La lacuna e l elettrone liberati si muovono liberamente nelle due bande e possono fluire nel circuito esterno opportuno notare che la direzione della corrente la stessa della corrente inversa in un diodo normale fotone ACCETTORI Figura 4 2 Effetto fotovoltaico in una giunzione p n Cos la corrente 7 dovuta alla radiazione luminosa pu considerarsi come mostra la Fig 4 3 una grandezza che determina un aumento della corrente inversa Quindi in 70 Quaderno n 2 GMEE condizioni di cortocircuito all esterno fluir una corrente mentre in condizioni a vuo to ai morsetti AB si avr una tensione V Nel circuito equivalente sono presenti oltre al generatore di corrente una resistenza R che limita la corrente di cortocircuito e una capacit C che pu limitare la risposta in frequenza L entita della corrente J una funzione dell energia W associata alla radiazione e della frequenza f della radiazione monocromatica Il numero di fotoni al secondo dato da W hf per cui I keW hf dove k un fattore di efficienza del materiale utilizzato per il diodo Materiali tipici per la co struzione delle giunzioni nelle celle fotovoltaiche sono silicio borato di silicio sele nio ferro rame ossido di rame La misura della radiazione incidente pu avvenire at traverso la misura della corrente Celle fotovoltaiche sono usate anche n
80. e di Hall I I I ECHI a 9 IDA AP AA con spessore della lamina di materiale e k u p coefficiente di Hall Risultato analogo si sarebbe ottenuto risolvendo l equazione del trasporto di Boltzmann La tensione di Hall pu essere prelevata con opportuni elettrodi Essa estremamen te bassa nei conduttori e negli isolanti Infatti il coefficiente di Hall dipende dal prodotto della mobilit dei portatori di carica e della resistivit del materiale nei materiali con duttori si ha una bassa resistivit nei materiali isolanti si ha una bassa mobilit L ef fetto Hall assume valori tali da consentirne la realizzazione pratica nei semiconduttori fra 1 quali sono particolarmente usati l arseniuro di indio e l arseniuro di gallio Poich la tensione Hall inversamente proporzionale allo spessore della striscia di materiale utilizzato si impiegano strisce molto sottili talvolta ottenute per evaporazione in spes sori dell ordine di 1 um L effetto Hall pu essere influenzato dalla temperatura specie in presenza di cor renti continue a causa dell effetto Ettingshausen che consiste nell insorgere di un gradiente di temperatura nella stessa direzione del campo elettrico di Hall bene sot tolineare che quando la corrente Jy alternata il gradiente di temperatura meno si gnificativo del caso di correnti continue I sensori ad effetto Hall possono essere con segnale in uscita sia analogico sia digitale Le applicazioni
81. e di luce LED light emitting diode con un sistema di lenti ottiche focalizzatrici e collimatrici dei rivelatori di luce costituiti da tante celle fotoelettriche ad esempio fotodiodi o fototransistor in grado di captare il fascio fornito dal LED La risoluzione del sensore dipende dal numero di set tori circolari costituenti il disco a ciascuno dei quali associato un fotorivelatore e un bit questi tipi di codificatori sono in grado di rivelare spostamenti dell ordine del mi cron Altri tipi di sensori convertono la grandezza fisica da misurare in una serie di impul si che sono inviati ad un contatore digitale counter che fornisce in uscita il segnale di gitale disponibile in forma parallela in ingresso al microprocessore Un esempio tipico rappresentato da un misuratore di velocit angolare costituito da un disco forato calet tato sull asse di un organo in movimento Una sorgente di luce invia un segnale rileva bile dall altra parte del disco mediante una cella fotoelettrica che converte il segnale di velocit del disco in una serie di impulsi a frequenza variabile in dipendenza della velo cit stessa Grande sviluppo alla sensoristica industriale specie nei settori militare biomedico automobilistico e aeronautico stata data dai MEMS Micro Electro Mechanical Systems I MEMS sono l integrazione di elementi meccanici di sensori di attuatori e dell elettronica per il condizionamento e l elaborazione del segnale su
82. e superiori ed inferiori definiscono la fascia d incertezza a volte erroneamente de nominata banda d errore e permettono la valutazione dell incertezza strumentale del sensore Per eseguire la taratura si deve disporre di un generatore variabile del misuran do in grado di fornire valori in tutto il campo di misura del sensore e di uno strumento di misura assunto come campione e quindi con un incertezza strumentale molto mino re di quella del sensore in prova Si fa variare il misurando entro tutto il campo di misu ra del sensore e si ripete il ciclo diverse volte registrando su un grafico e in una tabella per ogni indicazione del sensore la corrispondente misura fornita dallo strumento assun to come campione Per facilitare la raccolta dei dati si possono fissare in genere da otto a dodici valori dell indicazione del sensore e si opera sul generatore variabile finch non si abbiano quelle indicazioni in uscita al sensore in corrispondenza delle quali si regi strano le misure fornite dallo strumento campione Si eviti di fissare in modo alternati 32 Quaderno n 2 GMEE vo i valori del misurando e di registrare le corrispondenti indicazione del sensore in quanto queste hanno meno cifre significative dello strumento campione Raccordando i punti superiori del grafico in corrispondenza delle diverse indicazioni del sensore pre cedentemente fissate e i punti inferiori si delineano due curve che delimitano la fascia d incert
83. ei rivelatori di particelle in particolare per i raggi ye hanno trovato applicazione nelle ricerche sui raggi cosmici compiute con 1 satelliti I Figura 4 3 Caratteristica e circuito equivalente di un diodo fotovoltaico Fotodiodi e fototransistor sono elementi fotovoltaici nei quali l altezza della bar riera di potenziale in corrispondenza della giunzione modulata dalla luce incidente Nei fotodiodi per aumentare la sensibilit si effettua una polarizzazione inversa che fa circolare una corrente piccola al buio crescente con la quantit di luce incidente sul fo todiodo I fototransistor sono diversi dai fotodiodi perch la corrente fotoelettrica am plificata con un notevole aumento della sensibilit alla radiazione incidente Alcuni tipi di fototransistor sono usati come interruttori o dispositivi bistabili Piccole quantit di luce sono in grado di produrre la commutazione del circuito dalla condizione di minima corrente a quella di corrente elevata 4 2 Effetto Doppler Questo effetto fu scoperto nel 1842 dal tedesco C Doppler e consiste nella variazio ne di frequenza delle onde acustiche ottiche radio dovuta al moto relativo tra sorgente e ricevitore delle onde Occorre distinguere gli aspetti salienti del fenomeno nel campo acustico e in quello ottico in quanto si presentano alcune differenze Nel campo acustico l effetto facilmente percepibile quando una tromba attivata di una autoambulanza si avvicini ad u
84. ei trasduttori sono i sistemi di controllo di processo la robotica le catene di pro duzione assistite dal calcolatore L utilizzazione sempre pi diffusa dei sensori si ac compagnata al passaggio sempre pi attuale dal controllo manuale dei processi a quello automatico L ottimizzazione del processo come si detto si ha mediante l invio da parte del sensore del segnale di controllo ad un opportuno attuatore L indicazione del sensore ovvero l informazione sul valore della grandezza in usci ta al sensore pu essere un segnale analogico digitale o modulato in frequenza I tra sduttori nell industria e nella medicina misurano pressioni forze velocit accelerazio ni flussi suoni temperature parametri chimici impedenze elettriche e tante altre gran dezze Si vanno sempre pi diffondendo i biosensori dispositivi sensibili alle caratteri stiche di molecole celle o anche di campioni di tessuti in genere collegati all interno di un trasduttore a un elettrodo o ad un dispositivo ottico o ad un cristallo al quarzo o ad altro ancora I biosensori spesso impiegano molecole biologiche come enzimi o anti corpi Il National Research Council NRC che fa parte della National Academy of Sciences in USA ha definito il biosensore come un dispositivo rivelatore che incorpora sia un organismo vivente o un prodotto derivante da sistemi viventi come ad esempio un enzima o un anticorpo sia un trasduttore in grado di fornire un
85. el continuo in quello del discreto Pi il siste ma da provare o controllare diventa complesso pi cresce il numero di sensori e si parla di sistema multisensoriale in cui le informazioni di pi sensori sensor fusion concor rono a definire la conoscenza di un fenomeno di una macchina di un ambiente La ri cerca e lo sviluppo nell ambito dei sensori intelligenti tendono a intensificarsi in quanto forte la domanda che proviene dal mondo industriale Le linee di tendenza di questo sviluppo stanno essenzialmente in una maggiore integrazione tra sistema sensorio e si stema di elaborazione in un trasferimento dei risultati conseguiti nell ambito dell intel ligenza artificiale alla sensoristica Probabilmente presto si passer dal sensore intelli gente al sensore esperto Le fabbriche moderne sono fornite di un gran numero di sensori che permettono il monitoraggio delle variabili ambientali oltre che d alcune variabili specifiche all inter no delle macchine in un sistema integrato assistito da calcolatore In tal modo si ha la possibilit di rilevare situazioni anomale ed anche d avere indicazioni in tempi rapidi sia di situazioni pericolose per le persone sia di parti di macchine in avaria In sistemi intelligenti assistiti da calcolatori si in grado anche di avere indicazioni sugli interven ti da operare sui tempi e sulle modalit d intervento In Fig 1 2 mostrato lo schema a blocchi di un sistema multisensorial
86. ella portata Il microprocessore in corrispondenza della portata scelta ricava il valore del misurando x in genere da un equazione del tipo y kx q avendo memorizzati in corrispondenza di quella portata i corrispondenti valori di k e q Molti sensori hanno un segnale in uscita di tipo elettrico ed integrano al loro interno circuiti elettronici che presentano caratteristiche non lineari Nei sensori integrati molto spesso per ridurre l errore di linearit si utilizzano diverse soluzioni di tipo analogico che permettono la linearizzazione delle caratteristica stazionaria Una tecnica molto semplice consiste nel porre un derivatore in parallelo o un resistore addizionale in serie al sensore o al componente non lineare all interno di un trasduttore in modo tale che a parit di indicazione circoli nel sensore o nel componente non lineare una corrente infe riore nel caso di derivatore in parallelo o superiore nel caso di resistore in serie rispet to a quella che circolerebbe in assenza della resistenza La scelta del derivatore in paral lelo operata quando il componente o il sensore presenta una buona linearit a bassi va lori di corrente e la perde con il superamento di una soglia di corrente condizione detta di saturazione Si fa in modo che il derivatore assorba una corrente tale che nel campo di misura del sensore questo non raggiunga mai la condizione di saturazione In genere quando si opera la linearizzazione con derivatore in paral
87. ensore opera su un automobile o un aeromobile o un qualsiasi motore o un braccio o una gamba di un essere vivente la trasformazione di e nergia semplice pi complessa quando il misurando rappresentato da un oggetto ap parentemente statico In realt in natura tutto in movimento in particolare il pavimen to sul quale camminiamo sollecitato da vibrazioni che diventano pi intense con il passaggio di autoveicoli nelle strade adiacenti all edificio nel quale ci troviamo I MEMS pi moderni iniziano a sfruttare l energia di queste vibrazioni per la loro auto alimentazione rendendo come si pu intuire il futuro di questi dispositivi sempre pi affascinante In sintesi i vantaggi dei MEMS rispetto ai dispositivi tradizionali riguarda no un minore consumo energetico con possibilit di auto alimentarsi migliori caratteri stiche di funzionamento un peso ridotto e costi inferiori in quanto la fabbricazione in serie riduce i costi di produzione e di assemblaggio Le tecnologie di fabbricazione dei MEMS in gran parte sono quelle impiegate nella realizzazione dei circuiti integrati co me per esempio l uso di basette di silicio di film sottili e dei metodi foto litografici Sul la superficie di un wafer di silicio si realizzano in scala micrometrica i componenti del dispositivo rimuovendo chimicamente strati di ossido Con la sempre maggiore diffu sione dei MEMS si sono gi messi a punto diversi processi di fabbricazione alcuni dei
88. ente elettrica incremen tando l effetto fotoelettrico mediante una serie di elettrodi secondari L effetto fotoconduttivo determina un passaggio di corrente elettrica in materiali investiti da radiazioni di varia lunghezza d onda Esso dovuto alla variazione delle ca ratteristiche elettriche nel materiale investito dalla radiazione in particolare della con duttivit per quanto riguarda materiali isolanti e semiconduttori Il fenomeno prende an che il nome di effetto fotoelettrico interno per distinguerlo da quello esterno che attie ne alla fotoemissione La radiazione incidente consente il passaggio degli elettroni da uno stato di legame a uno libero Gli elettroni liberi non hanno energia sufficiente per uscire dal materiale come avviene nel caso della fotoemissione ma contribuiscono alla conduzione facendo diminuire la resistivit del materiale ovvero aumentare la conduttivit In questo tipo di fenomeno per avere un flusso di corrente elettrica variabile con la radiazione incidente 68 Quaderno n 2 GMEE necessario collegare l elemento fotoconduttivo a un generatore di tensione elettrica dando quindi luogo a sensori passivi Tra i materiali fotoconduttivi si annoverano anche i materiali semiconduttori nei quali come noto vi una separazione fisica dei portatori di carica Per questi materia li necessario fare una distinzione Vi un effetto fotovoltaico che sar esaminato in seguito in cui senza un app
89. ente l espletamento della funzione del componente I guasti marginali definiti anche da degrado o avarie sono sia graduali sia parziali e non consentono un funzionamento pienamente rispondente alle specifiche essi sono dovuti nella maggior parte dei casi a perdita delle caratteristiche metrologiche e a degradazione dei materiali costituenti un sensore uno strumento un sistema In genere le avarie o guasti marginali sono pi temibili in quanto possono dar luogo a errori difficilmente va lutabili Quando si individua un guasto o un avaria in un sensore in uno strumento sempre bene che l utilizzatore lo annoti e lo faccia presente al costruttore Queste in formazioni possono risultare estremamente utili per individuare punti deboli in modo 58 Quaderno n 2 GMEE tale che nella revisione del progetto si migliori il manufatto eliminando i componenti del sensore che per esempio non sopportano determinati sovraccarichi evidente che l affidabilit richiesta ad un sensore dipende molto dall utilizzazione che se ne vuole fare Per esempio i sensori utilizzati nel campo aerospaziale e biomedi co devono avere un affidabilit molto elevata che comporta naturalmente alti costi I fattori o parametri che caratterizzano l affidabilit e la qualit di un sensore si suddivi dono in costruttivi operativi e ambientali I fattori costruttivi sono legati al progetto del sensore Ad esempio nei sensori che presentano organi mobili la prese
90. enti in prova che subiscono guasti Infatti essendo il tasso di guasto costante indifferente provare un componente per t ore o N compo 62 Quaderno n 2 GMEE nenti uguali per N ore in quanto la probabilit di guasto in un tempo prefissato sar la stessa nei due casi Ne consegue intuitivamente che il tasso di guasto costante che ha le dimensioni dell inverso di un tempo risulta coincidere con l inverso dell MTTF per i componenti non riparabili e dell MTBF per le parti del sensore riparabili Allo stesso risultato si pu pervenire matematicamente ricordando la definizione di MTBF coinci dente con quella data per MTTF La 1 MTBF Dah noe da RES importante introdurre un altra definizione che consente di semplificare spesso i calcoli quella del tasso di riparazione Questo definito come la frequenza per unit di tempo con la quale si effettuano le operazioni di riparazione e si indica con 4 spesso espresso in inverso di numero di ore interessante notare che il valore reciproco di P MTTR il che in completa analogia con il tasso di guasto e MTBF La legge di distribuzione esponenziale dell affidabilit si rivela particolarmente utile nei sistemi sensori costituiti da catene di componenti funzionalmente posti in serie e dove quindi il guasto su un componente non dipende dalle operazioni svolte dalle altre parti del sistema In tal caso il guasto di un componente causa l andata fuori servizio de
91. entre non ha nessuna relazione con gli errori aleatori Si definisce errore sistematico la componente dell errore di misura che in misure ripetute resta costante o varia in modo prevedibile Si definisce invece errore aleatorio la componente dell errore di misura che in misure ripetute varia in maniera imprevedibile Alla veridicit associato il bias del sensore definito come la differenza tra la media di indicazioni ripetute del sensore e un valore di riferimento della grandezza oggetto della misura Perch si possa effettuare la correzione in un sensore necessario conoscerne il bias Normalmente si parte dal concetto di accuratezza per introdurre la taratura di un sensore che sar precisata in seguito e per far comprendere che ottenere una misura precisa ovvero ripetibile non fornisce assicurazioni sulla bont della misurazione e del sensore se esso non stato recentemente tarato e se la misura non stata corretta ovve ro depurata dagli effetti o errori sistematici Nonostante le norme internazionali consi glino di considerare l accuratezza cos come la precisione concetti qualitativi e non quantitativi spesso sui cataloghi o sui fogli illustrativi dei sensori si trova quantificata la loro accuratezza Si trova scritto che un sensore presenta un accuratezza dello 0 il che se preso alla lettera starebbe a significare che esso fornisce delle pessime prestazio ni In modo del tutto qualitativo si dovrebbe dire semplice
92. er consentire maggiore flessibi lit alla progettazione e alla produzione oltre che per migliorare la qualit dei prodotti Si basa su tre fasi distinte cos esemplificabili modello complesso progetto orientato all assemblaggio gestione dei dati aziendali Per quanto attiene al modello complesso si ha che diversi gruppi di lavoro con competenze in campi differenti collaborano tra loro in un approccio interdisciplinare alla soluzione del problema Nel campo specifico dell organizzazione del lavoro in fabbrica le competenze richieste sono molteplici e si affiancano a quelle tipiche di natura tecnico scientifica alcune di tipo socio economico quali per esempio gestione aziendale marketing sociologia psicologia sperimentale e applicata scienza del comportamento dinamica di gruppo Il modello dell organizza zione aziendale entra a far parte del modello complessivo della produzione consentendo di ottimizzare le risorse e l efficienza del sistema globale di fabbrica Il sistema se effi ciente permette di superare la iper specializzazione e di enfatizzare le capacit del grup po di gestire situazioni complesse Il sistema se ben progettato in grado non solo di dare risposte corrette ma di essere un ottimo agente della trasformazione del prodotto e del suo adeguamento alle esigenze del cliente Il modello complesso ha permesso di su perare la tecnica seriale in quanto si ha la contemporanea azione degli esperti sul mo dello in modo p
93. esto non possibile si ferma automaticamente il ciclo inviando contemporaneamente un segnale al gestore del siste ma in modo che sappia dove si verificato il guasto e si possa ridurre al minimo 1 MTTR Questo ultimo tipo di sensore detto a controllo di guasto fail controlled Un altro parametro utile per lo studio dell affidabilit di un sensore il tasso di gua sto A t definito nel modo seguente 1 dN N dt S 3 Caratterizzazione dei sensori 61 dove d N il numero di guasti che si verifica nel tempo dt Il modo in cui A t varia nel tempo dipende sia da parametri costruttivi eventuali difetti in parti del sensore sia da parametri operativi condizioni anomale di funzionamento del sensore sia da parametri ambientali particolari condizioni termiche o di umidit o di salinit ecc In molti casi l andamento nel tempo di 4 assume la forma tipica di una vasca da bagno come indicato in Fig 3 3 Nella vita di un sensore o di un dispositivo in genere si distinguono tre fasi La prima detta infantile termina al tempo t ed caratterizzata dai guasti di molti com ponenti a causa di materiali difettosi o di imperfezioni nel processo di lavorazione In genere i componenti difettosi sono sostituiti in una fase iniziale equivalente per esem pio a quella di rodaggio Terminata questa prima fase ne segue una seconda caratte rizzata da un tasso di guasto costante fase in cui il sensore impiegato al meglio in qua
