Sensori per sistemi embedded – Parte 1

Il seguente articolo si pone l'obiettivo di offrire un focus pratico di approfondimento sui sensori per sistemi embedded, quali Arduino e Raspberry Pi. Dato l'ampio respiro della trattazione, il tutto è diviso in più puntate. In questa prima puntata si partirà analizzando il concetto di sensore e trasduttore, dandone una breve definizione e sottolineando le differenze. Si passa poi a definire i principi di funzionamento alla base dei sensori, con una classificazione operata per mezzo del processo fisico/meccanico che li distingue. Inoltre, viene sottolineata l'importanza della meccanica di trasduzione così da consentire la scelta del sensore per la specifica esigenza. Infine, viene fatta una carrellata dei principali sensori di distanza, sottolineando vantaggi e svantaggi, nonché casi d'uso. Vengono inoltre forniti alcuni brand che il lettore può usare come base per successive ricerche.

Sensori e Trasduttori

Il segnale elettrico è oggi diventato il "vettore" più versatile per la trasmissione, la memorizzazione e l'elaborazione delle informazioni più disparate. Le comunicazioni fra le persone (telefono, radio, televisione), le informazioni meteorologiche, i comandi a distanza, i controlli automatici delle macchine e dei meccanismi, i sistemi di regolazione automatica, gli azionamenti elettrici, fanno uso dei segnali elettrici per la trasmissione delle informazioni richieste per i vantaggi che il vettore elettrico permette. Tali considerazioni permettono di comprendere agevolmente l'interesse da sempre mostrato dal mondo industriale e da quello scientifico per quegli oggetti, chiamati "trasduttori", che trasferiscono il contenuto informativo di una grandezza fisica di un tipo ad una di un altro tipo, in particolare ad una grandezza elettrica. L'uso di un sensore permette quindi di trasformare la grandezza fisica da sottoporre alla misurazione in un segnale elettrico ad essa proporzionale e tale da essere più facilmente trasmesso a distanza e misurato. Alcuni articoli su questo blog hanno già parzialmente esplorato l'argomento (ad esempio, qui e qui). In Figura 1 è rappresentato schematicamente un trasduttore di posizione con uscita in tensione ed il relativo schema circuitale elettrico in cui compaiono anche un dispositivo di alimentazione (batteria) ed uno strumento di misura (voltmetro). L'elemento mobile si sposta in base alla grandezza fisica di ingresso determinando la modifica del punto di contatto del cursore sulla resistenza del potenziometro e quindi provocando una variazione della tensione di uscita. Misurando la tensione di uscita mediante il voltmetro si può individuare così la posizione dell'elemento mobile quindi il valore della grandezza di ingresso (posizione).

Figura 1: Esempio di un trasduttore di posizione.

Figura 1: Esempio di un trasduttore di posizione

I trasduttori, i sensori e gli attuatori hanno la stessa funzione di base: essi realizzano una trasformazione della grandezza fisica di ingresso per fornire in uscita una grandezza di tipo diverso. Ci si può chiedere perché allora sono stati utilizzati termini diversi? Le risposte che possono essere date sono diverse e non si è ancora arrivati a convergere su di una comune visione. È opinione comune che il trasduttore sia un dispositivo che opera una trasformazione della grandezza fisica che ha in ingresso per restituire in uscita una grandezza fisica di tipo diverso. Per sensori ed attuatori vi sono invece opinioni discordi: secondo alcuni autori il sensore è un dispositivo finalizzato alla trasformazione di segnali di bassa potenza a scopo di misura, mentre l'attuatore è destinato a convertire grandezze cui è associata un'energia non trascurabile. Questa opinione si basa su presupposti ingegneristici e sul significato che i termini "sensore" e "attuatore" hanno nella lingua italiana: sensore è l'elemento di percezione mentre attuatore è l'elemento che agisce per mettere in atto un comando.

Principi fisici di funzionamento di un trasduttore

Stabilito il significato che verrà associato in questo contesto ai termini trasduttore e sensore, passiamo ad esaminare brevemente i principi fisici utilizzati più frequentemente per la realizzazione dei trasduttori. Innanzitutto, bisogna segnalare che il numero estremamente elevato di grandezze fisiche che si ha interesse a convertire in segnali elettrici ha fatto sì che venisse realizzato un numero corrispondentemente elevato di trasduttori. Il numero di principi fisici utilizzato nella realizzazione dei trasduttori è pertanto rilevante: in alcuni casi i principi utilizzati sono relativamente semplici, in altri casi sono estremamente complessi e la loro descrizione richiede ben più delle poche pagine che possiamo qui dedicare all'argomento. Volendo riportare in forma di tabella alcuni tra i più importanti principi fisici utilizzati per la costruzione di sensori e trasduttori possiamo citare i seguenti:

