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Gianmaria De Tommasi » 7.Sensori di moto

Indice della lezione

Sensori di spostamento (o posizione)
Sensori di velocità
Sensori di accelerazione
Sensori di prossimità

Sensori di spostamento (o posizione)

I sensori di spostamento possono essere classificati in base al metodo adottato per effettuare la misura:

Metodi incrementali – il segnale di posizione si ottiene mediante conteggio di impulsi
Metodi assoluti – basati sulla codifica diretta del valore assoluto della posizione

Potenziometri (sensori resistivi)

Esempi di potenziometri lineari

Esempio di potenziometro angolare

Il potenziometro

Il potenziometro trasforma una variazione di posizione in una variazione di resistenza
La variazione di resistenza può essere misurata con un ponte o può venire direttamente trasdotta in una variazione di corrente (metodo di misura assoluto)
Potenziometri lineari e angolari
Potenziometri a spira e a film
La banda di funzionamento è molto elevata ed è limitata dalle induttanze e dalle capacità parassite
Vita meccanica limitata (usura dovuta ad attrito)
Rumore elettrico in uscita dovuto allo sfregamento

Sensori di posizione capacitivi

Funzionamento basato sul principio del condensatore a piatti paralleli

$C=K\epsilon \frac{A}{d}$

Lo spostamento meccanico fa variare la distanza tra i piatti $d$ , oppure l’area sovrapposta $A$ .
Le variazioni di capacità ottenibili sono tipicamente piccole.
La variazione di capacità può essere trasdotta mediante un ponte in alternata oppure mediante un circuito oscillatore

Esempio di sensori capacitivi: il touchpad

Una possibile applicazione dei sensori di posizione capacitivi è il touchpad nei laptop

griglia di sensori capacitivi
la posizione del dito fa variarie la capacità tra due conduttori

Schema semplificato di un sensore capacitivo di tipo touchpad.

Sensori di posizione induttivi

Il funzionamento di questi sensori è basato sulla variazione dell’induttanza in una bobina a seguito dello spostamento del suo nucleo di materiale ferromagnetico
La variazione di induttanza può essere trasdotta mediante un ponte in alternata oppure mediante un circuito oscillatore ed un convertirore frequenza/tensione (metodo di misura assoluto)
Rispetto al potenziometro non soffre di problemi di usura e quindi ha una vita meccanica più lunga
Rispetto ad un potenziometro è meno sensibile alle variazioni di temperatura

Trasformatore Differenziale Variabile Lineare (LVDT)

Una tipologia di sensore induttivo molto utilizzato in ambito industriale è il trasfromatore differenziale variabile lineare (Linear Variable Displacement Transducer, LVDT)
Esiste anche la versione rotante per misurare spostamenti angolari
Permette di effettuare una misura assoluta di posizione

Inductosyn

L’inductosyn è un sensore di spostamento ad effetto induttivo che consente di effettuare una misura incrementale (non assoluta) dello spostamento

Il circuito di condizionamento del segnale che permette di recuperare la posizione a partire dalle tensioni sinusoidali misurate ai capi degli avvolgimenti di seno e coseno è un esempio di applicazione dei sistemi di controllo a ciclo chiuso per la realizzazione di dispositivi di misura (si faccia riferimento al paragrafo 3.7.1 Metodo di misura incrementale del libro di testo di Magnani et al. “Tecnologie dei sistemi di controllo”)

Schema di principio di un inductosyn. I due avvolgimenti di seno e coseno presenti sullo slider (cursore), consentono di misurare due tensioni in quadratura.

Esempio di inductosyn. Lo slider è un cursore che si muove su una barra fissa alimentata in alternata.

Resolver

L’equivalente dell’inductosyn per misure di spostamenti angolari è il resolver.

Schema elettrico semplificato di un resolver.

Esempio di resolver commerciale

Encoder

Funzionamento basato sull’effetto fotoelettrico
In commercio esistono encoder INCREMENTALI (metodo di misura incrementale) ed encoder ASSOLUTI (metodo di misura assoluto)
Gli encoder incrementali possono essere utilizzati come sensori di posizione assoluta una volta effettuata un’operazione di inizializzazione
Rispetto agli encoder incrementali, gli encoder assoluti sono meno accurati e più costosi data la loro maggiore complessità
Gli encoder incrementali sono quelli più utilizzati

Esempio di encoder lineare incrementale

Esempio di encoder lineare incrementale.

Esempio di encoder angolare assoluto

Esempio di encoder angolare assoluto con codifica Gray

Sensori di velocità – Fly-ball governor (Watt 1788)

Il regolatore di Watt è un esempio di sensore di velocità integrato in un sistema di controllo
Le due massi rotanti trasducono una variazione di velocità angolare in una variazione di posizione (spostamento lineare)
Il movimento lineare consente di aprire o chiudere una valvola per la fuoriuscita del vapore, realizzando la regolazione della velocità di un motore

Risorse esterne:

Riproduzione del regolatore di Watt.

Sensori di velocità – La dinamo tachimetrica

Un motore in corrente continua utilizzato come generatore (dinamo tachimetrica) si comporta come un sensore di velocità angolare, ricordando che la tensione misurata ai capi delle spazzole è

$V=K_t \Omega_{rpm}$

dove $\Omega_{rpm}$ è la velocità di rotazione della dinamo.

Analogamente, è possibile utilizzare alternatori (generatori in corrente alternata) insieme a dei ponti raddrizzatori per realizzare sensori di velocità angolare senza spazzole

Schema semplificato di una dinamo tachimetrica.