94. etico cui sono sottoposti L entit di questa deviazione condizionata dalla struttura cristallina retico lare del solido e pu determinare variazioni della conducibilit elettrica e la comparsa di un campo elettrico in direzione ortogonale a quella del flusso primario L effetto inol tre pu essere o trasversale quando si presenti perpendicolarmente sia alla corrente elet trica sia al campo magnetico e in tal caso risulta di maggiore interesse o longitudinale quando si presenti nella stessa direzione della corrente elettrica Gli effetti galvanomagnetici hanno molta analogia con quelli termomagnetici che si verificano quando un flusso di calore attraversa un materiale solido immerso in un cam re quando percorso da corrente ed soggetto a un campo magnetico H dovuta all ef fetto magnetoresistivo che si presenta con la direzione del campo magnetico sia paral lela sia trasversale alla direzione in cui fluisce la corrente La conseguente variazione di resistenza pu essere proporzionale al quadrato dell intensit del campo magnetico per campi deboli mentre varia linearmente con H per i valori pi intensi del campo L effet to magnetoresistivo si manifesta sia nei metalli e in leghe di metalli nobili sia nei semi conduttori in cui utilizzato per determinare la struttura delle bande Una delle applica 4 Principi fisici dei principali sensori 77 zioni dei sensori magnetoresistivi quella di rivelatore del campo magneti
95. evice under test e al controllo DUC device under control di un dispositivo Come mostrato in figura il segnale in uscita al sensore condizionato prima di esse re inviato al microprocessore uP dal quale poi sono trasmesse le informazioni sia al sistema di visualizzazione registrazione e comunicazione dei dati sia tramite un con vertitore da digitale in analogico all attuatore che chiude la catena di controllo I segnali in uscita ad un sensore sono in genere tensioni elettriche con ampiezza va riabile da pochi microvolt fino a qualche volt possono cio essere di piccola entit ed inoltre pu anche essere presente un elevato rumore causato da interferenze e rumori esterni o generato all interno dei circuiti elettronici del sensore tale rumore pu conte nere componenti ad elevata frequenza di natura random La tensione dei segnali in usci 1 Fondamenti sui sensori 13 ta dai sensori deve essere amplificata filtrata convertita in forma digitale Quindi al l interno del sistema di condizionamento del segnale si trovano amplificatori filtri e convertitori analogico digitali ADC Inoltre il sensore deve essere schermato da pos sibili rumori od interferenze esterne Come si dir in seguito spesso il segnale in uscita al sistema trasmesso in forma digitale ad una stazione remota per cui si prevede anche un sistema di modulazione e demodulazione del segnale La funzione del microproces sore quella di elaborare il se
96. ezza All interno di tale fascia d incertezza si pu ricavare una relazione biuni voca in modo tale che ad una indicazione del sensore corrisponda uno ed un sol valore della grandezza misurata generalmente il valor medio fra quelli relativi ad ogni singola indicazione del sensore Questa curva definita curva di taratura e non d indicazioni sull incertezza Per tanto quando si fornisce la curva di taratura ad essa va associata l incertezza strumentale del sensore o una tabella di taratura o una serie di funzioni che consentano di delimitare la fascia d incertezza In realt l utente interessato principalmente a conoscere l incertezza strumentale del sensore sull intero campo di misura Il costruttore quindi in genere fornisce semplicemente il valor massimo della semi ampiezza della fascia d incertezza esprimendo tale incertezza strumentale o in valore assoluto o in valori per centuali riferiti alla portata o valore di fondo scala FSO Il diagramma e la curva di taratura forniscono informazioni sul comportamento del sensore in condizioni di regime permanente Quando la curva di taratura riconducibile ad una retta il sensore carat terizzato da un unica costante che lega ingresso e uscita denominata costante di tara tura del sensore Un sensore ideale presenta una relazione tra ingresso e uscita ben definita data da una curva di taratura teorica che come si detto pu essere fornita dal costruttore in for
97. ferimento La linearit riferita alla retta teorica relativa ad una retta di equazione y kx che passa per lo zero e per il punto che ha coordinate prefissate senza alcun riferimento a valori misurati Se queste coordinate corrispondono al cento per cento del fondo scala sia del misurando sia dell indicazione del sensore si ha la cosiddetta linearit terminale 36 Quaderno n 2 GMEE La linearit riferita agli estremi relativa alla retta che si ottiene congiungendo i punti estremi ottenuti durante la taratura del sensore In tal caso in genere si richiede che siano fornite le incertezze con cui sono stati ottenuti questi punti estremi La linearit indi pendente riferita alla retta migliore ottenuta come linea media tra due rette parallele il pi vicino possibile tra loro e in grado di avere al loro interno tutti i valori misurati nel corso della taratura La linearit secondo i minimi quadrati fa riferimento alla retta ottenuta applicando il metodo dei minimi quadrati ovvero minimizzando la somma dei quadrati degli scostamenti Si trovano anche altri tipi di linearit ottenute imponendo il passaggio della retta da punti prefissati come ad esempio quello corrispondente al mi surando nullo linearit riferita allo zero ma quelle precedentemente esaminate sono le pi utilizzate 3 4 Linearizzazione della curva di taratura Da quanto esposto precedentemente evidente la rilevanza che assume la linearit nella defi
98. funzione R p per cui in base alla funzione di trasferi mento di un sistema del primo ordine riportata nel paragrafo 3 7 si ha kR kR kRr KRT er a I p lt pt PP pur In base alle condizioni iniziali e alle tavole delle antitrasformate di Laplace dalla precedente si ottiene t y t kR t re r tenendo conto che la funzione attesa y4 t kRt si ricava la funzione errore dinamico yp A y A AR te 1 88 Quaderno n 2 GMEE Lo stesso risultato si sarebbe ottenuto antitrasformando la funzione Yz p data da Yz p Rv p 1 p7 La funzione errore dinamico in questo caso consta di due termini uno transitorio KR7 e uno stazionario kRr AI solito ambedue questi errori si riduco no al tendere a zero di 7 5 5 Risposta in frequenza di un sistema del primo ordine Una delle risposte pi importanti di un sistema quella a un ingresso sinusoidale della forma x t Asenat in quanto tutti i segnali complessi stazionari possono essere ricondotti a somme di risposte di questo tipo Il segnale in uscita avr una forma sinu soidale della stessa pulsazione del misurando ma potr presentare errori di ampiezza e fase L approccio alla soluzione del problema pu essere di diverso tipo Per omoge neit di trattazione si seguir quella dei paragrafi precedenti La trasformata di Laplace della funzione forzante in ingresso risulta Ao AD p to dalla quale possibile ricavare la Y p k A kA O
99. funzione gradino 5 3 Risposta di un sistema del primo ordine a una funzione impulsiva 5 4 Risposta di un sistema del primo ordine a una funzione a rampa 5 5 Risposta in frequenza di un sistema del primo ordine 5 6 Risposta di un sistema del secondo ordine a una funzione gradino 5 7 Risposta di un sistema del secondo ordine a una funzione impulsiva 5 8 Risposta di un sistema del secondo ordine a una funzione a rampa 5 9 Risposta in frequenza di un sistema del secondo ordine Bibliografia Indice analitico 92 93 1 Fondamenti sui sensori 7 1 Fondamenti sui sensori Introduzione Diverse sono state le sfide che l uomo ha affrontato cimentandosi con le nuove tec nologie Una tra queste senza dubbio il tentativo di costruire macchine intelligenti e viventi Tanti studiosi ricercatori e tecnici provenienti dalle pi disparate discipline si sono interessati e hanno lavorato a questa costruzione Le motivazioni che spingono il lavoro di ricerca e sviluppo in questo campo sono molteplici e vanno da quella di imita re i sistemi naturali per realizzare prodotti da usare nella vita quotidiana a quella pi profonda presente da sempre nella storia dell uomo di diventare creatori di forme vi venti dando vita alla materia inerte Esiste cio nell uomo una pulsione a realizzare og getti che potranno vivere di vita autonoma ad immagine e somiglianza degli esseri vi venti Il sogno potrebbe essere un robot che non sia semplicemente la
100. gnale proveniente dal sensore e di sovrintendere a tutte le operazioni del sistema SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO gt DEL SEGNALE SENSORE Sistema di Visualizzazione DUT DUC Registrazione e Comunicazione dati ATTUATORE Figura 1 1 Sensore inserito in una catena di test e controllo Perch il segnale possa essere visualizzato su monitor o essere registrato si richiede spesso una sua forte amplificazione Quindi gli amplificatori possono avere guadagni molto elevati anche superiori a 1000 Molto spesso il guadagno di un amplificatore misurato in decibel dB Il guadagno lineare pu essere trasformato in decibel median te il logaritmo in base 10 Guadagno dB 20 Ig guadagno lineare L ampiezza di ban da nel dominio della frequenza di un amplificatore per sensori data dalla differenza tra le frequenze di taglio superiore ed inferiore Il guadagno a queste frequenze 0 707 del guadagno in corrispondenza della frequenza centrale della banda Si dice che tale gua dagno normalizzato ed ha un decremento rispetto al valore massimo del 70 7 Poi ch 3dB 20 Ig 0 707 i punti corrispondenti alle frequenze di taglio sono denominati anche punti a 3 dB e presentano una potenza pari a met di quella massima dell amplificatore Un altro parametro importante da tener presente in uno smart sensor il rapporto segnale rumore o SNR signal to noise ratio definito come il rapporto tra la pote
101. he assomigli all uomo necessario dotarlo degli stessi sensi umani Ecco la prima sfida per i nostri sensori simulare il funzionamento di occhi orecchie mani bocca naso In realt poi ci che percepito deve essere inviato al cer vello per cui gli stimoli esterni sono trasformati in segnali elettrici proporzionali all intensit dello stimolo Il segnale elettrico quindi trasportato mediante fasci di cavi detti fibrille fino al sistema nervoso e quando arriva alla corteccia cerebrale l uomo prende coscienza del fenomeno percepito dai sensi Le strade seguite dai segnali prove nienti dai nostri sensori sono diverse e raggiungono specifiche zone del nostro cervello in modo che questo possa distinguere le informazioni ricevute Il microprocessore negli strumenti di misura si comporta come il nostro sistema nervoso centrale che attraverso 8 Quaderno n 2 GMEE le sinapsi della nostra rete neurale riceve le informazioni provenienti dai cinque sensi per effetto della differenza del potenziale elettrochimico ionico delle rispettive membra ne I sensori ormai si vanno sempre pi diffondendo e non si limitano a quelli necessari per il controllo di robot di macchine di vari dispositivi ma si espandono in tanti altri campi come quelli della biomedicina e del monitoraggio ambientale Essi molto spesso sono inseriti in uno strumento di misura e anche se genericamente il valore della gran dezza fornita dal sensore definito ind
102. i si ha che I MTTF pu essere e spresso come rapporto tra il tempo cumulativo e il numero di componenti che in quel periodo di tempo si guastano MTTF te N evidente che l equazione precedente 3 Caratterizzazione dei sensori 59 fornisce semplicemente una stima dell MTTF effettivo Si definiscono pertanto un in tervallo e un limite di confidenza stabiliti in funzione di N e t Perch si abbia un ele vato livello di confidenza il numero di componenti N che subiscono guasti deve essere significativo Per quei dispositivi che dopo aver subito un guasto possono essere riparati si defini sce un MTBF acronimo di Mean Time Between Failures tempo medio tra guasti che si calcola nello stesso modo dell MTTF definito precedentemente L MTBF legato alle condizioni operative cui soggetto il sistema oltre che a quelle ambientali A volte accanto all MTBF fornito anche l MTTFF acronimo di Mean Time To First Failure che il tempo al primo guasto di un sistema riparabile Un altro parametro legato all MTBF la disponibilit D definita come l attitudine di un oggetto ad essere in grado di svolgere una funzione richiesta a un dato istante o durante un dato intervallo di tempo in condizioni determinate supponendo che siano assicurati 1 mezzi esterni eventualmente necessari _ MTBF MTBF MTTR dove l MTTR acronimo di Mean Time To Repair tempo medio alla riparazione il tempo medio necessario alla ri
103. i GPS su automobili cellulari e palmari mentre quelli di forza so no impiegati nella fabbricazione di bilance Nel seguito si accenner ad altre applicazio ni dei MEMS in fase di sviluppo 2 Classificazione e rappresentazione dei sensori 19 2 Classificazione e rappresentazione dei sensori Introduzione Nella trattazione dei sensori si trovano diversi modi di classificazione per tecnolo gia e principio fisico che essi utilizzano ottico piezoelettrico fotoelettrico fotovoltai co ecc per funzione che essi svolgono o per grandezza da misurare lunghezza temperatura pressione vibrazione ecc per settore cui essi sono destinati agricoltu ra siderurgia chimica manufatturiero ecc per dispositivo interessato alla misura zione macchine utensili motori variatori cuscinetti pompe compressori valvole sal datrici forni ecc Le diverse classificazioni sono adottate in modo alternativo in diversi testi La pri ma quella per tecnologie riesce a dare una visione ragionevolmente integrata dei pro cessi utilizzati nella realizzazione dei sensori e risulta particolarmente utile al progettista di sensori Essa evidenzia lo stato dell arte e le possibilit che un dato principio fisico soddisfi una determinata richiesta purtroppo poco utile quando uno desideri compara re i pregi e i difetti di sensori in grado di misurare una stessa grandezza Ad esempio se si ha da scegliere un termometro occorrerebbe andare a
104. i basati sulle fibre ot tiche e nel campo della microfluidodinamica si impiegano vetro e plastica oltre ad un particolare polimero il polidimetilsilossano PDMS Con le nanotecnologie molti ritengono che si sia raggiunto un limite che pone una serie di quesiti sui benefici di un ulteriore riduzione delle dimensioni del sensore discu tibile se non accompagnata da una possibile contestuale miniaturizzazione del sistema sul quale esso agisce Per esempio il passaggio delle pompe da una scala macro ad una micro ha comportato grandi benefici alle industrie biochimiche e mediche permettendo la realizzazione dei lab on a chip LOC veri e propri laboratori chimici in miniatura con riduzione dei costi di fabbricazione e dei reagenti analisi pi accurate e pi veloci maggiore sicurezza nell esame di contaminanti e di sostanze radioattive possibilit di analisi contemporanee di diversi campioni Nei LOC sono pompate quantit di fluido contenente campioni biologici quali proteine cellule reagenti dell ordine dei micro e nanolitri ma se si considera che particelle come i globuli rossi possono avere un diame tro di qualche micron si rischia l impossibilit che esse fluiscano in condotti di dimen sioni ad esse paragonabili In uno smart sensor il sensore stesso pu essere solo una piccola parte del chip e quindi l ulteriore riduzione delle sue dimensioni dovrebbe essere presa in considerazio ne solo se si possono prevedere vantaggi in te
105. i della risposta in frequenza in ampiezza e fase di un sensore assimilabile ad un sistema del primo ordine sono quelli mostrati in Fig 3 7 Dall esame della figura si e vince che il sensore si avvicina al comportamento ideale precedentemente indicato quanto pi il prodotto wr minore di 1 wr lt lt 1 Infatti in queste condizioni il modulo della risposta coincide con KA e il ritardo di fase introdotto dal sensore nullo 0 La condizione 7 lt lt 1 equivale a dire che il funzionamento dinamico ideale del sensore relativo a segnali ad esso applicati che abbiano una frequenza molto pi piccola della cosiddetta frequenza di taglio normalizzata f 1 277 Se allora la costante di tempo del sensore molto piccola la frequenza di taglio normalizzata tende all infinito e il com portamento dinamico ideale del sensore si estende a tutte le frequenze In condizioni opposte quando la costante di tempo e quindi la frequenza di taglio normalizzata hanno un valore finito e il prodotto r molto maggiore di 1 7 gt gt 1 si ha una forte attenua zione del modulo della risposta in ampiezza e uno sfasamento di 90 Il sensore cio si comporta come un filtro passa basso che attenua tutte le componenti armoniche presenti nel misurando che siano molto maggiori della frequenza di taglio normalizzata f 1 27t Quindi si pu sintetizzare che per sensori con piccola costante di tempo e mi 3 Caratterizzazione dei sensori 45 surandi con freque
106. i funzionamento il minimo intervallo di tempo nel quale il sensore operer in modo continuativo o intermittente con cicli di lavoro prefis sati senza variazioni nelle sue caratteristiche di funzionamento entro limiti di errore de finiti Il numero di cicli il numero di escursioni del misurando da un estremo all altro del campo di misura o fra due limiti diversamente specificati cui si sottopone il sensore senza che si presentino variazioni nelle sue caratteristiche di funzionamento entro limiti di incertezza strumentale definiti Le caratteristiche di affidabilit del sensore dipendono molto dalla cura con cui esso utilizzato dal rispetto delle condizioni di sicurezza dall assenza o dal controllo di condizioni ambientali particolarmente avverse evidente che esiste una relazione stret ta tra la filosofia di produzione di un sensore e la sua affidabilit Fortunatamente sem pre pi in ambito industriale si sta affermando il principio propugnato da alcune aziende americane del pay now save later tradotto letteralmente paga ora risparmi pi tardi Infatti il buon nome di un marchio brand si conquista negli anni immettendo sul mercato prodotti sempre pi affidabili oltre che naturalmente sicuri per le persone e per le cose Spesso inoltre in un sistema complesso le conseguenze di un guasto ad un sen sore o ad un suo componente sono difficilmente prevedibili e possono determinare bloc chi e danni inimmaginabili A questo
107. i misurandi o da altre grandezze presenti nel fenomeno nel corpo o nella sostanza oggetto dell esame Per esempio se il sensore impiegato per misurare una sola componente di un segnale multifrequenziale esso sar tanto pi selettivo quanto meno la sua indicazione sar disturbata dalle altre componenti o da altri segnali a frequenza differente da quella che si vuole misurare Il parametro k la costante di taratura del sensore che il rapporto tra il segnale di ingresso e il segnale di uscita in risposta all ingresso Essa un parametro che ha dimen sioni date dal rapporto delle unit di misura del misurando e di quella di uscita nel caso di un sensore di spostamento con in uscita una tensione elettrica si ha che la costante di taratura espressa in metri al volt o con una dizione preferita a livello internazionale metri per volt La costante di taratura il fattore per cui va moltiplicata l indicazione del sensore al fine di ottenere il valore del misurando e che in base alle relazioni prece dentemente scritte risulta l inverso della sensibilit Le relazioni scritte precedentemen te presuppongono che la curva di taratura non solo sia una retta ma che passi anche per l origine degli assi cartesiani caratterizzanti il piano x y Questa condizione non sem pre si verifica a causa della presenza di soglie grandezze note anche con il termine in glese molto diffuso di offset Il VIM definisce una soglia di discriminazione
108. i sensori a equipaggio mobile che operano con un campo magnetico gene rato da un magnete permanente Sugli effetti elettrodinamici alla base del funzionamento delle macchine elettriche si basano alcuni sensori tachimetrici e i microfoni elettrodinamici 4 5 Effetti termici Tra gli effetti termoelettrici quello pi noto l effetto Seebeck scoperto nel 1826 che consiste nel manifestarsi di una forza elettro motrice f e m in un circuito com prendente due metalli diversi quando le giunzioni fra questi sono poste a differenti temperature come mostrato in Fig 4 5 L effetto sfruttato nelle termocoppie ed do vuto sia alla equalizzazione dei livelli di Fermi che si verifica quando due metalli sono posti in contatto tra loro sia alla differente diffusione termica di elettroni tra la parte cal da e fredda della termocoppia Quando due metalli con diversi livelli di Fermi sono po sti a contatto il livello massimo di energia disponibile per gli elettroni dei due metalli il livello di Fermi pi alto Si determina quindi una f e m proporzionale alla differenza dei due livelli di Fermi dipendente dalla temperatura delle due giunzioni In prima approssimazione e per differenze di temperatura non molto elevate si pu ritenere la f e m e una funzione generalmente crescente della differenza di tempera tura fra le due giunzioni una trattazione pi dettagliata sar fatta quando si esamineran no i sensori a termocoppia nella se
109. i sensori sono impiegati in diversi settori possono sfruttare differenti fenomeni ed utilizzano un ampia gamma di frequenze di radiazione A quelli di conce zione tradizionale basati sull impiego della luce visibile e di rivelatori a variazione di resistenza si sono sostituiti quelli con emettitori a LED light emitting diode e rivelatori al silicio che possono essere fotodiodi in particolare quelli PIN caratterizzati da uno spessore della regione di svuotamento controllato giustapponendo del semiconduttore in trinseco fra gli strati di tipo p e di tipo n o fototransistor Molto impiegato per la realiz zazione dei LED l arseniuro di gallio che ha una banda di emissione circa 0 7 0 9 um bene adattabile alla regione di assorbimento del silicio Per permettere una emissione di luce pi efficiente si pone l arseniuro di gallio su un substrato di fosfuro di gallio Inol tre si stanno diffondendo anche sensori ottici basati sulle fibre ottiche le quali non solo sono sensibili a diverse grandezze fisiche e chimiche ma hanno permesso di risolvere problemi particolari di trasmissione dei dati in ambienti industriali ostili caratterizzati dalla presenza di intensi rumori elettromagnetici Infatti le fibre ottiche oltre ad avere un livello di attenuazione incredibilmente basso ed una elevata velocit di trasmissione so no intrinsecamente immuni al rumore elettromagnetico essendo realizzate in vetro e in altri materiali non conduttori
