Sistemi elettronici di misura - Parte 5

Effetto fotovoltaico

I due effetti precedenti danno luogo a sensori passivi, mentre quello fotovoltaico è riferito a sensori attivi ed è conseguente alla

conversione dell'energia radiante in energia elettrica.

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.). I fotoni, colpendo la giunzione, danno sufficiente energia agli elettroni per saltare in banda di conduzione, quindi si

genera una coppia elettrone-lacuna ed un campo elettrico (fidati) che li spinge verso fuori, per tale motivo la giunzione “fotovoltaica” può

essere rappresentata come un generatore di corrente I (corredato da effetti resistivi e capacitivi).

L

Tale effetto viene utilizzato oltre che nelle celle fotovoltaiche anche per fotodiodi e fototransistor (fanno passare corrente in base alla luce

incidente).

Effetto Doppler

L’effetto Doppler consiste nella variazione di frequenza delle onde acustiche, ottiche e radio, dovuta al moto relativo tra sorgente e

ricevitore delle onde.

In ambito acustico la variazione di frequenza dipende dal rapporto delle velocità di ricevitore e sorgente moltiplicata per la frequenza del

segnale . In ambito elettromagnetico succede una cosa molto simile, quindi tramite la misurazione della variazione di

frequenza si può risalire al moto di un corpo emettitore.

Effetto Piezoelettrico

L’effetto piezoelettrico dà luogo a una differenza di potenziale fra le due facce di particolari cristalli, quando su di esso siano applicate

delle sollecitazioni meccaniche (o viceversa). Si utilizza per realizzare sensori che convertono una deformazione in cariche elettriche, ad

esempio per misure di forza e pressioni.

Effetto Piroelettrico

Tra i cristalli piezoelettrici, ve ne sono alcuni che manifestano un ulteriore effetto, detto piroelettrico, consistente nella variazione della

polarizzazione elettrica del cristallo in seguito a variazioni di temperatura (o viceversa). Si utilizza per realizzare i sensori per la

rivelazione di radiazioni (che cambiano la polarizzazione dei cristalli).

Effetto Piezoresistivo

È l’effetto di variazione della resistività di un opportuno materiale (solitamente semiconduttori) quando esso è soggetto a una

deformazione. È utilizzato negli estensimetri, accelerometri e microfoni.

Effetto di Magnetostrizione

La Magnetostrizione è quel fenomeno fisico che determina deformazione in un materiale magnetico soggetto a magnetizzazione (e

viceversa). Viene usato per misure di forza, pressione, accelerazione misurando la variazione di permeabilità del materiale a cui sono

applicate.

Effetto galvanometrico magnetoresistivo

È quel fenomeno fisico che determina una variazione della resistività elettrica (varia la resistenza) di un materiale che venga percorso da

corrente elettrica e posto in un campo magnetico. Si può usare per misurare intensità di corrente o campo magnetico, ma si preferisce

attualmente utilizzare l’effetto Hall.

Effetto Hall

Come già trattato per il Wattmetro a effetto Hall, questo effetto determina la comparsa di una differenza di potenziale ai capi di un

materiale attraversato da una corrente elettrica e sottoposta a un campo magnetico:

Effetti termoelettrici

Il più noto è quello di Seeback, quando due metalli di temperature diverse (termocoppia) vengono posti a contatto si manifesta una fem

proporzionale alla differenza dei livelli di fermi di due metalli (quindi alla differenza di temperatura tra i due) .

Il duale è l’effetto di Peltier, quando scorre una corrente tra la termocoppia, essa può assorbire o cedere calore (utilizzato nei frighi).

Effetti termoresistivi

I materiali conduttori o semiconduttori presentano variazioni di resistenza con le escursioni termiche:

Effetti elettromagnetici

Induzione di faraday: quando una bobina di N spire è soggetta a un flusso magnetico variabile nel tempo che si concatena con le sue spire,

si induce in essa una fem .

Effetti elettrodinamici

Quando un conduttore di lunghezza L si muove con velocità v perpendicolarmente un campo magnetico di induzione B si manifesta una

fem= B L v

Viceversa, quando il conduttore è attraversato da corrente elettrica I e perpendicolarmente agisce un campo magnetico di induzione B si

genera una forza F= B L I

Effetti capacitivi

Sono sensori passivi costituiti semplicemente da un condensatore, la cui capacità varia con il modificarsi delle caratteristiche fisiche del

condensatore stesso, ad esempio per un condensatore a faccie piane parallele, la capacità può variare ad esempio, per variazione di area, di

dielettrico o distanza tra le armature (es. spostamenti del dielettrico o per applicazione di pressioni esterne) ( ). 27

Sensori di temperatura

Sensori liquido in vetro Questi sensori (termometri) sono costituiti da un bulbo inferiore, un tubo capillare graduato ed il liquido

interno (il classico termometro a mercurio). Quando la temperatura sale il liquido dilata e sale nel

tubo capillare graduato (viceversa se la temperatura scende).