Convertitori velocità angolare/frequenza

Il principio di funzionamento basato sulla legge di Faraday
La frequenza del segnale generato è proporzionale alla velocità angolare
L’ampiezza e la «forma» della tensione d’uscita dipendono dalle caratteristiche geometriche dell’elemento rotante
Il segnale generato può essere convertito con un convertitore frequenza/tensione

Esempio di convertitore velocità/frequenza.

Sensori di velocità: la dinamo tachimetrica

Il principio di funzionamento basato sulla legge di Faraday
La frequenza del segnale generato è proporzionale alla velocità angolare
L’ampiezza e la «forma» della tensione d’uscita dipendono dalle caratteristiche geometriche dell’elemento rotante
Il segnale generato può essere convertito con un convertitore frequenza/tensione

Esempio di convertitore frequenza/tensione

La tensione d’uscita è proporzionale alla corrente filtrata da un filtro passa-basso:

$V_{out}(s)=\frac{R}{1+sRC}I(s)$

Scegliendo in maniera opportuna $R$ e $C$ si ottiene

$V_{out}=R\cdot \bar{I}$

dove il valore medio della corrente $\bar{I}$ è

$\bar{I}=I_s\cdot t_w \cdot f_{in}$

con

$I_s$ corrente erogata dal generatore di corrente (può essere realizzato con uno specchio di corrente
$t_w$ durata dell’impulso generato dal monostabile
$f_in$ frequenza del segnale d’ingresso

Circuito semplificato di un convertitore frequenza/tensione.

Encoder come sensore di velocità

Si potrebbero utilizzare dei convertitori frequenza/tensione per recuperare la velocità angolare a partire dal segnale di posizione generato da un encoder.

Tuttavia una soluzione del genere presenta problemi, soprattutto alle basse velocità.

Pertanto si preferisce implementare un conteggio degli impulsi generati da un encoder incrementale in un intervallo di tempo fissato. In questo modo:

la sensibilità al rumore aumenta alle basse velocità
a basse velocità il tempo di campionamento aumenta

Misura di velocità ottenuta mediante derivata numerica

La velocità può anche essere calcolata numericamente ogni qual volta è presente un sensore di posizione (spostamento)

La derivata numerica viene solitamente effettuata dal dispositivo di controllo

Tipicamente la derivata numerica amplifica il rumore

Per mitigare l’effetto di amplificazione del rumore si può pensare di filtrare o mediare il risultato peggiorando le prestazioni dinamiche del sistema di misura

La quantizzazione della misura di posizione può causare notevoli errori di calcolo della velocità, soprattutto a basse velocità

Pertanto, laddove possibilè, si tenta sempre di ottenre misure dirette di velocità.

Accelerometri a massa sismica

Trasduce una variazione di accelerazione in uno spostamento lineare

$-X(s)=\frac{1}{s^2+\frac{b}{M}s+\frac{K}{M}}\ddot{Y}(s)$

con

$X(s)$ posizione relativa della massa sismica in un sistema di riferimento solidale alla scatola dell’accelerometro.

Schema di principio di un accelerometro a massa sismica.

Accelerometri MEMS

I Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) sono realizzati su scala micrometrica con tecnologia a semiconduttore
Sfruttano le capacità di miniaturizzazione del silicio che permette di realizzare una massa sismica connessa tramite barre di sospensione ad un supporto dello stesso materiale
Vengono utilizzati anche come rilevatori di vibrazioni

Accelerometro in tecnologia MEMS.

Massa sismica di un accelerometro realizzato con tecnologia MEMS.

Sensori di prossimità – Generalità

Forniscono un’informazione binaria sulla presenza o meno di un oggetto nel loro campo d’azione
Sono sensori binari (ON/OFF)
Si basano su vari principi di funzionamento
interruttori meccanici (con contatto fisico, problema dell’usura)
sensori magnetici, fotoelettrici, induttivi, capacitivi (senza contatto fisico)

Sono molto utilizzati nelle linee automatizzate come sensori di presenza e fine-corsa

Sensori di prossimità induttivi

Sono utilizzati per la rilevazioni di parti metalliche.

Consistono in una bobina con nucleo ferromagnetico, un circuito oscillatore ed un interruttore a stato solido.

L’ampiezza del campo magnetico generato dall’oscillatore nella bobina diminuisce a causa delle perdite in un ogetto metallico presente nel campo d’azione. Tale diminuzione viene utilizzata per azionare l’interruttore Possono avere distanze d’intervento diverse in avvincinamento e allontanamento a causa dell’isteresi magnetica.

Le caratteristiche dei sensori di prossimità induittivi (distanze di intervento, frequenza massima di operazione,…) sono normalmente riferite ad un intercettore normalizzato.

Esempio di sensore di prossimità induttivo. Si noti la filettatura che consente l'installazione del sensore.

Esempio di sensore di prossimità induttivo

Sensori di prossimità capacitivi

Principio di funzionamento simile ai sensori induttivi
Tipicamente rilevano la presenza di materiali con costante dielettrica relativa maggiore di 1.2
Possono essere utilizzati per rilevare
la presenza di oggetti all’interno di contenitori
il passaggio di un fluido in una condotta

Esempio di sensore di prossimità capacitivo.

Sensori di prossimità fotoelettrici

Usano un fascio luminoso per rilevare la presenza di oggetti che lo bloccano o lo riflettono
Sono cositutiti da un emettitore di luce (led o a infrarosso) e da un ricevitore
Il fascio luminoso può essere modulato in modo da incrementare l’immunità ai rumori rigettando il ricevitore luce non modulata