110. i un catalogo con la giustapposizione di dispositivi privi di un minimo di correlazione per dendo molto spesso di scientificit Nella seconda parte di questa introduzione alla sen soristica industriale si seguir una classificazione per grandezze da misurare con parti colare riferimento alla temperatura allo spostamento alla forza alla pressione alle vi brazioni alla velocit all accelerazione al flusso In questa prima parte si fornisce in 20 Quaderno n 2 GMEE vece una sintetica visione dei processi fisici che presiedono la trasformazione da una forma di energia all altra nei diversi trasduttori Si descriveranno sensori da anni utiliz zati a livello industriale e alcuni che si affacciano in maniera promettente sul mercato Infine si cercher di dare un quadro dei possibili futuri sviluppi nel campo della sensori stica 2 1 Sensori passivi ed attivi Per completezza di trattazione si accenna ad un altro tipo di classificazione dei sen sori che si trova in alcuni testi riprendendo un concetto presente nell elettronica I sen sori possono suddividersi in passivi detti anche a modulazione quando richiedono po tenza dall esterno ad esempio in forma di energia elettrica per fornire un segnale di tensione o di corrente e in attivi detti anche ad auto generazione quando non richie dono una potenza esterna per fornire l indicazione derivata dalla grandezza fisica da mi surare I sensori attivi forniscono un
111. icazione i sensori possono espletare oltre a quella indicativa altre funzioni quali registrazione controllo diagnostica sia indu striale sia medica La funzione indicativa pu avvenire attraverso un indice mobile su scala graduata o delle cifre su un display numerico o un immagine sullo schermo di un oscilloscopio Si ricorre ad una registrazione quando necessario avere una cronistoria dell evoluzione di un fenomeno Essa si espleta sia attraverso una registrazione su carta o su un supporto magnetico o su un disco ottico o su un compact disk sia attraverso la stampa su carta di una schermata sul monitor di un calcolatore Un sistema di controllo richiede la presenza di uno o pi sensori Questi sono sensibili in ingresso alla grandez za da controllare e forniscono in uscita in genere un segnale elettrico che aziona un at tuatore che consente di trasformare l energia in ingresso in altra forma utile al processo di controllo e di misura in atto nel sistema si pensi ad esempio al termometro che par te del sistema di controllo del riscaldamento di un ambiente Per comprendere la funzio ne di un attuatore si pu ancora una volta far riferimento al corpo umano che possiede diversi attuatori di natura sia meccanica come per esempio i muscoli sia acustica come per esempio la voce La diagnostica industriale si pone l obiettivo di acquisire tutte le informazioni possibili sullo stato sia delle macchine sia dei processi automatici e con
112. ile che il sensore pu fornire in uscita all interno delle sue specifiche l impedenza di uscita che il sensore presenta ai morsetti di uscita utile soprattutto per poter progettare correttamente un dispositivo di adattamento di impedenze Nel caso di sensori passivi un parametro importante rappresentato dal valore della tensione o della corrente che deve essere fornita da una sorgente di alimentazione esterna o ausiliaria per consentire il corretto funzionamento del sensore 3 2 Caratteristiche di un sensore Si gi accennato che per un corretto impiego dei sensori necessario conoscere le loro prestazioni A loro fa riferimento sia il progettista del sistema nel definire le speci fiche necessarie per il buon funzionamento sia il costruttore quando indica la qualit del prodotto Nel definire le caratteristiche di un sensore si pu rappresentarlo come un blocco in grado di trasferire l informazione e l energia in ingresso all uscita in forma invariata o convertita Allo scopo di studiare nel modo pi completo possibile il funzionamento di un sensore nel seguito si esamineranno le seguenti caratteristiche stazionarie dinami che ambientali di qualit e affidabilit Le caratteristiche metrologiche stazionarie sono quelle che fanno riferimento alle condizioni di regime permanente definite come quelle condizioni operative del senso re nelle quali la relazione ottenuta durante la taratura resti valida anche quando il misu
113. ione si ha negli encoder esaminati nel paragrafo 1 2 dove magneti permanenti e sensori ad effetto Ha sostituiscono le funzioni dei LED e PIN Un altra applicazione si ha nei sensori di velocit angolare o tachimetri dove un ma gnete permanente solidale con l organo in rotazione induce una tensione di Hall ogni volta che incontra il sensore posto in posizione fissa rispetto al magnete rotante In tal modo il numero di giri convertito in un treno d impulsi di frequenza tanto maggiore quanto pi alta la velocit di rotazione Utilizzando un semplice contatore digitale d impulsi si pu facilmente risalire alla velocit Questo sensore applicato per e sempio su alcune biciclette dove il magnete solidale con la ruota e il sensore di Hall fisso sul telaio Noto il raggio della ruota e quindi la sua circonferenza possibile misurare oltre alla velocit anche la distanza percorsa Gli effetti dell interazione di un campo elettrico con uno magnetico sono molti e molti sensori ne sfruttano diversi di questi Altri due di questi effetti che danno luogo a svariate applicazioni sensoristiche sono la legge d induzione di Faraday le variazioni di una induttanza in una bobina avvolta su un circuito magnetico perturbato La legge di induzione di Faraday stabilisce che quando una bobina di n spire soggetta a un flusso magnetico variabile nel tempo che si concateni con le sue spire si induce in essa una f e m la cui espressione
114. ire l autocontrollo delle prestazioni Questo quaderno rivolto a quanti anche se non in possesso di una cultura specifica sono affascinati dallo sviluppo scientifico e si vogliono avvicinare al la scoperta del mondo della sensoristica un campo in forte evoluzione e che at traverso le micro e le nano tecnologie si svilupper sempre pi nel prossimo fu turo Spero inoltre possa essere utile a quanti nelle industrie nei servizi si tro vano ad operare con questi minuscoli dispositivi e non sanno come impiegarli nel modo migliore Allo scopo di rendere agevole la lettura tutte le trattazioni matematiche sono riportate in appendice Il quaderno una rielaborazione aggiornata di alcuni capitoli contenuti in un mio libro precedente Fondamenti di scienza delle misure non pi disponibile in commercio ed suddiviso in due parti la seconda delle quali sar pubblicata in seguito e conterr la descrizione dei sensori pi diffusi in campo industriale Ringrazio la mia famiglia per la serenit trasmessami e quanti mi hanno spinto a cimentarmi di nuovo con la scrittura di un libro il GMEE Gruppo Mi sure Elettriche ed Elettroniche il vecchio editore del libro citato che mi ha au torizzato ad utilizzare parte del materiale in esso contenuto ed il nuovo editore che ha creduto in questa nuova iniziativa Un grazie particolare va al Comitato di redazione dei quaderni GMEE e a Francesco Adamo giovane collega del mio Dipartimento per
115. istica y f x presenta una concavi t verso il basso Nel caso la concavit fosse verso l alto infatti occorrerebbe una resi stenza negativa che richiede il ricorso a circuiti elettronici pi complessi di quelli rap presentati da un semplice resistore Un altro sistema di linearizzazione della caratteristi ca con tecniche analogiche quello di ricorrere a sistemi con controreazione negativa infatti noto che una controreazione negativa consente di limitare le distorsioni e di li nearizzare la risposta Anche in questo caso si ha una riduzione della sensibilit che tanto pi accentuata quanto maggiore il fattore di reazione 38 Quaderno n 2 GMEE Molto spesso si impiegano blocchi analogici con caratteristica inversa a quella del sensore Per esempio sono ampiamente impiegati amplificatori logaritmici con caratteri stiche esponenziali Un metodo pi recente che si molto diffuso negli smart sensor quello di impiegare un convertitore analogico digitale ADC con caratteristica non line are tale da compensare la non linearit del sensore in questo modo la conversione e la linearizzazione sono effettuate contemporaneamente utilizzando un unica unit fisica Sono stati proposti al riguardo diversi schemi di conversione che in genere si basano sul principio di adattare la conversione alle caratteristiche non lineari del sensore Un altra tecnica quella di realizzare un ADC con una caratteristica che a tratti approssimi
116. izzazione di componenti di qualit L inizio dello studio dell affidabilit si pu far risalire intorno al 1930 Il maggiore sviluppo avvenuto in campo militare e aerospaziale Con gli inizi degli anni 70 si avuta una significativa incidenza anche in campo industriale Oggi l affidabilit presa in considerazione in diverse discipline soprattutto in campo ingegneristico biomedico e scientifico in generale Senza tema di smentita per opportuno sottolineare che le maggiori applicazioni dell affidabilit si sono avute e continuano ad aversi nel campo dell elettronica e dell informatica Al concetto di affidabilit legato il controllo di qualit che si diffuso negli ultimi anni soprattutto nel campo dei processi manufatturieri La necessit di assicurare il cor retto funzionamento di un dispositivo per tempi prefissati ha indotto a quantificare 1 va lori dell affidabilit Ci richiede una serie di misure o prove di affidabilit tese a evi denziare l insorgere di guasti o di malfunzionamenti al di fuori delle specifiche Per guasto 0 failure si intende la cessazione dell attitudine di un oggetto ad adempiere alla funzione richiesta Si definisce invece avaria o fault lo stato dell oggetto caratterizza to dall inabilit di adempiere alla funzione richiesta I costruttori seri specificano tra i dati tecnici di un sensore i valori di affidabilit o altri parametri ad essa legati In genere il raggiungi
117. lelo i sensori sono schematiz 3 Caratterizzazione dei sensori 37 zati con un generatore equivalente di corrente Nel caso si predisponga il sensore addi zionale in serie al sensore o al componente non lineare la tecnica funziona a condizione che il segnale di uscita sia prelevato ai capi del resistore addizionale ed analoga a quella impiegata per la linearizzazione della caratteristica di un diodo come mostrato nella Fig 3 2 La scelta del resistore addizionale in serie si opera quando come nel caso del diodo la non linearit del sensore o del componente relativa al primo tratto della caratteristica per cui si fa in modo che la prima indicazione del sensore si abbia quando la corrente che in esso circola supera il valore da cui inizia la caratteristica lineare In genere quando si opera la linearizzazione con resistore addizionale in serie i sensori so no schematizzati con un generatore equivalente di tensione In Fig 3 2 mostrato come l inserimento del resistore di resistenza Rs migliora la linearit del diodo Durante la semionda positiva il diodo D non conduce e l ampe rometro A di resistenza interna R sar attraversato da una corrente caratterizzata solo dalle semionde positive per effetto dell azione raddrizzatrice del diodo D gt Durante la semionda negativa il diodo D conduce in modo che ai capi del circuito a valle sia ap plicata una tensione trascurabile Come risultato si ha che si riduce considerevolmen
118. lettrica Nel seguito si accenner a di verse applicazioni delle termocoppie specie con l utilizzo della tecnologia MEMS L effetto termoresistivo consiste nella variazione della resistivit di un materiale con la temperatura presente sia nei metalli sia nei composti metallo ceramici sia nei semiconduttori che presentano a differenza dei materiali metallici un coefficiente di temperatura negativo NTC Con un opportuno drogaggio anche i materiali semicon duttori possono essere resi tali da avere un coefficiente di temperatura positivo PTC come quelli metallici Gli effetti capacitivi hanno avuto recentemente un notevole sviluppo nei sensori re alizzati con le tecnologie MEMS Questi sensori presentano almeno un elemento in gra do di muoversi al variare di un misurando come ad esempio pressione accelerazione o velocit La configurazione pi semplice quella composta da un condensatore ad ar mature piane e parallele di cui una mobile In realt le configurazioni sono svariate in dipendenza dell applicazione per esempio anche molto diffusa quella a pettine costi tuita in una delle sue realizzazioni da tre armature due periferiche collegate metallica mente tra loro ed una centrale in grado di scorrere all interno delle altre due 4 1 Effetti fotonici La fotoemissione consiste nell emissione di elettroni da un materiale provocata da radiazioni elettromagnetiche appartenenti alla zona visibile e ultravioletta dello
119. limiti specificati in relazione a determinate condizioni operative Quindi importante che il sensore rispetti le speci fiche indicate dalla normativa vigente per la particolare applicazione in cui esso sar impiegato Riprendendo la metafora del tiro con l arco l arco sar idoneo se assicurer ai tiri di cadere nel cerchio centrale e nella prima corona ad esso adiacente quando que sto previsto dal regolamento della gara inutile perfezionare l arco perch i tiri cada no nel cerchio centrale specie se ci comporta una spesa aggiuntiva Tale perfeziona mento sar necessario solo se il regolamento della gara riterr validi solo i tiri che rag giungono il cerchio centrale Non va sottaciuta a questo punto la necessit di abilit che deriva dall esperienza da parte del tiratore Un arco idoneo nelle mani di un inesperto non fornir risultati soddisfacenti Un sensore nelle mani di chi non lo sa usare serve a molto poco Per passare da indicazioni prevalentemente qualitative sulla bont di una misura ottenibili attraverso l accuratezza e la precisione a rappresentazioni quantitative 28 Quaderno n 2 GMEE del risultato di una misura occorre quantificare l incertezza che un parametro sia qua litativo sia quantitativo Qualitativamente essa rappresenta il grado di dubbio sulla vali dit del risultato di una misura quando invece essa deve fornire un indicazione quanti tativa va accompagnata dall aggettivo a
120. ll intero sistema Per i sistemi in serie o in cascata l affidabilit del sensore data dal prodotto delle affidabilit dei singoli componenti per cui si ha N R t TIR t of ggr dove R t l affidabilit del sistema R t quella del generico componente i esimo 4 il tasso di guasto relativo all i esimo componente e 4 quello del sistema Dalla precedente si ha Dalla relazione precedente si desume che un sistema serie anche se economico in quanto non vi sono ridondanze presenta un aumento del tasso di guasto e una riduzione del tempo medio al primo guasto ovvero peggiora l affidabilit Il contrario avviene nel caso di componenti in parallelo cio di un sistema ridondante dove sono le inaffidabili t delle singole parti del sistema che si moltiplicano per determinare l inaffidabilit di quel componente costituente il sistema sensorio in altre parole nel caso di componenti in serie si ha un prodotto di valori di affidabilit nel caso di componenti in parallelo si ha un prodotto di inaffidabilit Quindi in un sistema ridondante si ha un miglioramento dell affidabilit tanto maggiore quanto pi elevato il numero di componenti in paralle lo 3 Caratterizzazione dei sensori 63 3 12 Caratteristiche metrologiche ambientali Le condizioni ambientali quando un sensore operi sia al chiuso di un laboratorio sia all aperto possono alterarne il funzionamento Si ricorda che il costruttore nel fornire le
121. lla figura e dalle equazioni precedenti si ricava che per minimizzare la funzione errore dinamico nei sistemi del primo ordine occorre rendere molto piccola la costante di tempo 7 Dal confronto tra la y t e la yg t interessante notare che la risposta del sistema pu porsi nella forma y t kA y t Yy y t dove con y4 t si indicata la risposta attesa del sistema caratteristica di un sistema ide ale di ordine zero Dall equazione precedente si evince che la funzione errore dinamico pu ricavarsi come differenza tra la risposte del sistema effettiva e attesa 5 3 Risposta di un sistema del primo ordine a una funzione impulsiva La funzione impulsiva pu essere considerata la somma di due gradini della stessa ampiezza e di segno contrario che si succedono in un tempo molto piccolo al limite nul lo Un impulso ideale ha inoltre un ampiezza che tende ad essere infinitamente elevata Se si indica con 7 la durata dell impulso nell intervallo di tempo 0 7 il sistema si comporta come se ad esso fosse applicato un gradino per cui in base all equazione che fornisce la risposta del sistema del primo ordine ad una funzione a gradino si ha 5 Appendici 87 kA tht y t rai se per t compreso nell intervallo 0 7 essendo l ampiezza del gradino pari a A T Dopo il tempo T la risposta del sistema evolver come nel caso della soppressione del gradi no pertanto per t gt T si ha y t Be La cos
122. lla funzione obiettivo calcolata come la radice quadrata della stessa funzione diviso per il numero n di punti sperimentali o F n risulti minore della semi ampiezza del massimo scarto misurato sulla fascia d incertezza ovvero dell incertezza strumentale del sensore Quando si effettua la verifica della taratura si assume come curva teorica di riferi mento per l applicazione per esempio dell LSM quella fornita dal costruttore La verifi ca della taratura positiva se l ampiezza massima della fascia d incertezza misurata inferiore al doppio dell incertezza strumentale indicata dal costruttore Tra i dati della verifica che si forniscono vi anche il massimo scarto tra la curva di taratura sperimen tale ricavata e quella fornita dal costruttore Quando la curva di riferimento una retta si fornisce l errore di linearit che un indicazione di quanto la curva di taratura si discosti dall andamento rettilineo A si gnificare la sua rilevanza si fa presente che l errore di linearit una delle caratteristiche indicate dal costruttore nel foglio illustrativo o nel manuale di accompagnamento del sensore L errore di linearit indicato molto spesso semplicemente come linearit e spresso in funzione del valor massimo dello scostamento dei singoli punti della curva di taratura da una retta di riferimento opportunamente definita Esistono tanti tipi di linearit quanti sono i modi di stabilire la retta di ri
123. llo in dipendenza della specifica applicazione il quarzo genera una carica di pochi picocoulomb che propor zionale alla forza applicata Si consideri ora un piccolo disco di quarzo o di altro mate riale piezoelettrico la densit di carica q funzione della forza applicata F q k F dove ky la sensibilit alla carica elettrica o coulombiana e risulta pari a 2 10 C N per il quar zo e a circa 150 10 C N per il titanato zirconato di piombo Le superfici sulle quali agiscono le forze applicate al materiale sono metallizzate e danno luogo a un condensa tore di capacit C amp amp 04 s dove amp la permettivit o costante dielettrica relativa pari circa a 4 5 per il quarzo e a 1800 per il titanato zirconato di piombo o la permettivit del vuoto pari a 1 367 10 F m A l area della superficie metallizzata ed s lo spes sore del disco La d d p V corrispondente alla carica proporzionale alla pressione p F A applicata secondo la relazione 74 Quaderno n 2 GMEE q SF V k ky s Co dee si dove k k o amp la sensibilit voltmetrica che ha un valore di circa 5 1072 Vm N per il quarzo e di circa 10 2 Vm N per il titanato zirconato di piombo La conversione della carica elettrica in tensione elettrica avviene attraverso un semplice convertitore elettro nico La sensibilit voltmetrica pu essere facilmente migliorata impiegando un ampli ficatore L uso di questi dispositivi elettronici che hann
124. ma di equazione matematica di grafico o di tabella di valori La curva teorica ideale quella rappresentata da una linea retta Lo scostamento della curva reale da quella ide ale dovuto a varie cause di errore le pi frequenti fra le quali sono la non linearit la deviazione dallo zero e le variazioni di sensibilit La conoscenza degli effetti di queste cause di errore pu consentire di effettuare la loro correzione mediante un opportuna regolazione e quindi di aumentare la veridicit delle misure Si detto che il legame y f x tra il misurando x e l indicazione del sensore y in condizioni di regime stazionario potrebbe essere rappresentato da una costante condi zione auspicabile in quanto presupporrebbe una relazione lineare tra i segnali d in gresso e di uscita dal sensore rendendo applicabile l importante principio di sovrappo sizione degli effetti L importanza di avere una relazione lineare tra misurando e indica zione del sensore tale che come sar meglio evidenziato nel paragrafo successivo spesso il sensore dotato di una serie di componenti aggiuntivi per la linearizzazione della caratteristica Le relazioni fra 1 due segnali possono essere scritte nel modo se guente y kx x ky Il parametro k la sensibilit del sensore definita come il rapporto tra la variazione dell indicazione del sensore e la corrispondente variazione del valore della grandezza misurata Essa legata alla pendenza della curva
