Appunti di Misure meccaniche e termiche - seconda parte del corso

PSD CCD

Trasduzione immediata Spostamenti inferiori a quelli di un pixel

non vengono catturati

Sono più soggetti a disturbi di luce i Si riescono ad eliminare più facilmente i

quali cambiano l’intensità disturbi

/ Più costosi

/ È un uscita digitale

4) Encoder

Si dividono in varie tipologie

1) Encoder incrementali rotazionali Sono costituiti da un disco in materiale

plastico trasparente sulla quale vengono

ricavate delle tacche scure equi spaziate

tra loro

Gli encoder sono dispositivi che lavorano in

binario, ovvero la zona d’ombra viene associata

la cifra 0 e alle zone luminose la cifra (o

viceversa) Chiamato segnale TTL

- Differenze rispetto la ruota fonica

o Superano le ruote foniche perché le prestazioni sono meccanicamente

migliori, sono più facili da realizzare e da gestire.

o Se si volesse aumentare la risoluzione di una ruota fonica bisogna

aumentarne il numero di denti, chiaramente è un operazione non facile ed

economicamente dispendiosa mentre negli encoder basta aggiungere delle

tacche alla ruota.

o Lo svantaggio degli encoder sta nella loro fragilità (nelle auto ad esempio

troveremo sempre una ruota fonica e mai degli encoder)

o

- Come fornire il verso di rotazione

È possibile ottenere il verso di rotazione aggiungendo un ulteriore

corona di tacche sfasate rispetto alle prima esattamente di mezza tacca

o Le tacche di B sono sfasate

rispetto quelle di A

esattamente di mezza tacca

Se analizziamo singolarmente o A o B abbiamo

informazioni sulla velocità angolare mentre se

si analizzano insieme A e B allora otteniamo

informazioni anche sul verso di rotazione, oltre

che aumentare la risoluzione.

o Se l’osservatore nota prima le tacche di A e

successivamente le tacche di B allora vuol dire che

l’encoder sta girando in senso antiorario

o Se l’osservatore nota prima le tacche di B e

successivamente le tacche di A allora vuol dire che

l’encoder sta girando in senso orario

- Aumento di risoluzione

L’aumento di risoluzione è sempre legato all’aggiunta di una corona di tacche

nell’encoder

o Avendo una sola corona di tacche la risoluzione è legata al numero di tacche

(solitamente 720)

o Si può quadruplicare la risoluzione guardano

{

- È possibile misurare una posizione assoluta con l’encoder incrementale?

È possibile aggiungendo una terza corona, chiamata zero. È una

corona tutta bianca con un'unica tacca disegnata.

o Lo zero serve per resettare il conteggio e allo stesso

tempo consente di avere la posizione assoluta dell’albero

o L’altra funzione della tacca zero è quella di correggere

eventuali errori

Supponiamo che le corone A e B hanno 720 tacche se durante un giro non c’è

nessun disturbo o interferenza al passaggio della tacca zero il conteggio è

esattamente di 720 tacche, se invece durante il giro è entrato un disturbo allora

al passaggio della tacca zero quello che si legge è ad esempio 721 tacche.

Quindi la corona zero ci ha permesso di individuare l’errore e tramite il reset lo

possiamo correggere.

- Reiezione dei modi comuni

È un modo per risolvere ulteriori errori nel segnale, si aggiungono all’encoder altre 3

̅, 0̅

̅,

corone ̅ ̅

( è , è ℎ)

̅

{

0̅ 0

̅ ≠ −

È importante specificare che

o Disturbo comune

o Disturbo non comune

Se presente un disturbo comune il metodo della reiezione dei

modi dei modi comuni ci permette di eliminarlo andando a

̅ −

calcolare

Così facendo elimino il disturbo comune e inoltre un eventuale

disturbo non comune lo rendo minimo in quanto si duplica

l’ampiezza del segnale

̅

; 0 − 5

{ ̅

− 0 − 10

- Segnale TTL

Gli encoder lavorano come già visto con codice binario solitamente con ampiezze di 0

oppure 5V, ovvero segnale basso-alto.

Il segnale viene trasportato dall’encoder all’acquisitore (solitamente un pc) con un

sistema di cavi, i quali possono avere delle piccolo oscillazioni del segnale quindi può

accadere che il segnale di arrivo non sia perfettamente di 5V ma qualcosa di meno ad

esempio 4V

Per risolvere questo problema si adotta appunto la logica TTL

o Segnale reale di arrivo

o Segnale modulato con la logica TTL

3,8 0,8

La logica TTL impone due soglie

3,8 5

{ 0,8 0

Vengono utilizzate due soglie per creare una zona di mezzo di sicurezza, perché se

2,5

avessimo usato un solo limite ad esempio

2,5 5

{ 2,5 0

2,6 5 2,4

Quindi un segnale a viene visto come segnale a mentre uno a verrebbe

0

visto come segnale a chiaramente aumenta di tantissimo l’incertezza della

misurazione.