Sensori bimetallici Questi sensori (termometri) si realizzano saldando l’uno all’altro due metalli con coefficienti di

dilatazione molto differenti tra loro in modo che essi, quando esposti a variazioni di temperatura,

dilatando, chiudano un contatto e quindi restituiscano un segnale da cui si può risalire alla

temperatura a cui sono sottoposti (es. una sbarretta lineare di spessore h, fissata su un lato si piegherà

con un raggio di curvatura ). La precisione ottenibile non è massima ma il costo è ridotto, poichè

si usano metalli comuni come ferro e ottone.

Sensori a termocoppia Questi sensori (termometri) sfruttano l’effetto termoelettrico di Seebeck (Δτ -> fem), la giunzione a

temperatura incognita è detta giunzione calda, l’altra, mantenuta a temperatura fissa, è detta giunzione

fredda. Misurando la fem prodotta si può risalire alla temperatura incognita:

Sensori a resistenza

Questi sensori (termometri) sfruttano l’effetto termoresistivo di metalli e semiconduttori (Δτ -> ΔR). Come visto precedentemente, la

resistivitá del materiale aumenta con funzione esponenziale:

Normalmente sono costituiti da una spira di platino, hanno un range di temperatura fra -200 °C e 800 °C ed una sensibilità intorno alle

decine di mΩ. Per misurare questa resistenza si può inserire il sensore come resistenza incognita in un ponte di Wheatstone modificato con

diversi gradi di accuratezza, fino a non comprendere nella misura le resitenze dei collegamenti, anch’esse variabili con la temperatura.

In questo caso, misura poco accurata,

considero anche le Rp dei cavi. Però, per

non avere errori troppo grandi uso cavi

grandi cosicché R sia piccola, quindi: Questo metodo è il più accurato e si utilizza nel caso di termometri campione.

Misura migliore ma forti ipotesi

Sensori di Spostamento, Forza e Pressione

Queste tre tecnologie sono molto simili tra loro, infatti i sensori di forza sfruttano un elemento che converta la forza in spostamento, i

sensori di pressione convertono la forza in spostamento (es. deformazione), quindi risalgono alla pressione esercitata (N\m =Pa).

I sensori di spostamento possono essere di spostamento angolare o lineare, e possono essere a contatto o elettromagnetici.

Sensori potenziometrici Questi sensori di spostamento sfruttano un potenziometro con cursore a

contatto con l’oggetto di cui si deve valutare lo spostamento.

È importante che la resistenza del potenziometro risulti invariante con la

temperatura (poiché in questo caso essa sarebbe una grande grandezza di

influenza), quindi si scelgono materiali resistivi con particolari proprietà termiche.

Si noti che a lungo andare la spazzola si può rovinare, quindi si può perdere

linearità tra ingresso e uscita.

Questi sensori si prestano ad essere utilizzati, anche come sensori di pressione (il

livello del contatto può essere alzato dalla pressione esercitata da un liquido).

Sensori induttivi di spostamento A variazione di riluttanza

A trasformatore differenziale

A induttanza semplice

In figura è rappresentato un sensore di I sensori di spostamento a variazione di

spostamento a induttanza semplice riluttanza sono costituiti da un circuito

Un sensore di spostamento a trasformatore

costituito da una bobina al cui interno può magnetico alimentato da un magnete

differenziale (effetti elettromagnetici) è

scorrere un materiale ferroso. permanente, dove l’allontanarsi di

costituito da tre bobine ed un nucleo di

Se il materiale ferroso è completamente un'ancorina mobile modifica l'ampiezza del

ferro fisso con una parte mobile e si basa

all’interno della bobina l’induttanza sarà traferro, quindi aumenta la riluttanza del

tra la variazione di mutua induttanza tra le

massima. Da questo si può risalire al circuito magnetico, e, di conseguenza, fa

bobine.

valore dello spostamento. diminuire il flusso concatenato con la

Se il nucleo si “chiude”, quindi se la parte bobina di avvolgimento. In presenza di

mobile è perfettamente allineata, le linee di

Tale concetto può essere inserito in un fenomeni dinamici (variazioni continue),

flusso (dovute all’alimentazione della bobina

ponte e dotato di un ulteriore morsetto nella bobina viene indotta una forza

centrale) si richiuderanno in parti uguali

centrale, di fatto sdoppiando le bobbine, la elettromotrice funzione dello spostamento,

sulle due bobbine di rivelazione, restituendo

configurazione prende il nome di sensore a mentre per fenomeni discontinui è

una tensione di uscita nulla, se invece si

rapporto di induttanze, il segnale d’uscita necessario rilevare le variazioni di

verifica uno sbilanciamento restituirà una

sarà proporzionale al rapporto fra i valori induttanza.

tensione non nulla di fase 0 o 180°.

delle due induttanze.