125. materiale magnetostrittivo le variazioni di permeabilit che si pro ducono per sollecitazioni meccaniche del circuito magnetico danno luogo a variazioni dell induttanza di bobine avvolgenti il nucleo Nei sensori di posizione pi recenti si impiegano speciali leghe metalliche e si sfrut ta l effetto Wiedemann In alcuni di essi l elemento la cui posizione variabile soli dale con un magnete permanente che produce un campo magnetico longitudinale cui sottoposto il materiale ferromagnetico nel quale si verifica l effetto magnetostrittivo La barra di materiale ferromagnetico ferma ed attraversata da impulsi di corrente che variano le loro caratteristiche in dipendenza della posizione del magnete permanente mobile rispetto alla barra Dalla elaborazione delle informazioni contenute negli impulsi di corrente si risale alla posizione dell elemento mobile L assenza di contatto tra il ma gnete permanente di posizione e l elemento sensibile costituito dal materiale ferroma gnetico rende minima l usura caratteristica precipua della maggior parte dei sensori ba sati sugli effetti magnetici Gli effetti galvanomagnetici si presentano in alcuni materiali quando siano posti in un campo magnetico e siano percorsi da corrente elettrica Il fenomeno dovuto sostan zialmente al fatto che gli elettroni che si muovono all interno del materiale per la circo lazione della corrente elettrica sono deviati per effetto del campo magn
126. mente che il sensore presenta un ottima accuratezza In altre parole si pu affermare che in modo improprio l accuratezza spesso espressa numericamente attraverso l inaccuratezza quantificata mediante l incertezza strumentale del sensore La precisione di una misura intesa come il grado di approssimazione fra le indica zioni o i valori della grandezza misurata ottenuti da misure ripetute sullo stesso oggetto o su oggetti simili in condizioni specificate La precisione di una misura a volte e spressa numericamente attraverso l imprecisione quantificata mediante la deviazione standard scarto tipo nella norma italiana o la varianza o un coefficiente di variazione calcolati in condizioni specificate delle misure ripetute Il VIM associa al concetto di precisione quelli di ripetibilit e di riproducibilit dei risultati delle misure Si definisce ripetibilit la precisione ottenuta operando in un insieme di condizioni ripetibili Si in tendono condizioni ripetibili quelle che comprendono misure eseguite sullo stesso og getto o su oggetti simili in un breve periodo di tempo nella stessa postazione e nelle stesse condizioni operative seguendo la stessa procedura impiegando gli stessi operato ri e lo stesso sistema di misura Si definisce inoltre riproducibilit la precisione ottenu ta operando in un insieme di condizioni riproducibili Si intendono condizioni riproduci bili quelle che comprendono misure ripetute sullo stesso
127. mento costante si portano in equilibrio termico e il segnale in uscita si azzera Essi inoltre come tutti i sensori termici hanno un ampia banda passante ovvero una sensibilit spettrale prati camente piatta in un intervallo di frequenze limitato solo dalle caratteristiche delle lenti ottiche di protezione utilizzate Nei rivelatori termici di radiazione basati sull effetto pi roelettrico la radiazione diretta su un piccolo disco di materiale le cui facce sono me tallizzate e sulle quali si manifesta una tensione elettrica Il sensore piroelettrico si pu 4 Principi fisici dei principali sensori 75 considerare in modo analogo al piezoelettrico un condensatore sulle cui armature si addensano cariche indotte dal dielettrico polarizzato Quando la temperatura del sensore varia anche la polarizzazione e le cariche sul condensatore variano producendo una de bole corrente che al solito pu essere convertita in tensione mediante un amplificatore operazionale con elevata resistenza di retroazione quasi sempre necessario amplifica re il segnale che deve essere applicato ad una impedenza molto elevata A tale scopo il cristallo piroelettrico collegato con un amplificatore MOS FET che notoriamente pre senta impedenze di ingresso superiori anche alle decine di megaohm in modo da assor bire una minima frazione della corrente generata dal sensore piroelettrico montato sullo stesso supporto Anche l effetto piroelettrico come quello
128. mento di elevati livelli di affidabilit in un sensore vincolato al contributo congiunto del progettista del costruttore del collaudatore del controllore di qualit dell installatore e dell utilizzatore I concetti precedentemente esposti in sintesi sono riassumibili nelle varie definizio ni di affidabilit considerata l insieme dei concetti teorie matematiche modelli anali si di comportamenti fisici aventi lo scopo di descrivere prevedere e dominare il com portamento degli oggetti nel tempo Le norme UNI Ente Nazionale Italiano di Unifica zione la definiscono l attitudine di un oggetto ad adempiere alla funzione richiesta nel le condizioni fissate e per un periodo di tempo stabilito Per affidabilit di un sensore si pu quindi intendere la probabilit che esso esplichi la funzione richiesta in condizioni stabilite per un periodo di tempo specificato Una probabilit zero o affidabilit nulla sta a significare che il sensore guasto o non funzionante secondo le specifiche Una pro babilit uno o massima affidabilit significa che un guasto del sensore una evenienza molto improbabile Una caratteristica importante anche quella di ciclo o tempo di vita di un sensore Per esso si intende il tempo totale tra la nascita e la morte del sensore quando operi nelle condizioni definite da uno specificato schema di manutenzione prefissato a priori 3 Caratterizzazione dei sensori 57 La vita operativa o tempo d
129. mimesi delle atti vit degli esseri viventi ma che incarni forme equilibrate ed armoniose come quelle dell uomo vitruviano disegnato da Leonardo da Vinci seguendo i canoni classici e conservato nel Gabinetto dei Disegni e delle Stampe delle Gallerie dell Accademia di Venezia Un uomo che si iscrive in piedi con le gambe e le braccia allargate nelle figure geometriche considerate perfette il cerchio e il quadrato Per comprendere quanto antica sia la pulsione dell uomo a creare forme viventi si pensi che i primi esempi di automatismi risalgono all antico Egitto Si deve al matema tico ed ingegnere greco Erone di Alessandria la prima macchina automatica risalente ai primi anni dopo Cristo che serviva ad aprire e chiudere automaticamente le porte di un tempio importante sottolineare che Erone fu anche autore di tre libri di misure a sancire lo stretto legame tra la robotica e la metrologia che la scienza delle misure e delle sue applicazioni Il robot entra nella mitologia con il famoso libro del 1976 L uo mo bicentenario di Isaac Asimov Significativo e da tenere sempre presente per un au tore di libri scientifici il pensiero di Asimov in merito alla divulgazione della scienza Ardo dal desiderio di spiegare e la mia massima soddisfazione prendere qualcosa di ragionevolmente intricato e renderlo chiaro passo dopo passo il modo pi facile per chiarire le cose a me stesso Per poter realizzare un robot c
130. n D A Fiber optic sensors ISA USA 2000 Middelhoek S Audet S A Silicon Sensors Academic Press Inc 1989 Morris A S Principles of Measurement and Instrumentation Prentice Hall Interna tional U K Ltd 1988 Nachtigal C L Instrumentation and Control Fundamentals and their Applications John Wiley amp Sons Inc 1990 Noltingk B E Instrumentation Reference Book Butterworth amp Co Publishers Ltd 1988 Norton H N Sensor and Analyzer Handbook Prentice Hall Inc Englewood Cliffs N J 1982 Ohba R Intelligent sensor technology John Wiley amp Sons Ltd 1992 Offelli C Strumentazione Elettronica Ed Libreria Progetto Padova 1989 Oliver B M Cage J M Electronic Measurements and Instrumentation McGraw Hill Inc 1971 Popovic R S Hall Effect Devices Adam Higler Bristol Philadelphia New York 1991 Quarmby D J Signal Processor Chips Granada Publishing Ltd 1984 Ristic L Sensor technology and devices Artech House Boston London 1994 Sabins F F Remote sensing Freeman and Company New York 2000 Sheingold H Transducer interfacing handbook Analog devices Norwood 1980 Sinclair I R Sensors and Transducers A Guide for Technicians BSP Professional Books 1991 Sydenham P H Hancock N H Thorn R Introduction to Measurement Science and Engineering John Wiley amp Sons Ltd 1989 Sydenham P H Handbook of Measurement Science Voll 1
131. n ascoltatore fermo Anche se l intensit e la fre quenza dell onda sonora emessa dalla tromba restano costanti l ascoltatore percepir l avvicinarsi o l allontanarsi dell autoambulanza perch aumenter o diminuir la fre quenza dell onda sonora numero di suoni nell unit di tempo che giunge al suo orec 4 Principi fisici dei principali sensori 71 chio Quando come in genere accade la velocit v di propagazione del suono molto pi grande della velocit v del moto relativo tra sorgente e ricevitore la variazione di frequenza tra la frequenza f dell onda emessa dalla sorgente e quella dell onda perce pita dal ricevitore risulta Vv DI Le Yi Se il moto non avviene lungo la retta di congiunzione della sorgente e del ricevitore nella precedente equazione occorre considerare per vr la componente della velocit se condo la suddetta retta L effetto Doppler nel campo acustico quindi un effetto tipica mente longitudinale non si presenta quando la direzione del moto ortogonale alla congiungente sorgente ricevitore Nel campo acustico la variabilit della velocit di propagazione delle onde influisce sulla variazione di frequenza Af il che non accade nel campo delle onde elettromagnetiche L effetto Doppler relativo alle onde elettromagnetiche molto utilizzato sia in cosmologia sia nei radar Se una stella si muove rispetto a un osservatore si ha una va riazione nella frequenza delle o
132. n del misurando e si aggiun ge o sottrae a monte dell amplificatore una grandezza tale da render nullo il segnale in ingresso all amplificatore e quindi l indicazione del sensore Con questa operazione si fatta traslare la retta facendola passare per il punto di coordinate Xmin 0 All ingresso dell amplificatore si ha tensione nulla che non influenza il valore del suo guadagno Poich al valore del misurando xnin deve corrispondere l indicazione nota Ymin del senso re occorre attraverso un sommatore aggiungere in uscita all amplificatore una tensione pari proprio a Ymin in modo tale che al valore xmin del misurando corrisponda l indica zione Y min del sensore A questo punto si applica al sensore un valore del misurando pari a Xmax agendo sull amplificatore a guadagno variabile si fa assumere alla retta la pen denza corrispondente alla sua costante di taratura nominale condizione raggiunta quan do la tensione in uscita all amplificatore risulta pari a Ymax Ymin in modo tale che la cor rispondente indicazione del sensore sia Ymax visto che all uscita dell amplificatore sempre sommata una tensione pari a Ymin Quindi anche in questo caso impiegando due semplici sommatori sottrattori uno a monte e uno a valle dell amplificatore con una sola traslazione della caratteristica e una sola variazione del guadagno si sono apportate le correzioni necessarie a riportare il sensore all interno delle sue specifiche
133. nali sono vulnerabili soggetti a possibili guasti ed avarie Que sti guasti possono causare malfunzionamenti in tutta la catena di produzione con gravi conseguenze al ciclo produttivo Un sensore che abbia subito nel tempo una variazione delle sue caratteristiche in genere non determina il blocco della catena di produzione ma non ne consente il corretto funzionamento Per esempio in uno stabilimento di im bottigliamento automatico del vino se un sensore di posizione non funziona corretta mente pu determinare il non allineamento tra il collo della bottiglia e il tubo di immis sione del vino con una notevole perdita del liquido Stesse considerazioni possono esse re fatte per il sensore di livello destinato ad arrestare il flusso del vino quando ha rag giunto il giusto livello Lo scopo principale di un sensore fault tolerant evitare che a varie localizzate possano ripercuotersi su tutto il processo produttivo portando a gravi rischi Sensori tolleranti all avaria sono impiegati anche in campo medico per assicurare la sicurezza e la salute dei pazienti Questi sensori sono in grado di rivelare stimare e compensare possibili malfunzionamenti al loro interno in modo da non interrompere il funzionamento del sistema dove sono inseriti Essi segnalano anche la condizione di a varia in modo che il gestore del sistema possa ripristinarne appena possibile la piena funzionalit del sensore senza compromettere il ciclo produttivo Essi dispongono
134. nde ricevute Tale variazione d luogo a una dispersione delle righe spettrali in un ricevitore sincronizzato con le frequenze delle onde emesse dalla stella Dalla dispersione delle righe spettrali possibile risalire al moto dei corpi celesti il cui spettro sia rivelabile L effetto Doppler nel campo delle onde elettromagne tiche d luogo a una variazione di frequenza che ha la seguente forma generale y 1 cos c dove c la velocit della luce e 9 langolo che la congiungente sorgente ricevitore forma con la direzione del moto Pertanto nel campo delle onde elettromagnetiche si hanno due effetti effetto Doppler longitudinale nell equazione precedente 0 0 v lt lt c per cui si ha 1 v 1 z f C Af f C con una variazione di frequenza di segno negativo nel caso di allontanamento della sor gente dal ricevitore effetto Doppler trasversale nell equazione generale si deve porre 0 772 v lt lt c 72 Quaderno n 2 GMEE i AVE weap Ae Dall esame delle due equazioni precedenti si evince facilmente che essendo il rap porto v c molto piccolo l effetto Doppler trasversale proporzionale al quadrato di tale rapporto decisamente inferiore a quello longitudinale proporzionale solo al suddetto rapporto per cui nei sensori in cui non richiesta un accuratezza molto elevata si tra scura l effetto trasversale quando si presenta insieme con quello longitudinale Nel ca
135. ne si preferisce al posto delle due costanti di tempo introdurre altri due parametri la pulsazione caratteristica o naturale e il fattore di smorzamento La funzione di trasferimento assume la nuova forma k G p 2 paga al 0 2 n n In Appendice 5 6 si dimostra matematicamente che la risposta ad un gradino di un sensore assimilabile ad un sistema del secondo ordine quella mostrata in Fig 3 8 Co me gi evidenziato in precedenza una condizione del genere si verifica quando il senso re collegato ad un sistema gi funzionante con valore del misurando pari ad A o quando il misurando subisce un incremento brusco che ne fa aumentare il valore sempre di una quantit pari ad A viti kA tN l 2 030 eg 5 6 7 8 9 10 t Figura 3 8 Risposta a una funzione a gradino di un sistema del secondo ordine In Fig 3 8 sono riportate le funzioni di risposta al gradino dell indicazione y t del sensore con la normalizzazione delle ordinate ad 1 per diversi valori del fattore di smorzamento che la quantit determinante sul tipo di risposta del sistema Come si vede dalla figura l indicazione del sensore pu oltrepassare il valore di regime e la sua sovraelongazione pu essere il doppio di questo valore All aumentare di si riducono 3 Caratterizzazione dei sensori 47 le oscillazioni intorno alle condizioni di regime Per lt 1 il sistema sottosmorzato Per 1 lo smorzamento critico Per gt
136. ne operativa limite del sensore Nel caso l indicazione del sensore sia costituita da una tensione elettrica allo scopo di limi tare il valore della tensione da applicare al sistema di condizionamento del segnale que sto preceduto da due diodi in genere zener in controfase 3 Caratterizzazione dei sensori 43 Nella figura 3 5 sono indicate due tipiche applicazioni dei diodi zener lo schema nella parte b della figura riporta la tecnica impiegata per limitare i valori della tensione sul sistema di condizionamento rappresentato con la sua impedenza d ingresso Ze R R l V Vv a b Figura 3 5 Alcune applicazioni dei diodi zener Nella Fig 3 5 a il diodo zener consente di rendere ininfluenti le variazioni di ten sione della sorgente di alimentazione e quindi ideale la batteria stessa con tensione costante pari alla sua tensione di scarica breakdown Vg evidente che la tensione E e la resistenza R devono essere progettate in modo tale che il diodo operi nella zona di scarica Questo circuito molto utilizzato negli smart sensor per fornire un riferimento stabile di tensione La Fig 3 5 b mostra come sia possibile squadrare un onda sinu soidale che presenti valori di picco eccedenti la tensione di scarica di due diodi zener uguali tra loro e in serie Ponendo i due diodi in ingresso al sistema di condizionamento del segnale del sensore si certi che la massima tensione che sar ad esso applicata
137. ni e 1 peli tt QE da cui si ottiene anche 1 1 ra ne Nell ipotesi di gradino di ampiezza A applicato a un sistema a riposo la trasformata del segnale d uscita in base all espressione della G p in funzione delle costanti di tem po riportata nel paragrafo 3 9 data da kA Y p G p X p ___ p G p X p YET PEPE che ha come antitrasformata 1 t kA 1 pe e y t aa il sistema si porta a regime dopo un certo tempo che dipende dai valori delle due costan ti di tempo La precedente equazione si pu scrivere in base alle relazioni prima evi denziate tra le costanti di tempo con pulsazione e fattore di smorzamento anche nella seguente forma PO Li lea ala LANA a KA SAI Wea Nota la funzione di trasferimento errore dinamico per un sistema del secondo ordine riportata nel paragrafo 3 9 possibile ricavare la trasformata di Laplace della funzione errore dinamico 90 Quaderno n 2 GMEE tt 1 p12 t 65 1 pt 1 pt Y p Gp p X p kA t Ro t la cui antitrasformata data da kA y t te 467 y kA 1 2 che poteva facilmente essere ricavata dalla y t ricordando che la funzione attesa risulta ya t kA AI solito la yx t pu essere espressa in funzione di Ge Le radici sono com plesse per lt e il sistema sottosmorzato Le radici sono reali coincidenti per 6 e lo smorzamento critico Le radici sono reali per
138. ni operative devono essere assegnati i valori sia del misurando sia delle grandezze d influenza pi temibili Il co struttore deve fornire anche le condizioni operative limite definite come quelle che il sensore in grado di sopportare senza danneggiarsi e senza degradazione delle caratteri stiche metrologiche specificate quando poi torni ad operare nelle condizioni assegnate Tra le condizioni operative assegnate si riporta la massima indicazione del sensore det ta portata o valore di fondo scala indicato sinteticamente con l acronimo FSO full scale output Tra le condizioni operative limite del sensore si riporta il valore di so vraccarico inteso come il valore limite che pu assumere il misurando senza che il funzionamento del sensore resti permanentemente alterato rispetto alle specifiche Un altro problema che si pone legato al principio di funzionamento del sensore Solo una buona conoscenza dei principi fisici alla base del funzionamento del sensore pu consentire un suo uso corretto Purtroppo non sempre dalle specifiche fornite dal 3 Caratterizzazione dei sensori 29 costruttore facile evincere in modo inequivocabile il principio di funzionamento di un sensore Solo l esperienza personale gioca un ruolo fondamentale in questo campo necessario inoltre precisare i parametri di uscita del sensore e quindi la sua natura in genere elettrica di tipo analogico o digitale Altri parametri utili sono la potenza eroga b
139. nizione delle caratteristiche di un sensore Con un una funzione lineare pos sibile sia applicare il principio di sovrapposizione degli effetti sia risalire al valore del misurando dall indicazione del sensore attraverso facili operazioni di prodotti o divisio ni e somme o sottrazioni tutte disponibili in semplici strutture elettroniche o nelle pre stazioni di un elaboratore numerico Purtroppo raramente la funzione y f x che lega il misurando x all indicazione y del sensore di tipo lineare In molti casi per con op portuni accorgimenti possibile ricondurre la curva di taratura ad una retta o per me glio dire far rientrare una retta all interno della fascia d incertezza e fornire l errore di linearit in funzione dello scostamento massimo tra tale retta e la reale curva di taratura Si pensi per fare semplici esempi a funzioni quadratiche o esponenziali possibile ef fettuare l operazione descritta in zone limitate delle curve rappresentative di tali funzio ni Ne scaturiscono due possibili soluzioni per la linearizzazione o considerare un inter vallo di misura limitato o linearizzare a tratti la caratteristica suddividendo il campo in tanti intervalli di misura ciascuno caratterizzato da una diversa costante di taratura Questa soluzione attualmente la pi adottata per la facilit di realizzazione attraverso l elaborazione numerica Infatti in genere il sensore dotato di un sistema automatico di scelta d