2) Encoder assoluto Ogni disco ha la sua fonte luminosa e il suo osservatore

In questa maniera le posizioni indicate sono univoche e

sono espresse da un preciso codice binario

- Come aumentare la risoluzione

Supponiamo che inizialmente l’encoder sia suddiviso solo in metà disco scuro e metà

disco chiaro, quindi il segnale in uscita sarà ad un unico bit (1 o 0), cioè la risoluzione

1

2

sarà 3

2

{3

2

È quindi facilmente intuibile che la risoluzione sarà (con 5

2

5

pari al numero di corone inserite)

Quindi per aumentare la risoluzione basta aumentare il numero di corone

- A differenza degli encoder incrementali dove si hanno risoluzioni molto spinte

anche con una sola corona, con gli encoder assoluti si fa più difficoltà ad

ottenere risoluzioni più elevate.

- Codice Gray

Gli encoder assoluti lavorano con il codice Gray e non con la numerazione binaria;

perché

Nella numerazione binaria può accadere che il passaggio tra un cifra e l’altra faccia

variare più di un bit alla volta e questo potrebbe portare a degli errori nella lettura,

per questo viene usato il codice Gray il quale modifica solo un bit alla volta tra il

passaggio da un cifra all’altra.

Esempio Volendo passare dalla cifra 1 alla 2

00001 00010

Utilizzando la numerazione binaria abbiamo

che la variazione di 3 cifre, ovvero quello che

accade è che il sistema leggerà

00001 ; 00011 ; 00010

Che in notazione decimale

corrisponderebbero alla lettura di 1 ; 3 ; 2

Mentre utilizzando la numerazione col codice Gray, a variare è solo un bit quindi non

si va incontro a nessun tipo di problema.

- Come convertire un numero binario in codice Gray?

Si effettua la somma tra il codice in binario e lo stesso codice in binario ma traslato di

una posizione verso destra.

o Quindi la prima cifra del codice Gray e binario

coincideranno sempre

o E la somma di due numeri uguali viene segnata come zero

( 1 + 1 = 0)

- Reiezione dei modi comuni negli encoder assoluti

Non ha alcun senso aggiungere altre 3 corone negate per utilizzare la reiezione dei

modi comuni

ipotizziamo che presa una serie di letture

subito dopo l’istante 0,0,1 l’encoder

invece di rilevare l’uscita successiva 0,1,0

rileva un uscita completamente

differente come può essere 1,1,1

Chiaramente ci si accorge subito che questa nuova lettura dell’encoder è frutto di un

disturbo perché abbiamo detto che ogni posizione è univocamente definita perciò

vorrebbe dire che l’encoder in un istante ha compiuto un spostamento molto

innaturale, oltre che fisicamente impossibile.

Scelta tra un encoder rotazionale o lineare

Supponiamo di voler misurare la grandezza x

(che potrebbe ad esempio essere lo

spostamento di una dentiera per l’apertura di

un cancello)

Abbiamo da subito due grandi differenze;

o L’encoder lineare fornisce direttamente il valore della posizione x

o L’encoder rotazionale invece misura il numero di giri dalla quale poi risaliamo

alla posizione x

Bisogna specificare che quando possibile è sempre preferibile utilizzare lo strumento

di misura che fornisce direttamente la misurazione del dato che a noi interessa

rilevare

Ci sono però delle problematiche

L’encoder lineare fornisce direttamente il

L’encoder rotazionale è un encoder molto valore della misura d’interesse, però serve un

piccolo quindi con costi minori ma non fornisce encoder sufficientemente lungo quanto la

direttamente il valore della misura che a noi cremagliera quindi avremmo maggiori ingombri e

interessa questo sarà causa di maggiori incertezze di costi decisamente superiori.

misura. Misure di deformazione

Come prima cosa definiamo la deformazione, come

Questa è la definizione matematica che poi vedremo discostarsi

dalla definizione operativa

Va anche sottolineato che la deformazione è un valore estremamente piccolo e

soprattutto adimensionale

Per questo convenzionalmente viene scelta come ‘’unità di misura’’ della

deformazione, quella che è chiamata la micro-deformazione ovvero

[]

Ora vediamo i principali strumenti di misura della deformazione:

1) Estensimetri Resistivi Sono dispostivi che convertono la deformazione in una

resistenza elettrica

∆ =

o ( = )

Nei mate