Tecnologie dei sistemi di automazione e di controllo - le grandezze meccaniche

Sensori di grandezze meccaniche

Q=S , espressa in C/N (coulomb/newton), (6)c Pdove Q denota la carica elettrica generata e P la forza esercitata sul sensore.Poiché SQ= = c , (7)V PC Cdove V è la forza elettromotrice generata e C è la capacità equivalente dell’intero sistema a montedel punto dove si rileva V (inclusi i cavi di collegamento e la capacità d’ingresso dello strumento dimisura).La sensibilità in tensione del sensore è data daS= cS (8)μ CSi vede che S varia con C e quindi con le condizioni d’impiego (cavi di collegamento e strumentoμdi misura).

Sensori di grandezze meccaniche 23Questi sensori hanno frequenze di risonanza elevate (10 MHz) e quindi si prestano bene a rilievi inregime dinamico. Inoltre sono molto robusti e di ridotte dimensioni. Essi sono però sensibili allatemperatura ed all’umidità e sono difficili da calibrare in condizioni statiche.

2.2.1. Sensori ad estensimetri (celle di carico)Una cella di carico

è costituita da un cilindro di materiale dotato di una certa elasticità, sulla cui superficie esterna sono applicati quattro strain gages (Fig.5) disposti in modo da essere assoggetti alle deformazioni trasversali (S1, S2) ed a quelle di compressione (S3, S4).

I quattro estensimetri sono collegati in modo da realizzare un circuito a ponte di Wheatstone a squilibrio, ottenendo in tal modo elevata sensibilità ed una compensazione automatica delle variazioni termiche e dei disturbi che interessano simultaneamente tutti gli elementi del ponte (Fig.6).

2.3. SENSORI DI POSIZIONE (SPOSTAMENTO)

I sensori di posizione possono essere:

• assoluti, se il segnale elettrico fornito può rappresentare un qualsiasi valore tra quelli assunti dal segnale relativo alla grandezza fisica
vantaggio dei sensori potenziometrici è il loro basso costo e le dimensioni ridotte. Possono essere utilizzati per misurare sia lo spostamento lineare che angolare e possono avere un'uscita con andamento logaritmico o quadratico. La resistenza del partitore può essere realizzata in diversi materiali, come il carbonio, la ceramica conduttiva o il filo metallico.svantaggio è associato alla necessità di avere un contatto fisico con l'oggetto e quindi all'usura meccanica che ne riduce il tempo di vita. I potenziometri a rotazione sono molto diffusi ed hanno linearità di 0,1% o migliori. Fig.7 - Potenziometri lineare ed angolare 2.3.1. Sensori di posizione ottici Molti sensori di posizione sono di tipo ottico, ossia trasformano la posizione di un corpo mobile in un segnale elettrico digitale, mediante un fotoaccoppiatore. I fotoaccoppiatori sono di due tipi: - a forcella, in cui la radiazione emessa da un diodo emettitore (led) è inviata ad un fotorivelatore mediante un supporto a forma di forcella (Fig.8). Se lo spazio tra la forcella è libero, la luce colpisce il fototransistor e lo pone in stato di saturazione (uscita "0"). Se nello spazio interno c'è un corpo opaco, il fototransistor si pone in stato d'interdizione (uscita "1"). Fig.8 - Sensore ottico a forcella



La forcella a riflessione è simile alla precedente, ma in questo caso il corpo in movimento deve avere una zona riflettente e una zona assorbente (tacche) per modificare l'accoppiamento ottico tra il led e il fotoricevitore.

L'elemento che interrompe l'accoppiamento ottico è generalmente a forma di riga nei sensori a moto lineare o di disco nei sensori a moto circolare. Il movimento della riga o del disco produce una successione di "0" e "1". Il circuito di condizionamento per sensori di questo tipo prevede sempre un circuito squadratore (trigger di Schmitt) posto all'uscita di un fototransistore, per aumentare la pendenza dei fronti del segnale.



Il principio della trasmissione di un segnale ottico è sfruttato anche nei sensori di grandezze meccaniche.

spostamento angolare (encoder). Questi sfruttano il controllo della trasmissione di un fascio luminoso, trasformando la posizione angolare dell'asse del motore nell'uscita elettrica di un fotorivelatore (Fig.11). Un disco provvisto di fenditure equispaziate è collegato all'asse rotante di cui si vuole misurare la posizione. Il disco rotante è interposto tra una sorgente luminosa ed un sensore luminoso (fotodiodo). Il conteggio delle oscillazioni del segnale in uscita dal circuito di amplificazione successivo al fotodiodo consente di determinare l'intervallo angolare di cui il disco ha ruotato. La risoluzione angolare dipende dal numero di fenditure presenti sul disco. Per aumentare la risoluzione si può far ruotare il disco più velocemente, facendogli percorrere più giri per ogni giro dell'albero. Gli encoder possono essere assoluti o incrementali. Gli encoder assoluti forniscono in uscita un segnale digitale diverso per ciascunadelle posizioneche può assumere la parte mobile. Ad esempio (Fig.12) la parte mobile può essere divisa in piùfasce, ognuna delle quali presenta zone diversificate, tali da fornire in uscita un codice di posizionemultibit. Il difetto di questo sistema è la sensibilità ai disallineamenti tra i fotoaccoppiatori ed aidiversi tempi di risposta.