140. no introdotte variazioni di fase alterazioni di frequenza variazioni di ampiezza con la frequenza I sistemi di ordine zero rappresentano pertanto sensori con compor tamento dinamico ideale In questo caso la funzione di trasferimento attesa G p coincide con quella effettiva G p per cui la funzione di trasferimento errore dinamico nulla Gg p 0 Se ne deduce che per un sistema di ordine zero anche la funzione tem porale errore dinamico yz t risulta nulla bene precisare che teoricamente un sistema di ordine zero fornisce una risposta dinamica ideale ma pu dar luogo a un errore si stematico in regime stazionario a causa della non perfetta coincidenza tra la costante di taratura ay effettiva e quella vera 3 8 Sistemi del primo ordine Le considerazioni che seguono assumono notevole interesse poich sono molti i sen sori che possono essere caratterizzati con un sistema del primo ordine La funzione di trasferimento di un sistema del primo ordine data da 3 Caratterizzazione dei sensori 41 Y p __k X p 1 pr G p dove la costante 7 ha dimensioni di un tempo e prende il nome di costante di tempo del sensore Per ottenere la funzione di trasferimento attesa G p che quella di un si stema di ordine zero si pu considerare la funzione di risposta armonica in condizioni di frequenza nulla ottenuta sostituendo nell equazione precedente a p la quantit j e ponendo 0 Operando in tal modo si ha infatti G
141. nt di un sensore si incontrano diversi termini co me quelli di accuratezza e precisione Molto spesso si usa un termine per l altro dando luogo a grande confusione bene chiarire che l accuratezza e la precisione di una mi sura eseguita con un sensore sono concetti prevalentemente qualitativi Esse dipendono sia dalla qualit dei sensori utilizzati sia dalla esperienza degli operatori nella loro uti lizzazione Si intende per accuratezza il grado di approssimazione fra un valore di una grandezza misurata e quello che si definisce valore vero di un misurando Il concetto di valore vero quantit ritenuta unica e non conoscibile legato alla tradizionale defini zione di errore inteso come differenza tra il valore della grandezza misurata e quello del suo valore vero in parte superato con l introduzione dell incertezza nella GUM Guide to the Expession of Uncertainty in Measurement dove la parola vero considerata ri dondante Il VIM definisce errore la differenza tra il valore della grandezza misurata e quello di una grandezza di riferimento derivante ad esempio da un campione di misura Il VIM inoltre invita a non confondere l accuratezza con la veridicit di misura intesa come il grado di approssimazione di un numero ripetuto di misure di una grandezza ad 26 Quaderno n 2 GMEE un valore di riferimento della grandezza stessa La veridicit di una misura varia in sen so inverso con l errore sistematico di misura m
142. ntit del fenomeno dipende dalla direzione in cui agisce il campo e dal grado di magnetizzazione del materiale Reversibilmente si hanno variazioni nella carat 76 Quaderno n 2 GMEE teristica di magnetizzazione a causa di deformazioni meccaniche del materiale e effet to denominato magnetoelastico o Villary La magnetostrizione dovuta alla dipendenza della energia di anisotropia del cristal lo dallo stato di deformazione del reticolo cristallino Nell effetto magnetoelastico sol lecitazioni contenute entro il limite di elasticit del materiale possono produrre una di minuzione o un aumento di permeabilit in relazione alla particolare natura del mate riale Ad esempio il nichel soggetto a sollecitazioni che producono deformazioni elasti che presenta permeabilit tanto minore quanto pi elevata la sollecitazione mentre il permalloy 68 lega Ni 68 Fe 32 ha permeabilit che aumenta trenta volte per sol lecitazioni di trazione pari a 11 kg mm corrispondenti al limite di elasticit superato questo limite la permeabilit diminuisce rapidamente Il nichel sfruttato nei trasduttori a magnetostrizione utilizzati per ricezione o tra smissione di vibrazioni sonore ad alta frequenza Lo stesso fenomeno si sfrutta per mi sure di forza pressione accelerazione utilizzando la variazione di permeabilit di un nucleo di nichel dovuta alle deformazioni del materiale Se un intero circuito magnetico o una sua parte di
143. nto bassa la probabilit che si verifichino guasti dovuti quasi esclusivamente a for tuite combinazioni di parametri operativi che danno luogo all insorgere di pericolose sollecitazioni La terza e ultima fase inizia dopo il tempo tz prende il nome di periodo senile ed caratterizzata da un crescente tasso di guasto Se si vuole aumentare la di sponibilit del sensore dopo il tempo tz occorre intervenire nella fase in cui il tasso di guasto si mantiene costante provvedendo a un accurata manutenzione con sostituzione dei componenti pi facilmente deteriorabili con l uso PERIODO DI VITA UTILE PERIODO SENILE Figura 3 14 Andamento del tasso di guasto Il tempo intercorrente tra f e t detto anche vita utile del sensore e in tale periodo esiste un interessante relazione tra il tasso di guasto costante e l affidabilit R t Infatti integrando A t tra 0 e t tempo in cui si sono verificati Nyguasti ricordando la relazione tra numero N complessivo di componenti provati il numero Np dei componenti che si guastano e il numero N dei componenti sani si ha i M dN N af dt j A ln N N InN R 1 e L equazione precedente di R t mostra come sia possibile calcolare in modo sempli ce l affidabilit di un dispositivo durante la sua vita utile noto il tasso di guasto quando questo sia costante Precedentemente si indicato con N sia il numero di guasti di un dispositivo sia il numero di compon
144. ntrollata di impurezze Il fotoconduttore di solito preparato sotto forma di sottile pellicola per evaporazione del materiale sotto vuoto per precipi tazione chimica o per compressione del materiale polverizzato Le celle di solfuro di cadmio sono molto usate per applicazioni industriali per la loro alta sensibilit nello spettro visibile Tuttavia esse presentano errori di isteresi la risposta dipende dalla e sposizione alla luce avvenuta in precedenza e di piedistallo presenza di correnti nel circuito anche in assenza di luce Le celle di solfuro di piombo e seleniuro di piombo sono particolarmente sensibili alla radiazione infrarossa e la sensibilit aumenta alle 4 Principi fisici dei principali sensori 69 basse temperature con il crescere delle lunghezze d onda delle radiazioni Per utilizzarle nel lontano infrarosso necessario raffreddare le celle con idrogeno liquido si portano a temperature intorno a 250 C Le celle fotoconduttrici sono caratterizzate dalla loro sensibilit nell infrarosso A 1 2 um e dal loro breve tempo di risposta Il loro utilizzo si ha nei sistemi di registrazione ad alta velocit nei microscopi ad alta risoluzione nell elettrografia e nei rivelatori di radiazioni infrarosse La fotoionizzazione un effetto che consente di produrre in un gas la ionizzazione per azione di una radiazione elettromagnetica La ionizzazione consiste nella modifica zione di una molecola o di un atomo neutro in uno
145. nza degli at triti pu determinare guasti marginali difficilmente rilevabili oltre che prevedibili in se de di progetto Un difetto nell unit aritmetica in un sensore intelligente pu essere cau sa di errori e malfunzionamenti non previsti Il miglioramento dell affidabilit o del l adeguatezza in relazione a possibili difetti costruttivi legato a una corretta progetta zione e a una buona realizzazione del sensore I fattori operativi sono legati al funzio namento del sensore Guasti marginali possono insorgere a causa di variazioni delle ca ratteristiche dei componenti dovute a deterioramento fisico o chimico dei materiali Questo deterioramento naturale ma pu essere accelerato da una utilizzazione del sensore oltre i limiti imposti in sede di progetto In questo caso verifiche della taratura regolazioni e collaudi frequenti possono aumentare l affidabilit e la disponibilit del sensore I fattori ambientali sono spesso i pi temibili Un elevata affidabilit sempre assicurata solo quando il sensore operi in laboratorio in condizioni ambientali controlla te Forti gradienti di temperatura riducono l affidabilit per gli effetti deleteri sui mate riali L alta umidit un altra causa di incremento del tasso di guasto specie se associa ta con elevate temperature In un sensore o in un sistema sensorio si possono distinguere alcune parti che dopo un certo tempo devono essere sostituite altre che richied
146. nza del segnale e la potenza totale del rumore ipotizzate agenti sullo stesso sensore assimilato ad una resistenza elettrica pertanto indicate con P e P le potenze del segnale e del rumore e con V e V le rispettive tensioni si ha SNR Py P V2 V Esso espresso quasi sempre in decibel e simbolicamente anche con una barra tra S ed N S N per cui si pu scrivere S N 10lg P P 20Ig V V L SNR pu variare da punto a punto del sistema di misura e quindi opportuno misurarlo nei punti in cui si teme che possa essere particolarmente basso Spesso dal segnale prelevato dal sensore sottratta una tensione di riferimento proveniente da un sensore non sollecitato dal misu rando identico a quello di misura e a questo posto in vicinanza in modo che sia sogget to alle stesse interferenze e agli stessi rumori Il segnale differenza risultante amplifi 14 Quaderno n 2 GMEE cato e filtrato mediante un processo di smoothing per ridurre il rumore La risposta rela tivamente bassa del sensore rende indispensabile il filtraggio del rumore Normalmente il segnale analogico convertito in digitale e ci permette di migliorare 1 SNR attraver so l elaborazione successiva comprensiva anche del filtraggio numerico in quanto i filtri digitali sono pi flessibili ed efficaci di quelli analogici In realt per effettuare correttamente una serie di operazioni occorrono pi sensori i cui segnali siano convertiti dal dominio d
147. nza di questi errori utile quando si vo gliano apportare le appropriate correzioni ai dati finali o quando si voglia regolare la curva di taratura in modo da riportare l errore al di sotto dell incertezza strumentale Un modo pi generale per stabilire l entit dell effetto termico quello di definire un possi bile incremento dell ampiezza della fascia d incertezza addebitabile alla temperatura In altri termini il costruttore potrebbe riportare un valore dell incertezza strumentale maggiorato relativamente ad un campo di valori della temperatura superiore a quello indicato nelle condizioni operative assegnate o di targa Considerazioni analoghe a quelle fatte per la temperatura valgono per gli effetti della pressione ambientale che si possono presentare in alcuni strumenti progettati per funzio nare alla pressione atmosferica al livello del mare e utilizzati a grandi altitudini o negli aeromobili o nelle navicelle spaziali dove la pressione dell ambiente si avvicina a quella del vuoto o a grandi profondit sottomarine dove la pressione molto alta Il funziona mento del sensore pu essere alterato a causa delle deformazioni del contenitore o delle variazioni della geometria interna del sensore Anche in questo caso pu essere fornito l errore nell indicazione del sensore dovuto al superamento dei valori di pressione ambien tale indicati nelle condizioni operative di targa perch si possa effettuare la correzione E
148. nza molto minore dell inverso di tale costante l errore dinamico di misura risulta piccolo anche possibile noti 7 e la frequenza del misurando apportare la correzione di ampiezza e fase sul segnale in uscita in condizioni di regime staziona rio Se il segnale di ingresso costituito da una combinazione di pi sinusoidi di diffe rente frequenza la correzione diventa pi complessa per cui l dove possibile occorre operare in modo che la costante di tempo del sistema risulti molto pi piccola dell in verso della frequenza relativa alla componente armonica a frequenza pi elevata conte nuta nel misurando IGNI KA E 00i 01 i 10 Ort 30 0 1 60 1 01 90 0 01 0 1 1 10 or Figura 3 7 Risposta in frequenza di un sistema del primo ordine La risposta in frequenza una delle caratteristiche pi importanti per la caratteriz zazione dinamica di un sensore Come si detto le curve che il costruttore fornisce ri portano in funzione del campo di frequenza utile l andamento del modulo e dell argo mento o fase della funzione di risposta armonica Spesso le ordinate sono in scala loga ritmica Il campo di frequenza utile quello in cui non si ha distorsione ovvero il mo dulo della curva di risposta armonica non esce da una fascia di incertezza prefissata la cui ampiezza dipende dal grado di distorsione ammesso In presenza di un ingresso si nusoidale ogni deviazione dell indicazione del sensore dalla legge sinusoidale
149. o bisogno di un alimentazione esterna toglie per al sensore piezoelettrico la caratteristica di essere attivo La tensione in uscita al sensore proporzionale oltre che alla sensibilit voltmetrica e alla pressione applicata anche allo spessore della piastrina del materiale piezoelettrico per cui spesso per aumentare la sensibilit del sensore si sovrappongono tre piastrine uguali e si som mano le tre tensioni elettriche in uscita a ciascuna di esse I sensori piezoelettrici sono ampiamente utilizzati per misure di forza e pressioni ma opportuno sottolineare che la risposta alla deformazione non si estende alla com ponente continua a causa della capacit C L effetto piezoelettrico anche impiegato per misure accelerometriche per la conversione di segnali meccanici o acustici in se gnali elettrici in microfoni pick up per giradischi misuratori di rugosit Tra i cristalli piezoelettrici ve ne sono alcuni in particolare quelli appartenenti a die ci delle 32 classi cristalline che presentano un unico asse di polarizzazione ovvero una direzione privilegiata per la orientazione dei momenti elettrici delle molecole Questi cristalli manifestano un ulteriore effetto detto piroelettrico consistente nella variazio ne della polarizzazione elettrica spontanea o indotta che insorge in seguito a variazioni di temperatura dovute ad esempio ad assorbimento di radiazioni Il vettore polarizzazione legato alla variazione di temperatura
150. o dell attivit cognitiva umana L importanza di imparare a misurare ovvero di saper impiegare al meglio i sen sori deriva dalla semplice constatazione che solo misure corrette sono in grado di convalidare la bont del sistema informativo e di permetterne l espansione attraverso lauto apprendimento Viceversa se le misure sono errate si potr ri tenere non valido anche un sistema informativo ben progettato Il quaderno che suddiviso in due parti la seconda delle quali sar pubblicata in seguito e conterr la descrizione dei sensori pi diffusi in campo industriale pu essere utile a quanti nelle industrie nei servizi si trovano ad operare con questi minuscoli dispositivi e non sanno come impiegarli nel modo migliore Allo scopo di rendere agevole la lettura tutte le trattazioni matematiche sono riporta te in appendice Autore Mario Savino Insegna al Politecnico di Bari Ha maturato una notevole esperienza a livello nazionale e inter nazionale nell ambito della gestione e del coordinamento di organismi di governo della comunit scientifica il che lo ha portato a ricoprire una serie di cariche istituzionali tra le quali si annove rano quelle di Chairman del Comitato Tecnico TC 4 Measurement of Electrical Quantities della Confederazione Internazionale delle Misure IMEKO e di Preside della 12 Facolt d Ingegneria del Politecnico di Bari La sua attivit scientifica andata progressivamente orientandosi verso le
151. o possibili tali correzioni si richiede semplicemente l utiliz zazione di altri sensori sensibili alle grandezze d influenza i cui effetti sul sensore col legato al misurando non siano trascurabili nel senso che le variazioni nel segnale in u scita determinati da queste grandezze risultino superiori all incertezza strumentale del sensore stesso Per esempio la temperatura un parametro che sempre presente nei fenomeni fisici e chimici pertanto nella quasi totalit dei casi quando si misura una grandezza bisogner tener conto dell influenza della temperatura sul sensore e quindi sulla relazione esistente tra i segnali x ed y Ecco perch ormai invalso nell uso dotare tutti i sistemi automatici di misura di un sensore termico 3 3 Taratura o calibrazione Per stabilire in modo compiuto il valore del segnale di uscita di un sensore in condi zioni di regime stazionario del misurando occorre che sia nota una serie di parametri che definiscono le caratteristiche metrologiche in regime permanente La pi importante fra queste caratteristiche la curva di taratura o calibrazione Purtroppo spesso si fa confu sione tra taratura e regolazione della caratteristica per cui nel seguito si cercher di chiarire la loro differenza Per taratura o calibrazione si intende l operazione che in condizioni specificate in una prima fase stabilisce una relazione tra i valori della gran dezza misurata con dei campioni di misura tenendo
152. o varia dall inizio della scala fino al fondo scala e viceversa Un errore analogo a quello causato dalla presenza dell isteresi quello di frizione pre sente ad esempio nei potenziometri dove una spazzola scorre su delle spire Al costruttore si richiede di assicurare la ripetibilit delle misure durante tutta la vita utile del sensore quali che siano le grandezze d influenza che su esso possano agire La ripetibilit nel tempo detta stabilit definita come la propriet del sensore di conser 3 Caratterizzazione dei sensori 35 vare le sue caratteristiche metrologiche costanti nel corso del tempo Quanto pi sar stabile il sensore tanto minore sar nel tempo il numero di regolazioni da apportare alla curva di taratura Per ottenere la curva di taratura una volta disponibile il diagramma di taratura si possono utilizzare diversi algoritmi matematici il metodo pi utilizzato quello dei mi nimi quadrati noto anche con l acronimo inglese LSM least square method L algo ritmo LSM ormai disponibile non solo tra i pacchetti software di statistica ma anche nelle calcolatrici scientifiche tascabili Si assume per ogni indicazione del sensore il va lor medio fra quelli del misurando relativi alla suddetta indicazione Operando in tal modo si ottengono tante coppie di coordinate in numero n quante sono le indicazioni del sensore prefissate in sede di taratura come si detto in precedenza in genere si fis sano d
153. omedica alla robotica all ambiente e alle funzioni umane Di particolare interesse sono le misure in campo fotonico e quelle basate sulle immagini in quanto nel prossimo futuro i metodi pi diffusi saranno quelli meno invasivi possibili accompagnati da una chiara visione dell oggetto in esame Come si evince dalla lettura del bel libro del collega Egidi Introduzione alla Metrologia scritto in modo che sia accessibile anche agli studenti delle scuole medie ed elementari quella di misurare un esigenza dell uomo e le sue radici sono antiche solo lontanamente immaginabili La nostra vita non pu pi fare a meno delle misure si pensi soltanto a quante volte misuriamo giornalmente il tempo con i nostri orologi e quante misure di massa e di portata sono eseguite con le bilance e i misuratori di flusso dei nostri fornitori Le misure non sono solo quelle eseguite dai letturisti dei contatori dell acqua e del gas visto che la lettura del contatore dell energia elettrica ormai eseguita automaticamente a distanza Gli strumenti di misura oggi sono in grado di registrare l evolversi dei fenomeni naturali e industriali di permettere la diagnosi contestuale o di conservare le in formazioni utili per l elaborazione successiva Le misure permettono anche il controllo di macchine di robot di sistemi complessi Oggi i sistemi informativi pi evoluti sono quelli basati sulle misure Le Information and Communication Technologies ICT
154. omputer Il sistema di co municazione molto importante non solo nella fase di esercizio del sensore ma anche in quella iniziale di verifica della taratura Infatti a questo scopo si utilizza quasi sempre un sistema automatico di regolazione della curva di taratura gestito dall host computer che ha una notevole capacit di calcolo per poter eseguire tutte le operazioni necessarie allo scopo Il bus di comunicazione pu trasmettere i segnali anche all esterno 1 Fondamenti sui sensori 15 MACCHINA CONTROLLATA STANZA CENTRALIZZATA DI CONTROLLO Figura 1 2 Schema a blocchi di un sistema multisensoriale Oggi si vanno sempre pi affermando reti di sensori distribuiti spazialmente anche in luoghi diversi detti web sensor che trasmettono i segnali ad un computer remoto per l elaborazione utilizzando protocolli di comunicazione e interfacce standard come ad esempio la IEEE 1451 Essi sono gi impiegati a volte ancora in fase sperimentale in diversi campi quali il monitoraggio ambientale il telerilevamento da satellite la gestio ne dei trasporti le informazioni per le forze dell ordine la gestione di impianti di sicu rezza non presidiati il monitoraggio di situazioni calamitose operazioni SCADA Su pervisory Control And Data Acquisition controlli industriali e si stanno molto svilup pando nel campo della telemedicina con svariate applicazioni L approccio utilizzato del tipo orientato agli oggetti obje
155. ono date semplicemente dal prodotto delle singole funzioni c Je ENJE e IG oN LI Per un sistema di dispositivi in cascata in cui non vi siano effetti di carico di un blocco sull altro n condizioni di retroazione il modulo della G f dato dal prodotto dei moduli delle funzioni dei singoli blocchi mentre la f data dalla somma delle fasi 86 Quaderno n 2 GMEE 5 2 Risposta di un sistema del primo ordine a una funzione gradino Si consideri il sistema in equilibrio prima del tempo 0 istante in cui il misurando assume il valore A di regime La trasformata di Laplace della funzione gradino di am piezza A data da X p A p per cui nota la G p di un sistema del primo ordine ripor tata nel paragrafo 3 7 si ottiene eco p l pr p 1 P T L ultima uguaglianza stata ottenuta applicando l espansione in fratti semplici Uti lizzando le tavole che forniscono le antitrasformate di Laplace delle funzioni pi comu ni e tenendo conto delle ipotizzate condizioni iniziali si ottiene facilmente la seguente funzione temporale y t caratterizzante il comportamento dinamico di un sistema del primo ordine a cui sia applicata una funzione a gradino y t KA 1 e In base alla funzione di trasferimento errore dinamico possibile calcolare sia la kApt kA p 1 pr PERI T Y p sia antitrasformando la equazione precedente la funzione temporale errore dinamico t Ve 1 KA e Da