Sensori capacitivi di spostamento Differenziali

A dielettrico/ armatura scorrevole Privo di contatto

Un sensore di spostamento capacitivo a Un sensore di spostamento capacitivo

Un sensore di spostamento capacitivo privo di

dielettico scorrevole è costituito da due differenziale è costituito da due condensatori

contatto è costituito da un’armatura e un’altra,

armature fisse e il dielettrico mobile. Mentre (miglior sensibilità) la cui distanza tra le

supposta essere l’ogetto di misura, spostandosi

quello a armatura scorrevole si spiega da se. armature cambia.

cambia la distanza tra le armature.

I sensori capacitivi soffrono grandezze di influenza quali l’umidità dell’aria (altera il dielettrico), le capacità parassite di contatto, le

vibrazioni meccaniche (possono determinare indebite variazioni di capacità), variazioni temperatura (possono alterare il dielettrico) e

l’eventuale presenza di campi elettrici parassiti nell’ambiente circostante.

Sensori elettroottici di spostamento

A superficie riflettente A occultamento della luce Interferometrico

Questi sensori sono i più sensibili, sfruttano

Un sensore ottico di spostamento (effetto

Il sistema è composto da una sorgente di l’interferenza tra due fasci laser

fotoelettrico interno) basato

radiazioni (spesso un LED a infrarossi) e da monocromatici. Un fascio viene diviso e inviato

sull’occultamento della luce utilizza un

un fotorivelatore: il fascio luminoso viene a due specchi, uno fisso e uno solidale con

fascio luminoso, oggi spesso laser,

inviato su una superficie riflettente mobile l’elemento in movimento; i fasci riflessi,

focalizzato tramite una lente su una

e, poiché l'intensità della luce riflessa varia ricombinandosi, generano frange di

superficie con fotorivelatori. Quando un

in funzione della distanza, arriveranno più interferenza rilevate da fotorivelatori e

oggetto si interpone tra la sorgente e il

o meno fotoni al sensore ottico a effetto conteggiate da un contatore bidirezionale, che

sensore, l’ombra prodotta permette di

fotoelettrico interno, quindi misurando la permette di determinare con grande

ricavare sia lo spostamento sia le dimensioni

tensione in uscita dal rivelatore è possibile precisione lo spostamento. Grazie all’uso di

dell’oggetto. I moderni sistemi di visione

calcolare lo spostamento dell'oggetto. laser a lunghezza d’onda molto piccola, questi

confrontano il segnale ottenuto con sensori raggiungono risoluzioni dell’ordine dei

immagini standard, migliorando precisione e nanometri e sono utilizzati in macchine a

versatilità di questo tipo di sensore. controllo numerico, e in misure a grande

distanza, come il monitoraggio di dighe. 29

Estensimetri (sensori di forza) Gli estensimetri sono sensori che sfruttano l’effetto piezoresistivo

(deformazione -> ΔR) per risalire alla forza applicata. Si può dividere questo

passaggio in due sottopassaggi.

Come anticipato nel paragrafo di inquadramento, i sensori di forza utilizzano un

elemento che trasformi la forza in spostamento (deformazione -> ΔL), in questo

caso un materiale sottoposto a forza reagisce modificando la propria geometria:

si verifica un accorciamento ΔL= Lin - Lfin nella direzione della forza, finché il

materiale risponde in modo lineare, questo accorciamento è proporzionale alla

forza applicata (guarda passaggi matematici sulla sinistra -> legge di Hooke).

Tale deformazione deve essere letta dal sensore, che, come detto, sfrutta l’effetto piezoresistivo, quindi la grandezza in uscita sará la

resistenza dell’oggetto, devo quindi definire a questo punto una relazione tra ΔL e ΔR (ΔL -> ΔR).

Per fare ciò si definisce K (Gauge factor= coefficiente di sensibilità) come il rapporto tra la variazione relativa della resistenza e la

variazione relativa della lunghezza (se K è alto significa che a piccole variazioni di lunghezza corrispondono grandi variazioni di resistenza).

Se un cilindro si