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Fig.11 - Encoder assoluto



Fig.12 - Codici digitali per encoder assoluti

Gli encoder incrementali forniscono la posizione contando il numero di impulsi che si sonoverificati a partire da una posizione di riferimento (zero). La forma del segnale digitale èindipendente dalla posizione. In Fig.13 è rappresentato un esempio di encoder incrementale, in cuiun contatore provvede al conteggio degli impulsi (CK) generati dal fotoaccoppiatore. Un altrofotoaccoppiatore individua il riferimento di zero, ed abilita il contatore.



Fig.13 - Encoder incrementale lineare

Se è

È necessario conoscere anche il verso dello spostamento, si utilizza un encoder a doppio canale(Fig.14), in cui ci sono due fotoaccoppiatori allineati tra loro. La riga presenta due file di tacche sfalsate tra loro di un quarto di periodo. La sequenza dei valori letti dai due canali sarà diversa a seconda del verso di spostamento:

• 00 - 01 – 11 – 10 – 00 in un verso
• 00 – 10 – 11 – 01 – 00 in verso opposto.



In Fig.15 è rappresentato un encoder incrementale di spostamento angolare.



I sensori incrementali, rispetto a quelli assoluti, hanno dei circuiti elettronici più complessi. Quelli assoluti richiedono una realizzazione meccanica di maggior precisione. Per questo motivo in passato erano più diffusi i sensori assoluti, mentre oggi lo sono quelli incrementali.

2.4 SENSORI DI VELOCITÀ LINEARE

2.4.1.

Sensori elettromagnetici Molti sensori di velocità lineare hanno un dispositivo installato direttamente sull'oggetto in movimento. Il principio fisico di funzionamento si basa sulla variazione prodotta nella forza elettromotrice e indotta in un avvolgimento, al variare della velocità di un magnete permanente. In particolare essa dipende dal numero di spire N e dalla variazione del flusso legata a sua volta alla velocità relativa magnete-avvolgimento: ²⁸φd= - (9)e N dt In particolare la fem sarà tanto maggiore quanto maggiore è la velocità. Ad esempio si può tenere l'avvolgimento fisso ed il magnete può essere mosso assialmente (Fig.16), o viceversa. Fig.16 - Sensore elettromagnetico di velocità lineare 2.4.2. Ruote... La velocità lineare può essere misurata anche con sensori di velocità angolare, misurando la velocità dirotazione (giri/s) e determinando quindi la velocità lineare (m/s) a partire dal raggio del dispositivo rotante: v = (10)Questa tecnica fa riferimento a ruote di dimensioni note, montate su un albero e messe a contatto con il misurando di cui si vuole misurare la velocità (ad esempio nella produzione di carta, materiale tessile, cavi). La ruota essenzialmente converte una velocità lineare in una velocità angolare che è poi la grandezza misurata. 2.4.3. Sensori ad effetto Doppler La velocità può essere misurata anche con dispositivi non a contatto. Un esempio è quello che fa uso di sensori ad effetto Doppler, in cui si genera una variazione della frequenza di un treno di onde (ad esempio onde sonore o elettromagnetiche) a causa della velocità relativa tra due oggetti (la sorgente del segnale ed il corpo in movimento). Il misuratore può essere separato dal generatore di segnale, oppure no, come avviene nei sensori Doppler ad

onda riflessa. In questi sensori la frequenza dell'onda riflessa da un oggetto in movimento a velocità è pari a f ± (11)D f f, dove f è la frequenza del segnale trasmesso e f è la variazione di frequenza dovuta all'effetto Doppler e data da λf v= 2π / (12)D λv, dove v è la componente della velocità nella direzione di propagazione dell'onda e λ è la lunghezza d'onda del segnale. Il segno + o - dipende dalla direzione del movimento dell'oggetto.

I sensori di velocità lineare sono molto utilizzati per la misura delle vibrazioni (intesa come oscillazione della velocità). Consentono inoltre la misura dell'accelerazione, eseguendo la determinazione della derivata (d/dt) de