156. ono una periodica manutenzio ne per assicurare prefissate prestazioni Alcune parti inoltre in caso di guasto vanno so stituite altre possono essere riparate ovvio allora che il lavoro di un responsabile del la manutenzione risulta notevolmente facilitato quando abbia a disposizione i tempi me di entro i quali occorre intervenire per sostituire o riparare in modo da assicurare il cor retto funzionamento di un sensore Con riferimento alle parti non riparabili si definisce un MTTF acronimo di Mean Time To Failure ovvero tempo medio al guasto come la misura del tempo medio al guasto di un gran numero di sensori o componenti uguali che operano tutti nelle stesse condizioni operative e ambientali In base a tale definizione se N sono i componenti in prova e t il tempo necessario perch il generico componente i esimo subisca un guasto si ha ne 2 MTTF FL ROd i l 0 La misura dell MTTF in genere eseguita su un numero ridotto di componenti ma pu richiedere un tempo proibitivo Per questo in molti casi si preferisce provare un numero di componenti di uno o di due ordini di grandezza maggiore del precedente per un periodo pi breve e determinare il numero totale di guasti nel tempo cumulativo delle prove alle quali sono sottoposti i componenti Se questi sono N e sono provati tutti per uno stesso tempo il tempo cumulativo risulta pari a N t Nell ipotesi che nel tempo f siano N i componenti che subiscono guast
157. ontra to dai due fratelli Courie in diversi cristalli come il clorato di sodio la boracite la tor malina il quarzo il sale di Rochelle Si possono presentare deformazioni meccaniche in particolari cristalli ferroelettrici sottoposti ad un campo elettrico Il segno della d d p segue quello della deformazione e viceversa Utilizzando l effetto piezoelettrico si realizzano attuatori che convertono una deformazione in cariche elettriche L effetto non si verifica in materiali che presentano una distribuzione di cariche simmetriche o meglio che abbiano un centro di simmetria nella struttura cristallina Fu Voigt nel 1910 che scopr che tra le trentadue classi cristal lografiche sono ben ventuno quelle che non hanno centro di simmetria e che a eccezio ne di una presentano caratteristiche piezoelettriche Nei cristalli non conduttori la piezoelettricit interpretata come una alterazione de l equilibrio dei momenti di dipoli elettrici Quindi una sollecitazione meccanica che provoca una deformazione modifica i momenti di dipolo con conseguente variazione di cariche in superficie dando luogo a una differenza di potenziale Si possono cos realiz 4 Principi fisici dei principali sensori 73 zare sensori di pressione di vibrazione e di onde acustiche La polarizzazione piezoelet trica legata al processo di orientazione dei dipoli elettrici tendenzialmente nella dire zione della forza applicata e non limitata ad un unico asse ma
158. orto di energia dall esterno del materiale si ha il verificarsi di una d d p per il passaggio di elettroni dalla banda di valenza BV a quella di condu zione BC l effetto fotoconduttivo invece comporta semplicemente una variazione di conduttivit nel materiale per quantificare la quale occorre un apporto di energia dall e sterno La conduttivit in un materiale semiconduttore data da o Ney dove N il numero totale di elettroni in BC e la carica dell elettrone e x la mobilit dei portatori di carica Purtroppo anche l effetto fotoconduttivo influenzato dall effetto termico Infatti il numero N di elettroni in BC fortemente influenzato dalla temperatura in accordo alla formula seguente N Noexp E 2kt dove No il numero totale di elettroni nel materia le cio in banda di conduzione BC e banda di valenza BV il gap di energia tra le due bande k la costante di Boltzmann e T la temperatura della giunzione N quindi aumenta con T ed zero allo zero assoluto Un altro fenomeno che riduce l entit dell effetto fotoconduttivo il tempo di vita limitato degli elettroni in BC mentre sarebbe auspicabile che esso fosse pi lungo pos sibile per aumentare la sensibilit Per un calcolo della corrente di fotoconduzione si pu considerare un cubo di germanio avente lo spigolo di 1 cm con due elettrodi neces sari per creare il campo elettrico posti su due facce opposte Se N sono i fotoni assor
159. p 10 Piroelettrico effetto 65 72 74 75 Plank 66 Platino 82 Pletismografia 64 Portata 3 12 14 28 32 37 81 Posizione 21 60 65 76 Potenza 10 13 17 20 29 66 79 82 Precisione 8 25 28 30 44 Precisione intermedia 26 Pressione 9 18 19 21 63 64 66 73 76 Probabilit 28 56 59 61 Procedura 25 33 38 55 60 Pulsazione 45 46 49 88 89 91 Q Qualit 3 7 24 25 29 50 59 Quarzo 10 16 20 72 74 R Radar 11 64 71 72 Radiazione 17 18 22 64 67 71 75 81 Radiotachimetro 72 Rapporto segnale rumore 13 Regolazione 15 27 31 32 34 Resistore 21 37 38 Retroazione 10 75 85 Riciclaggio 55 Ridondanza 59 Riparazione 59 62 Ripetibilit 26 27 35 Riproducibilit 8 16 33 37 38 69 Risposta in frequenza 45 48 50 70 85 88 91 Risultato di misura 12 25 28 30 31 Ritardo 35 39 40 42 44 45 48 50 67 Rivelatore 9 10 Robot 3 7 8 65 Robotica 3 7 9 10 53 Rodaggio 61 ROM read only memory 38 Rumore 13 14 30 40 64 79 S Saturazione 37 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 15 Scala graduata 8 Schermo 8 Seebeck 66 80 82 Seleniuro di cadmio 68 Seleniuro di piombo 68 69 Selettivit 33 Semiconduttore 9 19 64 68 77 Sensibilit 8 12 21 30 35 38 41 44 63 68 70 73 82 Sensore definizione 9 Sensore a controllo di guasto 60 Sensori attivi 20 23 66 69 74 Sensore esperto 14 Sensori in
160. parazione del guasto includendo il tempo per la diagnosi per la localizzazione del guasto e per il lavoro meccanico Dall equazione precedente risulta che si ha massima disponibilit a parit di MTBF quanto minore l MTTR Un metodo per migliorare la disponibilit di un sensore quello della ridondanza che consiste nell aggiungere un dispositivo addizionale in parallelo a uno gemello in modo che lo rimpiazzi in caso di guasto In tal modo il guasto del sensore non causa l andata fuori servizio dell intero sistema Quando in un sistema ridondante si ha la commutazio ne di un componente sano su uno guasto in tempi brevissimi si aumenta notevolmente la disponibilit del sistema Sono state sviluppate diverse tecniche matematiche per il calcolo sia della affidabili t sia della disponibilit Nel caso di sistemi riparabili le tecniche pi utilizzate sono quelle markoviane in grado di descrivere il comportamento stocastico del sistema nel caso di una gran variet di guasti e di condizioni di riparabilit Quella di una elevata disponibilit una qualit che molti utilizzatori richiedono ai componenti ai sensori agli strumenti ai sistemi Infatti a volte anche poche ore di non utilizzabilit di questi possono comportare rilevanti danni alla produzione per non dire che a volte occorrono diverse settimane per la riparazione di un componente reso alla ditta costruttrice ov vio quindi che anche se un dispositivo presenta eleva
161. permettono oggi di creare sistemi informativi molto effi cienti per diverse applicazioni Sono stati realizzati diversi sistemi artificiali che utilizzano algoritmi genetici capaci di apprendimento e che rappresentano un modello dell attivit cognitiva umana Tali sistemi artificiali si sono rivelati uti lissimi nell ausilio del lavoro di fisici di ingegneri di medici e di tanti altri pro fessionisti La prospettiva quella che potrebbe apparire avveniristica ma non lo di sostituire l uomo con prestazioni possibilmente superiori in molte delle sue attivit L importanza di imparare a misurare deriva dalla semplice constatazione che solo misure corrette sono in grado di convalidare la bont del sistema informati vo e di permetterne l espansione attraverso l apprendimento Viceversa se le misure sono errate si potr ritenere non valido anche un sistema informativo ben progettato quindi imperativo che chi opera nell industria nei servizi impari ad utilizzare e a realizzare correttamente gli strumenti di misura e che nelle scuole e nelle universit si affermi sempre pi la cultura metrologica 4 Quaderno n 2 GMEE La qualit dei prodotti e dei processi notevolmente migliorata grazie anche all evoluzione dei sistemi di misura gestiti in genere da un calcolatore ed in grado sia di elaborare una serie notevole di informazioni provenienti da diversi sensori sempre pi miniaturizzati e distribuiti sia di esegu
162. petizione su tutti i mercati I clien ti diventano sempre pi esigenti e consapevoli della necessit di svolgere con compe tenza le proprie scelte Essi valutano con cognizione di causa la qualit del prodotto offerto e quindi sono in grado di conoscere quali informazioni pretendere dai fornitori in particolare le prestazioni qualificanti ed i relativi livelli La competizione impone ai produttori di sensori la realizzazione di sistemi organiz zativi sempre pi efficaci ed efficienti che consentano il miglioramento continuo della qualit mirata alla soddisfazione dei clienti L ottimizzazione dell organizzazione deve coinvolgere tutte le fasi dei processi di marketing progettazione produzione e commer cializzazione anche se si tende sempre pi a concentrare nella parola marketing tutte le fasi di ingegnerizzazione e commercializzazione del prodotto comprensive di quella del controllo della qualit I requisiti richiesti dal cliente sono definiti nelle specifiche Le specifiche devono essere chiaramente quantificate sistematicamente verificate e validate attraverso oppor tune misure e continuamente controllate proprio nella fase di validazione che il me trologo gioca un ruolo fondamentale all interno del controllo della qualit Molti paesi richiedono la certificazione di qualit perch un prodotto possa essere commercializzato al loro interno Per esempio la marcatura CE una sigla che deve essere apposta in modo vi
163. piezoelettrico che si presenta in certi cristalli 4 Principi fisici dei principali sensori 65 1 quali sottoposti a pressione generano sulle facce opposte cariche elettriche proporziona li allo sforzo esercitato su di loro L effetto piezoelettrico diretto pu essere utilmente sfruttato nella realizzazione di sensori impiegati in tutte quelle applicazioni che richiedo no misure accurate di variazioni di forze pressioni e accelerazioni L effetto piezoelettri co inverso sfruttato nella realizzazione di risonatori piezoelettrici e di attuatori I senso ri piezoelettrici sono sensibili sia alla forza lungo un asse sia alla coppia intorno all asse stesso il che li rende particolarmente idonei al controllo in tempo reale sia dell intensit sia della direzione delle forze e delle coppie applicate per esempio da un robot agli og getti manipolati Sensori piezoelettrici di forza e di coppia sono denominati anche celle di carico Le applicazioni nei laboratori e nei processi industriali continuano a crescere soprattutto in campo aerospaziale biomedico strutturale e meccanico Si esamina poi l effetto piroelettrico che consiste nella polarizzazione di particolari cristalli quando siano soggetti a variazione di temperatura in quanto l espansione del cristallo per effetto termico determina variazioni nella lunghezza dei dipoli elettrici Na turalmente l effetto rivelabile solo quando il riscaldamento del cristallo tale da de termina
164. posta del chip dove posta la seconda termo pila si riscalda e di conseguenza le due termocoppie misureranno due temperature di verse La differenza di tensione elettrica misurabile ai loro capi opportunamente am 4 Principi fisici dei principali sensori 81 plificata ed proporzionale alla velocit del gas da cui si risale alla portata Un sistema analogo impiegato per sensori accelerometrici HETALLO 1 METALLO amp i 1 T 2 LIVELLO DI FERMI LIVELLO DI FERMI Figura 4 5 Termocoppia e livelli di Fermi nei due metalli Un altro effetto termoelettrico quello Peltier scoperto nel 1834 che consiste nel manifestarsi di una certa quantit di calore assorbita o ceduta da una termocoppia quando questa attraversata da una corrente elettrica Il calore assorbito o ceduto in dipendenza della direzione del flusso della corrente elettrica L effetto pu considerarsi duale dell effetto Seebeck Si definisce anche un coefficiente relativo di Peltier come il calore che deve essere fornito alla giunzione in corrispondenza di una densit di corren te unitaria che passi da un conduttore all altro Questo effetto utilizzato nei frigoriferi termoelettrici dove una corrente elettrica di opportuna polarit inviata in una termo coppia in modo che asporti calore assorbito da una giunzione della termocoppia Que sti dispositivi sono diffusi soprattutto nel campo del raffreddamento dei sensori che de vono funziona
165. ppropriato Qualsiasi misura soggetta a limita zioni quando si fornisce il risultato di una misura necessario dare anche un indicazio ne sull incertezza della misura stessa Si definisce incertezza un parametro non negativo che caratterizza la dispersione dei valori della grandezza attribuiti al misurando sulla base delle informazioni utilizzate Una di queste informazioni rappresentata proprio dall incertezza strumentale del sensore La definizione dell incertezza presuppone l esistenza del misurando all interno di una fascia di valori che dipende da uno scarto tipo o deviazione standard stabilita in base ad un ben preciso livello di confidenza Ne deriva chiaramente che l analisi dell incertezza richiede semplicemente il ricorso ai principi noti della probabilit e della statistica L abbandono dell approccio determini stico rende superata e inutile la definizione di valore vero del misurando che un entit non conoscibile ma rende pi difficile la comprensione di come migliorare l accuratez za di una misura L incertezza del risultato di una misura riflette la mancanza dell esatta conoscenza del valore del misurando e quindi il risultato di una misura dopo la corre zione solo una stima del valore del misurando L incertezza di misura in generale comprende pi componenti ed data da una deviazione standard o dalla semi ampiezza di un intervallo avente un livello d incertezza stabilito Essa in alcuni
166. proposito in seguito si introdurr un altra caratte ristica importante che quella di disponibilit Per quantificare quanto espresso precedentemente e per chiarire meglio che l affida bilit una caratteristica temporale della qualit si considerino N componenti in nume ro molto elevato e si provino per un tempo Se si indicano con N il numero di compo nenti che non hanno subito guasti e con Ny il numero di quelli che hanno subito guasti si definiscono affidabilit R t e inaffidabilit Q t le seguenti quantit N N N N z 00 N N N R t poich il numero totale dei componenti la somma di quelli guasti e di quelli sani N N N dalle precedenti equazioni si desume che la somma dell affidabilit e del l inaffidabilit pari ad uno R t O t L affidabilit una funzione che varia con il tempo da all inizio della prova quando tutti i componenti sono integri 0 fino a 0 quando tutti i componenti hanno subito un guasto In realt come si verificher anche in seguito con N si pu indicare sia il numero di guasti di un dispositivo sia il numero di componenti in prova che subiscono guasti I guasti possono essere dovuti a difetti costruttivi o a errata utilizzazione In genere si distinguono come si detto precedentemente i guasti e le avarie od anche i guasti catastrofici e marginali I guasti catastrofici o semplicemente guasti sono improvvisi e completi e impediscono completam
167. ra si utilizzano entrambi 1 tipi di materiali bench le loro caratteristiche siano molto differenti 82 Quaderno n 2 GMEE Nella maggior parte dei materiali la resistivit ha una legge di variazione con la temperatura del tipo pr py ef dove pr e 07 sono le resistivit alle temperature rispet tivamente T e Ty con Ty temperatura di riferimento tendente all infinito e 2 una co stante proporzionale al gap di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione Nei materiali metallici vi sovrapposizione fra le due bande e in tal caso risulta molto piccolo e negativo per cui nell equazione precedente l esponenziale pu espan dersi in fratti semplici L espressione della resistivit assume la seguente forma polino miale 07 p9 1 aT yT dove po la resistivit del materiale a 0 C Per molti me talli in campi di temperatura limitati si pu assumere lineare la variazione di p con la temperatura 0r 00 1 2T dove a il coefficiente di temperatura della resistivita del materiale considerato Se non noto il valore di p si pu fare a meno della sua cono scenza misurando la resistenza del sensore termoresistivo in condizioni di equilibrio termico con l ambiente a temperatura Tg Infatti facile verificare che il legame tra la resistenza del sensore a temperatura T e quella a temperatura 77 il seguente l aT R Rp 7 ear La retta rappresentativa dell andamento della resistenza in
168. razione dei segnali Nel campo della microelettronica e dei sistemi a larga scala d integrazione VLSI il materiale tecnologi camente pi conosciuto il silicio che ha alcune propriet tali da renderlo adatto alla realizzazione di sensori per diverse grandezze Si parla correntemente di sensori inte grati con riferimento a quei dispositivi in cui sono predisposti sullo stesso substrato molto spesso di silicio i sistemi sensori e l elettronica di condizionamento del segnale Nell ambito dei sensori integrati sorta l esigenza di caratterizzarne un sottoinsieme che presenti oltre al sistema di condizionamento anche un sistema di elaborazione me diante un microprocessore A questi dispositivi che richiedono molto spesso un unit fisica e anche una progettazione dedicata si dato il nome di sensori intelligenti o smart sensor I sensori intelligenti hanno consentito una notevole semplificazione della misura oltre che l ottimizzazione delle prestazioni dei sensori stessi Lo sviluppo dei sensori intelligenti legato non solo alle prestazioni che essi offrono ma anche al note 12 Quaderno n 2 GMEE vole valore aggiunto rappresentato dal sistema di elaborazione e controllo La riduzione delle dimensioni dei sensori ha comportato anche un notevole miglioramento delle pre stazioni Oggi con l avvento dei sensori ottici si stanno sperimentando nuovi materiali in sostituzione del silicio Si ha un uso sempre maggiore di sensor
169. re a temperature stabilite soprattutto per valori di temperatura intorno a 273 15 K 0 C o leggermente inferiori La loro caratteristica quella di avere piccole dimensioni e un limitato assorbimento di potenza da 15W a 25W Utilizzando termo pile si raggiungono temperature anche inferiori con un leggero incremento nella dissi pazione di potenza Un ultimo effetto termoelettrico quello Thomson che consiste nello sviluppo di calore in presenza di un gradiente di temperatura in un materiale conduttore attra versato da corrente elettrica Esso prende anche il nome di effetto termoelettrico o mogeneo in quanto l unico dei tre effetti termoelettrici che riguardi un materiale singolo Il manifestarsi dell effetto Thomson in una giunzione comporta l insorgere di una f e m che si sovrappone a quella relativa all effetto Seebeck L effetto Thom son relativamente piccolo in una termocoppia rispetto all effetto Seebeck ma nel caso di misure di temperatura molto accurate deve essere portato in conto mediante un termine correttivo Sir Humphry Davy nel 1802 scopr che la resistenza di un metallo varia con la temperatura Nel 1826 Sir William Siemens sugger l utilizzo del platino come ele mento in un termometro a resistenza A loro si deve la scoperta dell effetto termoresi stivo I materiali sia conduttori sia semiconduttori presentano variazioni di resisten za elettrica con le escursioni termiche Nei sensori di temperatu
170. re con alcune possibili interazioni Nella figura evidenziato anche come la presenza del sensore alteri le condizioni i niziali del sistema in cui esso inserito e non consenta la misura del valore che il misu rando assumeva prima dell inserzione L entit dell interazione varia con il tipo di sen sore usato per la misura Se il sensore passivo ha bisogno di un sistema di alimenta zione il quale introduce quasi sempre del rumore Una misura inoltre richiederebbe sempre un attento monitoraggio ambientale per definire la sensibilit del sistema alle grandezze d influenza Quando non sia possibile trascurare nella risposta del sensore gli effetti indesiderati attribuibili alle grandezze d influenza occorre introdurre delle cor rezioni che possono essere effettuate in fase di elaborazione del segnale in uscita noti che siano gli effetti delle grandezze di influenza sul sensore stesso Dalla figura si nota che le grandezze d influenza agiscono anche sul misurando alterandone le caratteristi che Come si detto tali alterazioni sono molto spesso oggetto della misura e il sensore sar tanto pi pregiato quanto pi riuscir a distinguere le variazioni del segnale in usci ta attribuibili a fluttuazioni del misurando da quelle addebitabili al suo normale fun zionamento influenzato da perturbazioni dell ambiente esterno Le crescenti potenzialit 3 Caratterizzazione dei sensori 31 dei microprocessori rendon
