I sensori e trasduttori sono utilizzati in una vasta gamma di sistemi elettronici che vanno dal mercato Aerospace & Defense ai dispositivi medici, passando per la robotica, biotecnologie e altre applicazioni. Un trasduttore è un dispositivo che rileva uno stimolo fisico (movimento, pressione, temperatura, etc.) ed emette un segnale elettrico, di solito una tensione. Gli oscilloscopi digitali sono ottimi strumenti per la visualizzazione, misurazione, caratterizzazione e la risoluzione dei problemi dei segnali elettrici prodotti dai trasduttori, nonchè per la progettazione e la sperimentazione di sistemi elettronici. Gli oscilloscopi, così come gli analizzatori di spettro, sono di vitale importanza nel determinare quali componenti di un sistema si comportano in modo corretto e quali presentano malfunzionamenti. In questo articolo faremo una panoramica generale sulla caratterizzazione dei trasduttori con gli oscilloscopi digitali.  

Introduzione

I trasduttori sono sensibili ad una grandezza fisica in ingresso e la convertono in un livello di tensione proporzionale al valore della proprietà da misurare. Il concetto di precisione che caratterizza un trasduttore si riferisce al grado di riproducibilità di una misura, ovvero la riproducibilità in uscita di uno stesso valore a parità di condizioni.  In genere, la prima cosa che un tecnico vuole fare quando si verifica un trasduttore è quello di osservare il segnale elettrico in uscita per vedere se la sua forma è corretta e che soddisfi alcuni criteri di base. Le proprietà fondamentali dell’oscilloscopio che entrano in gioco sono la larghezza di banda, velocità di campionamento, memoria e display. Avere abbastanza banda significa avere una risposta abbastanza veloce per monitorare con precisione la forma del segnale. In caso contrario, il segnale verrà distorto e la visione sarà compromessa con la possibilità di non distinguere parametri caratteristici. La frequenza di campionamento di un oscilloscopio (al seguente link una panoramica degli articoli sugli oscilloscopi) riflette quanto spesso accade con l'analogo del convertitore ADC. Al fine di ottenere una buona vista della forma del segnale, è necessario che il campo di applicazione fornisca molti punti di campionamento che "disegnano" perfettamente un quadro dell'ampiezza del segnale in funzione del tempo. La dimensione della memoria è a sua volta importante poichè consente di memorizzare molti punti campione, visualizzabili mediante il display con la capacità di ingrandire e visualizzare i dettagli del segnale.  In figura 1 è visualizzato il canale 1 di un oscilloscopio digitale che acquisisce l'uscita di un trasduttore di forza che rileva un impulso di breve durata (circa 1 msec). Il Canale 2, invece, mostra l'uscita di un altro trasduttore (un accelerometro) situato a circa 1 metro dal punto originale dell'impatto. Un tecnico può posizionare i cursori sulle due forme d'onda per misurare il tempo di latenza tra l'impatto originale e il primo picco sostanziale del suono trasmesso. Nella figura 1 viene delineata la lettura dei cursori. In questo esempio il picco alto sul canale 1 è a 215 μsec (misurato rispetto al tempo di trigger) e il primo grande picco ad andamento negativo sul canale due è a 1.455 ms. Questo fornisce uno scostamento temporale di 1.240 msec tra gli eventi dei due trasduttori. Un ingegnere può ottenere una migliore visualizzazione, e una misurazione più accurata, utilizzando lo strumento di zoom dell’oscilloscopio.

Figura 1: C1 mostra l'uscita di un trasduttore di forza e C2 è l'uscita di un accelerometro. C1 (traccia gialla) rileva un brusco impulso. C2 (traccia rossa) mostra un ritardo con un lungo effetto di ringing.

Le misure

I trasduttori (talvolta denominati anche sensori) convertono il rilevamento di un'attività del "mondo reale" (un cambiamento di temperatura, accelerazione, ecc) in un segnale elettrico. Per capire meglio ciò che il trasduttore ci sta comunicando è spesso una buona idea convertire il segnale, di solito in volt, in unità reali che descrivono ciò che il dispositivo ha rilevato. Questa è una semplice equazione matematica lineare dove bisogna specificare l’intercetta all’ordinata e il coefficiente angolare. Per esempio, se l'accelerometro descritto nella figura 1 ha un'uscita di 1 volt per 10 G di accelerazione, la conversione (in una prima approssimazione) da "volt" a "G" è y = 10x. La funzione matematica che converte le forme d'onda di tensione del trasduttore in unità fisiche è definita come "rescale." La figura 2 mostra un esempio dove viene indicata la forma d'onda di tensione dall’uscita di un trasduttore, e in basso la forma scalata. Il segnale in basso ha esattamente la stessa forma, ma tutti i numeri sono dieci volte più grandi e le unità sono in "gravità" anziché "volt".

Figura 2: Segnali di misura nel “mondo reale”

La capacità di ridimensionare una forma d'onda da parte dell’oscilloscopio digitale è decisamente una semplice operazione matematica, a differenza di altre funzioni che combinano un mix di elettronica digitale high speed. Dal punto di vista matematico, un sensore che misura l'accelerazione è la derivata della [...]

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