Grandezza di ingresso Grandezza di uscita Principio fisico di trasduzione
Posizione
  • Tensione
  • Capacità
  • Induttanza
  • Variazione parametri circuitali di maglia
  • Variazione parametri geometrici condensatore
  • Variazione circuito magnetico induttore
Deformazione
  • Resistenza
  • Carica elettrica
  • Variazione resistenza provocata dalla deformazione macroscopica del conduttore (effetto piezoresistivo)
  • Polarizzazione superficiale per deformazione reticolare (effetto piezoelettrico)
Temperatura
  • Resistenza
  • Tensione
  • Variazione resistività per agitazione termica reticolare
  • Termoelettricità (effetto Seebeck)
Velocità
  • Tensione
  • Frequenza
  • Induzione elettrica
  • Effetto Hall
Intensità della radiazione luminosa
  • Resistenza
  • Polarizzazione di semiconduttori fotosensibili

Questi sono solamente alcuni dei fenomeni fisici più frequentemente usati per la realizzazione dei sensori e dei trasduttori: per ogni grandezza fisica di ingresso vi sono normalmente più soluzioni basate su fenomeni fisici diversi. È pertanto assai arduo il compito del progettista che deve decidere quale principio utilizzare nelle specifiche applicazioni per ottimizzare il funzionamento del sistema e per renderlo insensibile alle diverse cause di disturbo. I sensori ed i trasduttori non sono infatti degli elementi totalmente insensibili alle cause di disturbo che possono essere presenti nell'ambiente in cui vengono installati: essi risentono del valore che le grandezze ambientali ed esterne assumono e la ampiezza del segnale di uscita ne è condizionata.

Principi meccanici di trasduzione

I principi meccanici vengono utilizzati nella catena di trasduzione soprattutto nello stadio sensore, cioè in quel primo trasduttore della catena che si collega al misurando. Il motivo di questo utilizzo di principi meccanici è dovuto alla necessità di trasformare alcune grandezze fisiche di ingresso in altre per le quali si dispone di trasduttori con uscita elettrica. Un esempio può essere utile per chiarire il problema: volendo trasformare direttamente una forza in un segnale elettrico (tensione) dovremmo disporre di un trasduttore "forza-tensione". Non vi sono trasduttori di questo tipo perché non esiste un fenomeno fisico che permetta di generare una tensione mediante l'applicazione di una forza ad un oggetto. Al contrario, disponiamo di diversi trasduttori "spostamento-tensione" costituiti dai potenziometri, dai trasformatori differenziali, dai sensori capacitivi, ecc. Ecco allora la necessità di trasformare la forza incognita in uno spostamento per poi poter utilizzare un trasduttore "spostamento-tensione". Un semplice elemento elastico, ad esempio una molla, che subisce una deformazione proporzionale alla forza che gli è stata applicata permette di ottenere la trasformazione richiesta. Uno schema è riportato in Figura 2.

Figura 2: Schema trasformazione forza-tensione.

Figura 2: Schema trasformazione forza-tensione

La funzione complessiva del trasduttore "forza-tensione" può quindi essere scomposta in due funzioni parziali: una prima conversione "forza-spostamento" attuata dall'elemento sensore posto a diretto contatto con il misurando ed una successiva conversione "spostamento-tensione" attuata dal secondo elemento della catena di trasduzione. I principi meccanici utilizzati più frequentemente sono quelli basati sull'elasticità delle strutture e sulle leggi della dinamica. In generale, una forza applicata ad un elemento elastico ne provoca una deformazione che risulta proporzionale alla sollecitazione applicata: ad una trazione corrisponde un allungamento, ad una compressione corrisponde un accorciamento nella stessa direzione in cui agisce la forza. Pure nelle direzioni perpendicolari a quella della forza si hanno deformazioni: esse risultano però di minore ampiezza e di verso opposto a quella "principale". Tutte queste deformazioni possono essere utilizzate per effettuare una trasduzione "forza-deformazione" o "forza-spostamento".

Figura 3: Esempio mensola incastrata.

Figura 3: Esempio mensola incastrata

La geometria della struttura deve poi essere accuratamente studiata per cercare di ridurre l'effetto delle grandezze di influenza: un problema che nasce quando si fa uso della mensola incastrata (vedi Figura 3) è rappresentato dal fatto che la deformazione della mensola dipende anche dal punto in cui viene applicata la forza, e non solo dalla sua intensità. Per eliminare tale negativa influenza si usano strutture composte da due mensole vincolate, nella maniera rappresentata nella Figura 4: con una struttura sagomata in tale maniera si può dimostrare che la deformazione è indipendente dal punto in cui viene applicata la forza sulla superficie tratteggiata in grigio. La struttura così realizzata, infatti, concentra le deformazioni solamente nelle parti in cui lo spessore è minore, cioè in corrispondenza dei quattro incavi realizzati nelle due mensole principali. Avere annullato la dipendenza della deformazione dal punto di applicazione della forza ha eliminato una delle principali grandezze di influenza permettendo il raggiungimento di precisioni maggiori di quelle consentite dalla semplice mensola incastrata. Tutto questo, però, ha un costo rappresentato dalla maggiore complessità della lavorazione necessaria per ottenere la struttura descritta.

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