171. re una sensibile variazione della polarizzazione Questo effetto utilizzato nei bolometri che sono sensori di intensit luminosa basati sul riscaldamento prodotto dall assorbimento di fotoni che genera una variazione di polarizzazione dielettrica nel cristallo piroelettrico preso quindi in considerazione l effetto piezoresistivo che consiste nella variazione della resistivit di un materiale e quindi della resistenza del sensore quando soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato L effetto molto piccolo nei metalli e pi consistente nei materiali semiconduttori Questo effetto sfruttato nei sensori estensimetrici o strain gauge Prima dell impiego dell effetto piezoresistivo gli estensimetri erano di natura meccanica e l amplificazione avveniva per mezzo di viti micrometriche leve ingranaggi e altri sistemi Si tratta di estensimetri sviluppati negli anni tra il 1870 e il 1890 I primi sensori commerciali di deformazione costituiti da resistenze elettriche furono introdotti tra il 1930 e il 1938 Si fa risalire per al 1938 la reale invenzione degli estensimetri elettrici a resistenza ad opera indipendente di due statunitensi E E Simmons del California Institute of Te chnology ed A C Ruge dell M I T Massachussetts Institute of Technology in quanto fu loro l idea di impiegare per la realizzazione dei sensori estensimetrici sottili fili di metallo Simmons utilizz costantana incoll
172. ri concentrati Si ipotizza inoltre che il sistema sia 3 Caratterizzazione dei sensori 39 invariante nel tempo si trascurano le variazioni temporali dei parametri e quindi risulti a parametri costanti infine si linearizzano le caratteristiche ingresso uscita e quindi si rende applicabile il principio di sovrapposizione degli effetti In un sistema di misura a pi ingressi i segnali agenti su uno o su diversi di questi prendono il nome di ingressi forzanti o funzioni di eccitazione Nel seguito si esami neranno alcune funzioni forzanti tipiche dette anche segnali canonici utilizzate per stu diare o provare uno stadio di un sensore In realt sia i sensori sia le grandezze fisiche da misurare non sempre sono riconducibili a modelli o funzioni matematiche semplici d altra parte riconosciuta l utilit di studiare il comportamento di un sensore esami nando la sua risposta a prefissate funzioni canoniche abbastanza semplici Ci di grande interesse per lo studio degli effetti sulla risposta di variazioni parametriche carat teristiche di un sensore o per confrontare il comportamento di due o pi sensori solleci tati dalle stesse funzioni di eccitazione Le funzioni canoniche che saranno prese in e same sono il gradino l impulso la rampa e la funzione sinusoidale Le equazioni differenziali caratterizzanti un sistema la cui variabile d ingresso sia x e quella di uscita y possono essere poste nella forma generale seguente DO
173. ri oggi disponibili in commercio L esame degli effetti fisici utilizzati nei sensori richiede una schematizzazione delle va rie forme in cui l energia si manifesta Una interessante e ormai famosa rappresentazio ne tridimensionale dei sensori stata proposta nel 1981 da Middelhoek e Noorlag In essa sono considerate le seguenti sei forme di energia 1 energia elettromagnetica radiante 2 energia meccanica 3 energia termica 4 energia elettrica 5 energia magnetica 6 energia chimica Alcuni autori aggiungono alle sei forme di energia prese in esame da Middelhoek e Noorlag anche una settima costituita dall energia idraulica distinta dalla meccanica per evidenziare i progressi compiuti dai sensori basati sulla microfluidodinamica lab on a chip Le sei forme di energia precedentemente indicate si possono presentare sia in in gresso in tal caso sono riportate lungo l asse x di uno spazio cartesiano sia in uscita in tal caso si riportano lungo l asse y dello spazio cartesiano sia come fonte ausiliaria e sterna per consentire il funzionamento del sensore in tal caso si riportano lungo l asse z dello spazio cartesiano In base a questa rappresentazione evidente che nel piano xy saranno contenuti tutti i sensori attivi In totale nel piano xy si possono presentare 36 combinazioni tra le ener gie del misurando e del segnale in uscita al sensore Trenta di queste trentasei combina zioni sono scambi energetici che si rife
174. riazioni occorre tener conto in quanto esse possono alterare sensibilit e accuratezza del sensore La variazione nei parametri geometrici pu essere dovuta a una forza a uno spostamento a una vibrazione a una velocit ecc La variazione nelle pro priet elettriche dovuta generalmente a umidit temperatura pressione forza coppia radiazione luminosa In alcuni testi accanto ai sensori passivi o a modulazione e a quelli attivi o ad autogenerazione si contempla un terzo gruppo cui appartengono i sensori noti come modificatori in alcuni testi sono classificati come convertitori che hanno la prero 22 Quaderno n 2 GMEE gativa di avere la stessa forma di energia all ingresso e all uscita con caratteristiche modificate 2 2 Rappresentazione dei sensori Come si accennato in precedenza diversi sono gli effetti fisici che si utilizzano nei sensori Proprio la loro attuale espansione non consente di essere esaustivi nell esame dei principi fondamentali di funzionamento su cui si basano tutti i sensori oggi in com mercio Le possibilit offerte dall intelligenza artificiale hanno infatti permesso di far ricorso a principi e tecniche operative un tempo abbandonate Le innovazioni tecnologi che nell ambito dei materiali fanno intravedere il superamento degli attuali limiti di al cuni sensori Nel seguito si propone semplicemente una sintesi dei principi di funzio namento sui quali si basa una larga parte dei trasdutto
175. riscono a forme diverse di energia tra segnali di ingresso e uscita mentre sei a forme uguali di energia si tratta in tal caso di modifica tori o convertitori Tra i trenta scambi di energie diverse i pi importanti sono cinque e precisamente quelli che prevedono in uscita energia elettrica anche se assumeranno in futuro rilevanza i cinque scambi che presentano in uscita energia elettromagnetica ra diante Se risulta indispensabile per il funzionamento del sensore un apporto esterno di e nergia occorre considerare nella rappresentazione del sensore la componente dell ener gia lungo l asse z In tal caso si tratta di sensori passivi e le possibili combinazioni tra le componenti in gioco dell energia lungo i tre assi risultano duecentosedici Ancora una volta i sensori pi diffusi sono quelli che prevedono un apporto di energia elettrica dal l esterno 2 Classificazione e rappresentazione dei sensori 23 In Fig 2 1 sono rappresentati a titolo di esempio tra i tanti possibili i sensori con energia elettrica in uscita Uno attivo nel piano xy con energia termica in ingresso ed elettrica in uscita ad esempio una termocoppia Uno passivo nello spazio xyz con e nergia meccanica in ingresso ed elettrica sia in uscita sia come fonte ausiliaria ad e sempio un potenziometro me C ae t mer y ma e t me r x Figura 2 1 Rappresentazione tridimensionale dei sensori 24 Quaderno n 2 GMEE 3 Car
176. rispetto a quelli di tipo 66 Quaderno n 2 GMEE ottico L effetto galvanomagnetico pi conosciuto quello Hall che si manifesta in ma teriali sia conduttori sia semiconduttori con l insorgere di una tensione elettrica in un materiale sottoposto ad un campo di induzione magnetica normale al flusso di una cor rente elettrica che lo attraversa Diverse sono le applicazioni di questo effetto che vanno dai sensori di campo magnetico e di corrente tensione e potenza elettriche ai tachimetri Diversi sensori per esempio di spostamento forze accelerazioni basano il loro fun zionamento su altri effetti elettromagnetici Questi sensori presentano rispetto a quelli di natura resistiva in genere il vantaggio di non richiedere un contatto fisico con il misu rando il che assicura minore usura e maggiore durata inoltre possono essere sensori attivi D altra parte risultano pi complessi nella parte di condizionamento ed elabora zione del segnale L effetto termoelettrico pi noto che quello Seebeck si presenta quando due ma teriali conduttori di differenti caratteristiche energetiche sono saldati fra loro a due e stremit e d luogo ad una termocoppia Quando una estremit della termocoppia po sta ad una temperatura maggiore dell altra estremit il circuito diventa sede di un pas saggio di energia dalla parte calda alla parte fredda che si manifesta con l insorgere di un campo elettrico e la circolazione di corrente e
177. rmini di funzionalit in quanto in genere vi pi interesse ad ottenere migliori prestazioni che non a ridurre ulteriormente le di mensioni Infatti in alcuni casi si riscontrato che al di sotto di certe dimensioni il sen sore riduce la sua sensibilit In definitiva nel campo della sensoristica andranno esami nati caso per caso i vantaggi legati all impiego delle nanotecnologie L impetuoso sviluppo delle tecnologie elettroniche e informatiche della elaborazio ne dei segnali ed il suo utilizzo nella strumentazione programmabile si sta riversando quindi anche nell ambito della sensoristica Particolare attenzione va posta a tutte quelle tecniche che consentono di operare in tempo reale e quindi alle problematiche del cam pionamento delle conversioni dal continuo al discreto della trasmissione dei segnali Le potenzialit di un sensore intelligente sono notevoli e nel seguito se ne accenna ad alcune possibile stabilire in base al tipo di grandezza in esame il miglior metodo di misura la portata la frequenza di campionamento l accuratezza della misura il modo di presentazione del risultato Spesso i sensori intelligenti hanno la capacit di comuni care con altri sensori con sistemi di supervisione e con l operatore di adattarsi a diverse esigenze autoriconfigurandosi di regolare automaticamente la curva di taratura di ese guire l autodiagnosi Nella Fig 1 1 si mostra una tipica applicazione di un sensore al test DUT d
178. roni tale da opporsi e compensare la forza do vuta al campo magnetico Il campo elettrico campo di Hall che legato alla ten sione V tensione di Hall dalla relazione E V d proporzionale al prodotto della corrente e della induzione ovvero al prodotto delle cause che lo hanno determinato Il segno della tensione di Hall che si manifesta su due facce opposte del materiale dipende dalla direzione del campo magnetico da quello della corrente e dal segno delle cariche elettriche L effetto Hall pu essere spiegato mediante la teoria degli elettroni liberi Sia v la velocit media di spostamento degli elettroni lungo la direzione x Ogni elettrone sar soggetto nel piano xy alla forza di Lorentz che generata sia dal campo di Hall sia dal campo magnetico agente normalmente al piano xy 78 Quaderno n 2 GMEE Figura 4 4 Effetto Hall Come si detto questa forza tende ad annullarsi in quanto l effetto dei due campi opposto F e E vB 0 dove e la carica dell elettrone Ricordando che la velo cit degli elettroni si pu esprimere mediante il prodotto della mobilit 44 per il campo elettrico nella direzione x dall equazione precedente si ricava la seguente espressione E v B 4E B Poich il campo elettrico legato alla densit di corrente attraverso la resistivit p del materiale l espressione precedente pu scriversi in funzione di tale densit e da essa ricavare la tension
179. rosensori e dei MEMS anche nel sili cio e nel germanio oltre che in elementi piezoceramici ed inoltre pu essere ottenuto artificialmente nei materiali ferroelettrici come a esempio nel titanato zirconato di piombo e nel titanato di bario riscaldandoli in presenza di intensi campi elettrici Quando si applichi un campo elettrico ad una lastra di materiale ferroelettrico sinterizza to a temperatura superiore a quella di Curie e quindi si abbassi progressivamente la temperatura mantenendo costante il campo elettrico si induce all interno del materiale una microstruttura permanente che presenta effetti piezoelettrici Come il quarzo anche 1 materiali ferroelettrici sono molto utilizzati in quanto presentano un elevata sensibilit della polarizzazione al campo elettrico esterno e valori di accoppiamento piezoelettrico superiori a quelli relativi agli altri cristalli piezoelettrici anche se presentano un errore d isteresi non sempre trascurabile Altri materiali usati nella realizzazione di sensori piezoelettrici per la loro sia convenienza economica sia resistenza agli urti sono quelli polimerici come ad esempio il fluoruro di polivinildene in cui si ottengono caratteristi che piezoelettriche permanenti estendendo il materiale quando sottoposto all azione di un campo elettrico esterno I sensori che impiegano il quarzo consistono essenzialmente in sottili lastre di cri stallo tagliate in modo opportuno rispetto agli assi del crista
180. rtante che la validazione sia eseguita su un prototipo del prodotto finale o in una fase intermedia di sviluppo dopo una positiva verifica del la progettazione in condizioni operative definite Si richiede anche che tutte le varianti o modifiche siano documentate Terminata la fase di progettazione si passa alla pianificazione e allo sviluppo dei processi Il concetto di pianificazione della qualit risponde alle necessit di innovazio ne e di dinamica produttiva delle imprese inserendo il sistema qualit nel quadro orga nizzativo e gestionale costituito dalla compagine aziendale A questo scopo compito della organizzazione predisporre documentare e mantenere attivo un sistema di gestio ne per la qualit inteso come strumento perch il prodotto sia conforme a requisiti specificati assicuri la soddisfazione del cliente ed il suo miglioramento continuo La organizzazione deve predisporre un manuale della qualit che contenga o richiami le procedure del sistema qualit e delinei la struttura della documentazione relativa al si stema stesso Particolare rilevanza assume poi la produzione del prodotto Subito dopo la seconda guerra mondiale si ebbe l introduzione di macchine di elevata complessit e sorse la ne cessit di incrementare l automazione prima delle macchine e poi dei processi produtti vi assegnando all uomo semplicemente compiti di controllo e coordinamento L auto mazione dei processi produttivi stata favorita d
181. sensore Nonostante le tensioni in uscita dal sensore siano opportunamente amplificate le dimensioni delle testine non possono essere ridotte oltre certi limiti che definiscono la soglia minima di sensibilit e di SNR per una sicura distinzione tra i livelli 1 e 0 Una testina di scrittura ha invece il compito di trasferire l informazione sulle tracce del disco magnetizzandole mediante un polo magnetico in due versi opposti caratteristici dei livelli 1 e 0 L av vento della tecnologia MEMS sta permettendo la realizzazione di dischi rigidi di piccole dimensioni tali da poter essere inseriti all interno di dispositivi portatili Sensori per misure di intensit di corrente o di campo magnetico potrebbero utilizza re l effetto magnetoresistivo ma in genere per tali sensori si preferisce attualmente sfruttare l effetto galvanomagnetico pi conosciuto che quello Hail L effetto Hall fu scoperto da Edwin Hall nel 1879 In un materiale conduttore sotto posto a un campo di induzione magnetica B normale al flusso di una corrente elettrica di intensit si manifesta una d d p V in direzione perpendicolare alle direzioni sia di Bz sia di come mostrato in Fig 4 5 Il fenomeno dovuto al fatto che le cariche elet triche in movimento per la presenza della corrente si accumulano su una faccia del materiale per effetto del campo magnetico finch si determina un campo elettrico che d luogo a una forza agente sugli elett
182. sibile e indelebile su un prodotto per attestare che esso possiede i requisiti es senziali fissati da una o pi direttive comunitarie La marcatura CE attesta la conformi t ai requisiti prescritti dalle direttive Le specifiche rappresentano una variabile da ag giornare in modo continuo sulla base di indagini di mercato Per il sistematico aggior namento delle specifiche e contestualmente del prodotto realizzato l organizzazione si deve dotare di un sistema di gestione adeguato a fornire e sostenere il prodotto stesso e quindi a fronteggiare anche nel corso della fornitura la richiesta di variazioni In modo sintetico ed efficace si pu affermare che la qualit di un sensore la sua adeguatezza all uso Poich l uso che si pu fare di un sensore vastissimo non si de ve confondere qualit con eccellenza si restringerebbe in tal modo inesorabilmente il mercato che invece dovrebbe allargarsi quanto pi possibile sempre nel rispetto delle diversit delle attese delle esigenze e dei gusti dei clienti anche in base alle loro capa cit di spesa Convenzionalmente si parla di un sistema qualit costituito da un certo numero di elementi attuato mediante processi che si svolgono sia all interno delle sin gole funzioni sia attraverso le stesse Perch un sistema qualit sia efficace questi pro cessi e le relative responsabilit le procedure e risorse dovrebbero essere definiti e di stribuiti in modo coerente Un sistema
183. sistono diverse altre grandezze di influenza come per esempio l umidit e la vibrazio ne Poich difficile poterle prendere tutte in esame in sintesi si pu dire che sarebbe buo na norma che il costruttore fornisse alcuni campi di valore delle grandezze d influenza pi temibili che potrebbero inficiare il corretto funzionamento del sensore In particolare si po trebbero indicare i seguenti campi Il campo di riferimento quello entro il quale deve essere compresa la grandezza di influenza durante la taratura o una successiva verifica Il campo assegnato o di targa o di normale funzionamento quello entro il quale deve es sere compresa la grandezza di influenza durante l utilizzazione di un sensore perch siano rispettate le caratteristiche metrologiche Il campo limite o di sicurezza quello entro il quale deve essere compresa la grandezza di influenza durante l utilizzazione del sensore perch esso non subisca guasti Il campo di magazzino si riferisce alle condizioni ambien tali del magazzino da rispettare per evitare un precoce invecchiamento del sensore 64 Quaderno n 2 GMEE 4 Principi fisici dei principali sensori Introduzione Diversi sono i principi sui quali si basano i sensori Lungi dal voler essere esaustivi nel seguito si accenna ad alcuni tra i pi diffusi tra questi principi Data l espansione che i sensori ottici hanno avuto recentemente si esaminano inizialmente i principi su cui essi si basano Tal
184. so delle applicazioni radar si misura la variazione della frequenza tra un segnale trasmes so e il segnale dell eco dovuto a un bersaglio mobile Poich il trasmettitore e il ricevi tore si trovano nella stessa posizione e il segnale ottico va prima dal trasmettitore al ber saglio e poi riflesso verso il ricevitore l effetto longitudinale doppio rispetto alla si tuazione precedente per cui la sua espressione si modifica nel modo seguente v B ater dove v la velocit relativa del bersaglio nella direzione del radar La variazione di fre quenza positiva nel caso in cui il bersaglio si avvicini al radar negativa nel caso si al lontani L uso pi diffuso del radar Doppler quello di misuratore della velocit degli oggetti radiotachimetro ma applicazioni si hanno anche nei radiogoniometri L effetto Doppler molto utilizzato anche nei sensori di flusso nei quali si pu fare ri corso a onde nel campo degli ultrasuoni dei radar e dei laser con realizzazioni ben dif ferenti l una dall altra 4 3 Effetti piezoelettrico piroelettrico e piezoresistivo L effetto piezoelettrico d luogo a una differenza di potenziale d d p fra le due facce di particolari cristalli quando su di esse siano applicate delle sollecitazioni mec caniche Il fenomeno osservato dai fratelli Pierre e Jacques Curie nel 1880 pu manife starsi anche in senso inverso reversibilit L effetto piezoelettrico diretto fu risc
185. spettro ma anche da radiazioni infrarosse da raggi X e raggi 6 La fotoemissione si riscontra pi facilmente in materiali solidi ed denominata anche effetto fotoelettrico esterno Si consideri una superficie metallica investita da un fascio di luce di opportuna lun ghezza d onda La superficie investita caratterizzata da una funzione lavoro E che la quantit di energia richiesta per estrarre un elettrone da esso Se la luce monocroma tica di frequenza f e lunghezza d onda 4 la condizione per l emissione di un elettrone h f gt E dove A la costante di Plank sensori che utilizzano l effetto fotoelettrico so no noti come rivelatori fotoemissivi Questi sono realizzati mediante un catodo di un opportuno materiale e da un anodo tra i quali applicata una elevata d d p intorno alle centinaia di volt chiusi in un tubo L effetto di fotoemissione nei metalli rappresentato in Fig 4 1 4 Principi fisici dei principali sensori 67 metallo vuoto I I barriera di I potenziale in l E superficie i zapa 4 VELLO I DI FERMI Tan l livelli I neigia energetici l occupati 4 l I Figura 4 1 Fotoemissione nei metalli L aspetto pi importante della fotoemissione che non vi alcun ritardo tra l irra diazione di un emettitore e l emissione di fotoelettroni Ci dovuto al fatto che il foto ne interagendo con l elettrone gli cede tutta la sua energia senza ritardi tempor
186. sponibili in rete possono al limite vedere coinvolti anche i clienti in genere una particolare categoria di clienti privilegiati Il sistema pu essere reso interattivo in modo da recepire indicazioni suggerimenti cri tiche provenienti da quanti direttamente impiegano il prodotto e potenzialmente possono essere interessati a suoi aggiornamenti a modifiche in base a loro esigenze specifiche o implicite attraverso un rapporto continuativo con il cliente In ambito aziendale dive nuta fondamentale l ergonomia gestionale d impresa che vede il lavoratore non pi come un fattore condizionante la produttivit ma come portatore di conoscenze e di ef 3 Caratterizzazione dei sensori 53 ficienza quando se ne assecondino i bisogni e se ne riconoscano i limiti lavorativi nel tempo noto l apporto che i lavoratori sono stati in grado di fornire in molte nostre a ziende al miglioramento della qualit dei prodotti I pi capaci in questo processo si so no rivelati i lavoratori con maggiore esperienza e con maggiore integrazione nella filo sofia di sviluppo aziendale in quanto soddisfatti del loro lavoro La competitivit sul mercato globale richiede che siano sfruttate tutte le potenzialit umane presenti in a zienda abituandole all interdisciplinarit Nell ambito della fase di progettazione fon damentale la sua validazione per assicurarsi che il prodotto soddisfi definite esigenze e requisiti dell utilizzatore impo
187. sposta raggiunga il 63 del valore di regime Come facilmente intuibile dall esame della figura nel caso la costante di tempo fosse nulla l indicazione del sensore seguirebbe senza ritardo l evoluzione del misurando e l errore dinamico risulterebbe nullo Quindi il comporta mento dinamico di un sensore sollecitato da un ingresso a gradino tanto migliore quanto pi 7 piccolo Si definisce anche tempo di salita quello necessario al sensore perch la sua risposta si porti dal 0 al 90 del valore di regime Il VIM definisce tempo di risposta al gradino step response time la durata tra l istante in cui il valore della grandezza in ingresso al sensore subisce una brusca variazione tra due specificati valori costanti della grandezza e l istante in cui la corrispondente indicazione del senso re si stabilisce tra limiti specificati intorno al suo valore finale di regime stazionario Un altro parametro dinamico indicato nei fogli di accompagnamento del sensore simile al tempo di risposta al gradino il tempo di assestamento settling time definito come il tempo necessario al sistema per raggiungere e stabilizzarsi entro una certa fascia di incertezza intorno al valore di regime Un piccolo tempo di assestamento quindi indi cativo di una risposta veloce Ovviamente il tempo di assestamento dipende dalla fascia di incertezza stabilita La Fig 3 3 consente di stabilire che si hanno tempi di assesta mento pari a 7 27 37e 47 per f
188. ta in Fig 3 11 In figura sono riportate le funzioni attesa y4 t ed effettiva y t del la risposta alla rampa in modo da evidenziare sia l errore transitorio caratteristico della prima fase della risposta y t sia l errore stazionario pari a 2kRC dovuto al ritardo temporale nella risposta del sensore L errore stazionario aumenta con l aumentare sia del fattore di smorzamento sia con la pendenza R della rampa evidente dalla fig 3 11 che l errore la somma di due termini uno transitorio e uno stazionario come nel caso della risposta ad una rampa in un sistema del primo ordine L errore stazionario dovuto al ritardo con cui il sistema segue l ingresso dopo la fase transitoria Per ridurre questo errore occorrerebbe a parit di ridurre solo che al solito tale ridu zione potrebbe comportare larghe oscillazioni del sistema Anche in questo caso ne cessario cercare un compromesso e valori ottimali di sono ancora quelli compresi tra 0 6 e 0 7 3 Caratterizzazione dei sensori 49 Figura 3 11 Risposta a una funzione a rampa di un sistema del secondo ordine In Appendice 5 9 si dimostra matematicamente che gli andamenti della risposta in frequenza in ampiezza e fase di un sensore assimilabile ad un sistema del secondo ordi ne sono quelli mostrati in Fig 3 12 Dagli andamenti di queste due funzioni si evince che l uscita di un sensore del secondo ordine interessato da un misurando di tipo sinu
189. tante B si ottiene imponendo la condizione che le due equazioni precedenti siano uguali al tempo T da cui si ricava B kA e 1 T Per determinare la risposta di un impulso di durata infinitesima si deve imporre la condizione che 7 tenda a zero y t lim kA e Lee KA ue lim el KA Ue T gt 0 T T T 0 T Poich la risposta ideale del sistema dovrebbe essere nulla immediatamente dopo l impulso che si verifica al tempo 0 l equazione precedente coincide con la yz t e conferma che un sistema del primo ordine presenta un errore dinamico tanto pi ridotto quanto pi piccola la sua costante di tempo In base all equazione precedente quanto pi T piccolo tanto pi la risposta del sistema risponde perfettamente all impulso idea le presentando un ampiezza che tende all infinito in un tempo infinitesimo Un tale comportamento impossibile per un sistema fisico reale in quanto richiederebbe un tra sferimento di energia a velocit infinita In ogni caso le condizioni fornite precedente mente vanno nella direzione di una ottimizzazione della risposta del sistema 5 4 Risposta di un sistema del primo ordine a una funzione a rampa La funzione a rampa molto pi realistica delle due precedenti funzioni canoniche in quanto pi facilmente realizzabile in pratica Si consideri il sistema inizialmente in equilibrio al tempo 0 e una funzione con una pendenza costante R x t Rt La tra sformata di Laplace di questa
190. te l effetto della corrente inversa e inoltre non vi possibilit di scarica del diodo D gt Lo scopo del resistore addizionale Rs in serie al diodo quello di far si che durante la se mionda positiva circoli nel diodo D una corrente superiore rispetto a quella misurata dall amperometro In tal modo il diodo D potr operare in zona lineare della sua carat teristica anche in corrispondenza di bassi valori di tensione e quindi di corrente bene evidenziare che la presenza del derivatore in parallelo o del resistore addi zionale in serie degrada sia la risoluzione sia la sensibilit del sensore in quanto aumen ter la variazione del misurando che dia luogo a una variazione percettibile della corri spondente indicazione del sensore ed inoltre per avere la stessa variazione dell indica zione del sensore che si aveva prima dell inserimento del resistore occorrer una mag giore variazione del valore della grandezza misurata La resistenza del derivatore in pa rallelo o del resistore addizionale in serie deve essere scelta in modo da rendere piccolo l errore di linearit rispetto all incertezza strumentale del sensore senza che ci compor ti un degrado eccessivo della risoluzione e della sensibilit o Figura 3 2 Linearizzazione della caratteristica di un diodo raddrizzatore Non va neanche sottaciuto che la tecnica analogica di linearizzazione esposta ap plicabile quando come nel caso del diodo la caratter
191. tegrati 11 37 Sensori passivi 20 23 29 30 68 69 84 Settling time 42 96 Quaderno n 2 GMEE Settore 11 18 19 51 64 Sicurezza 12 15 55 57 60 63 Siemens 82 Silicio 11 12 16 18 64 70 73 75 81 83 Sistema sensorio 10 14 58 62 Smart sensor 12 13 38 44 Smorzamento 46 48 89 90 Solfuro di cadmio 68 Solfuro di piombo 68 69 Soglia di discriminazione 33 Sonda 80 Sopraelongazione 48 Specifiche 24 29 34 51 52 56 60 Spettro 66 68 71 Spostamento 16 19 21 33 66 76 78 Strain gauge 21 65 75 Sputtering 17 18 Stabilita 8 35 Strumento di misura 8 24 25 27 32 57 Systems on a chip 16 T Tabella 20 21 32 38 Taratura o calibrazione definizione 31 Tasso di guasto 62 Tasso di riparazione 58 Temperatura 9 10 17 19 21 30 31 58 59 63 65 68 73 84 Tempo cumulativo 58 Tempo di assestamento 42 47 48 Tempo di recupero 39 Tempo di risposta al gradino 42 Tempo di salita 42 48 Tempo di vita 56 Tempo morto 48 50 Tempo medio al primo guasto MTTF 58 61 Tempo medio fra guasti MTBF 59 60 61 62 Tempo medio alla riparazione MTTR 59 Tempo reale 12 Tensione 13 14 20 29 33 37 43 44 66 68 70 73 77 81 Termico effetto 30 63 65 68 Termistore 21 83 Termocoppia 10 11 23 66 80 82 Termopila 81 82 Termoresistivo effetto 66 75 82 Titanato di bario 73 74 Titanato zirconato di piombo 7
192. ti gradi di affidabilit ovvero basse probabilit che subisca guasti non detto che soddisfi pienamente alle esigenze dell u tente se la sua disponibilit risulta bassa ovvero notevole il tempo che rimane non uti lizzabile quando si guasta I sensori intelligenti in cui sia prevista la autodiagnosi quindi la localizzazione del guasto e che siano in grado di fornire indicazioni sul modo di ripararlo consentono di aumentare notevolmente la disponibilit Allo stesso scopo necessario istruire in fabbrica gli addetti al servizio riparazioni che devono avere cono scenze nel campo delle misure e della componentistica Inoltre auspicabile che il re parto acquisti della fabbrica si accerti che i componenti necessari alla riparazione siano forniti da buoni costruttori e rispondano alle specifiche fornite A questo fine racco mandabile una prova dei componenti per campioni Non bisogna neanche sottovalutare la giacenza in magazzino dei componenti occorrenti alla riparazione essa non dovrebbe 60 Quaderno n 2 GMEE mai essere molto lunga perch a parte i costi del magazzino i componenti nel tempo modificano le loro caratteristiche A volte si richiede che siano tenute sotto controllo la temperatura e l umidit del magazzino Una particolare categoria di sensori quella dei tolleranti all avaria anche se diffuso dire tolleranti al guasto o anche con la dizione inglese fault tolerant I sen sori ed attuatori tradizio
193. timistiche sono che il terzo millennio sar dedicato al benessere dell uomo e alla prevenzione dei disagi Questo progetto richiede una rivoluzione culturale che veda coinvolti i governanti i lavoratori i cittadini gli insegnanti Un ausilio considerevole a questo progetto potrebbe derivare da un cambiamento culturale che consideri al centro di qualsiasi processo produttivo i bi sogni dell uomo e l umanizzazione della tecnologia In questi ultimi anni molte grandi industrie e governi dei paesi pi industrializzati incominciano a dedicare attenzione sempre crescente ai problemi dell ambiente e della sua tutela riconoscendone notevole importanza per le implicazioni non solo sociali ma anche economiche e aziendali L in quinamento ambientale un problema ormai noto a tutti in un certo periodo storico i lavoratori si sono sentiti minacciati dal movimento ecologista per timore di perdita del posto di lavoro Oggi la qualit della vita e la difesa dell ambiente non sono pi in anti tesi al mantenimento del posto di lavoro e alla promozione della sicurezza in quanto si chiaramente compreso che non vi sono pi motivi per pensare che il miglioramento delle condizioni ambientali possa causare chiusura di impianti o perdita dei posti di lavoro anzi il controllo dell inquinamento ambientale anche fuori dalle aziende e la difesa del suolo possono determinare nuovi profitti e nuova occupazione Un azienda quindi che si faccia carico
194. tono la grandezza da misurare Nella nota a questa definizione si precisa che in alcuni campi lo stesso concet to espresso con il termine rivelatore che un dispositivo o una sostanza in grado di indicare la presenza sempre di un fenomeno di corpi o di sostanze quando si ecceda un valore di soglia della grandezza d interesse Nel VIM si definisce trasduttore di misura un dispositivo impiegato nelle misura zioni che fornisce una grandezza in uscita avente una specificata relazione con la gran dezza d ingresso La parola trasduttore deriva dal verbo latino traducere che significa convertire pertanto per trasduttore si pu intendere un dispositivo che riceva energia da un sistema e la ritrasmetta in genere in forma differente ad un altro sistema Per senso re si pu intendere un dispositivo sensibile alla grandezza da misurare e che rappresenta il primo elemento di una catena di misura o di un sistema di controllo dove per catena di misura si intende una serie di elementi di un sistema di misura costituenti un singolo percorso del segnale dal sensore ad un elemento di uscita Quindi il sensore svolge le stesse funzioni dei nostri sensi rivelando l esistenza di una grandezza al suo ingresso Il sensore sar tanto pi pregiato quanto meno il contenuto dell informazione che esso tra smette in genere al trasduttore alterato Poich le capacit dei trasduttori si vanno sempre pi estendendo si pu affermare in base alle defini
195. un unico substra to di silicio ottenuto attraverso le moderne tecnologie di microfabbricazione I MEMS quindi rappresentano un importante fusione della tecnologia dei circuiti integrati IC con la pi avanzata tecnologia micromeccanica L acronimo MEMS risale agli anni No vanta anche se la tecnologia per la realizzazione di micro macchinari nota gi dagli anni Cinquanta quando si scopr che silicio e germanio manifestavano un effetto piezo elettrico Questa tecnologia comprende un insieme piuttosto vario di processi che con sentono di modellare sulle tre dimensioni uno o pi wafer di silicio Anche se il silicio il materiale pi utilizzato sono stati impiegati anche wafer di vetro e di quarzo Nei MEMS ai noti processi per la realizzazione di circuiti integrati si affiancano quelli di micromacchine in grado di realizzare componenti meccanici in scala micro per la fab bricazione di dispositivi elettromeccanici denominati systems on a chip tra i quali an che i gi citati Jab on a chip La presenza dei microsensori in grado di rivelare la pre senza di grandezze meccaniche termiche biologiche chimiche ottiche ed elettroma gnetiche insieme con quella dei microattuatori capaci di muovere posizionare regola re pompare e filtrare fornisce ai MEMS straordinarie capacit di percezione e controllo e ne amplia le possibilit d impiego in diversi campi con la realizzazione di dispositivi a pi basso costo e con pi elevati li
196. unzionamento in determinate e diversificate condizioni sono in genere fornite dal costruttore Naturalmente i para metri caratteristici sono definiti entro certi limiti o valori estremi che spesso continuano ad essere indicati in ambito industriale come tolleranze termine non pi ammesso dal VIM che invita a sostituirlo con le dizioni massimi errori ammessi o limiti di errore 3 Caratterizzazione dei sensori 25 Questi dati consentono di delimitare una fascia d incertezza per ogni sensore Nel se guito si tenter di fornire una sintesi delle principali caratteristiche di un sistema di mi sura in grado di definirne il suo funzionamento in condizioni di regime sia stazionario sia dinamico o transitorio 3 1 Parametri fondamentali dei sensori La scelta di un sensore che ha il compito di conservare inalterata l informazione contenuta nel segnale d ingresso rendendola disponibile in uscita si basa su una serie di considerazioni che si tentato di parametrizzare Nel seguito si mostrer come carat terizzare un sensore descrivendo le sue caratteristiche metrologiche statiche dinamiche ambientali e di qualit In questo paragrafo si vuole semplicemente accennare ad alcuni parametri fondamentali che indispensabile conoscere per una scelta meditata del sen sore Il primo problema che si pone definire il misurando ovvero la grandezza che si intende misurare Il VIM nella prima nota alla definizione di misurando afferma che
197. urale del sistema Alcuni componenti utilizzati nei sistemi di misura consentono di avere segnali in u scita della stessa forma dell ingresso ma con un ritardo temporale tempo morto o de ad time Matematicamente si ha y t kx t 1 Questi componenti prendono anche il nome di ritardatori puri e per essi facile determinare le risposte ai segnali canonici esaminati precedentemente In Fig 3 13 sono riportate tali risposte confrontate con quelle attese per cui facile risalire alla funzione errore dinamico interessante osservare che la risposta in fre quenza di un sistema a tempo morto quella ideale di un sistema del secondo ordine da utilizzare per esempio in un registratore con ampia banda di frequenza viti vit viti lGijo kA uu Figura 3 13 Risposte di sistemi a tempo morto a al gradino b all impulso c alla rampa d in frequenza 3 Caratterizzazione dei sensori 51 3 10 Le caratteristiche di qualita Molto spesso gli utilizzatori di sensori sono interessati alla loro qualita a lungo ter mine I sensori impiegati nell industria nel commercio in agricoltura nei servizi con particolare riguardo a quelli in campo medico nei laboratori di ricerca devono essere in grado di soddisfare pienamente le esigenze del cliente La globalizzazione dell econo mia il crescente interesse al commercio elettronico hanno determinato una maggiore offerta di sensori con conseguente aumento della com
198. utte le superfici compreso il substrato La fotolitografia nei MEMS prevede il trasferimento di uno schema circuitale su un materiale fotosensibile in grado di modificare le sue propriet fisiche quando sottopo sto all esposizione selettiva ad una sorgente di radiazione luminosa Ovvero si realizza lo schema desiderato in quanto il materiale fotosensibile mostrer caratteristiche diverse nelle regioni che sono state esposte alle radiazioni da quelle non esposte Il materiale 18 Quaderno n 2 GMEE fotosensibile un polimero che varia la propria solubilit in base all azione della radia zione agente su di esso La parte non esposta pu essere selettivamente rimossa nella successiva fase di lavorazione I MEMS sono realizzati strato dopo strato per successive litografie Particolarmente delicate nelle tecniche litografiche sono le fasi sia di allinea mento al wafer delle diverse maschere necessarie alla realizzazione dei componenti sia di esposizione alle radiazioni del materiale fotosensibile perch questo modifichi le sue propriet nel modo desiderato L incisione della maschera sul film una tecnologia basata sull asportazione di ma teriale e pu avvenire per via chimica dissolvendo il materiale da asportare mediante una soluzione liquida o a secco impiegando ioni reattivi o lo sputtering o corrodenti in fase vaporosa La tecnologia per via chimica pi semplice e meno costosa purch si disponga di una soluzione
199. va posta anche all installazione del sensore che in genere demandata diret tamente al cliente quando risulti semplice accompagnando il sensore con un piccolo manuale di installazione che deve risultare facilmente comprensibile 0 come ormai invalso dire amichevole nell uso Nel caso l installazione sia demandata in fase contrat tuale ai fornitori sar necessario porre molta attenzione bene sottolineare la delica 3 Caratterizzazione dei sensori 55 tezza di questa fase in cui si a diretto contatto con il cliente Un cattivo servizio pu vanificare completamente quanto fatto in precedenza per assicurare la soddisfazione del cliente L installatore deve essere non solo qualificato ma anche a conoscenza delle procedure richieste dal manuale di qualit aziendale 0 come si dice anche dello stile dell azienda a salvaguardia del suo marchio o brand Il manuale d uso del sensore de ve contenere istruzioni in merito anche alla manutenzione del prodotto Il cliente si sentir pienamente soddisfatto se potr confidare nella continuit d uso del sensore e quindi in un rapido intervento di personale qualificato qualora trovi difficolt nell uso del prodotto o ritenga che questo abbia subito un guasto Il manuale d istruzioni deve contenere indicazioni dettagliate sulla migliore manutenzione del prodotto ma sempre bene addestrare personale qualificato per un eventuale pronto intervento A tal proposito l org
200. velli di funzionalit ed affidabilit rispetto a quelli realizzati in scala macro Questi benefici sono ottenuti proprio dalla riduzione dei costi di sensori ed attuatori che tra l altro nei MEMS raggiungono l affidabilit dei circuiti integrati Si sta ottenendo un ulteriore miglioramento delle prestazioni attraverso sistemi sia di trasmissione dati senza fili sia di protezione dalle elevate temperature Senza dubbio uno dei maggiori benefici derivante dalla simbiosi tra elementi elet tronici e meccanici quello di permettere a molti circuiti MEMS di non richiedere l im 1 Fondamenti sui sensori 17 piego di batterie per l alimentazione elettrica dei sensori Come sar meglio chiarito in seguito la maggior parte dei sensori di natura passiva per cui si richiede l impiego di una alimentazione esterna costituita in genere da una batteria con tutti i problemi legati ai costi di manutenzione della batteria e ai rischi di mal funzionamento dovuti a un dete rioramento della stessa La possibilit di utilizzare sensori auto alimentanti ne amplia enormemente l uso L auto alimentazione deriva dalla conversione effettuata nei MEMS di energia meccanica in elettrica energia quasi sempre pi che sufficiente dato il bassis simo consumo di potenza richiesto al funzionamento dei circuiti integrati L energia meccanica convertita in elettrica quella che deriva dal movimento dell oggetto su cui montato il sensore Quando il s
201. zioni date che un trasduttore molto spesso ingloba al suo interno diversi sensori oltre che reti di compensazione e di controllo In particolare molto diffuso in diversi trasduttori il controllo della tempera tura utilizzando un apposito sensore Inoltre si va sempre pi diffondendo l utilizzazione della tecnologia a semiconduttore nella realizzazione dei trasduttori il che sta compor tando non solo una sempre pi diffusa miniaturizzazione ma anche una sensibile ridu zione dei costi In base alla definizione data di trasduttore si pu asserire che in un sistema di misu ra o di controllo trasduttori si trovano sia negli stadi iniziali sia in quelli finali Negli elementi di ingresso di un trasduttore si troveranno dei sensori in quelli di uscita il tra sduttore conterr un elemento che prende il nome di attuatore Come si detto nell in troduzione il processo molto simile a quello che avviene nel corpo umano Ad ogni contatto con oggetti i nostri sensori rivelano la loro presenza e tramite le sinapsi inviano messaggi bioelettrici ai nuclei dei neuroni nel sistema nervoso centrale che elabora l informazione e assume delle decisioni trasmesse agli attuatori corporali come musco li arti bocca Poich le definizioni date di sensore e trasduttore sono abbastanza ampie in realt come accaduto sta accadendo e probabilmente accadr i sensori e i trasdutto ri continueranno ad essere denominati molto spesso in modo differente

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