Definiti come "dispositivi che ricevono stimoli e rispondono con segnali elettrici", i sensori sono uno dei pilastri più essenziali di qualsiasi sistema elettronico intelligente. Formano un'interfaccia tra il mondo fisico, determinato dalle leggi della fisica, e il mondo digitale, che interpreta le informazioni fornite per utilizzarle in una vasta gamma di applicazioni.

Al giorno d'oggi, la tecnologia dei sensori fa la sua comparsa in nuovi campi di applicazione e mercati di massa come l'automotive, le infrastrutture delle smart city e l'automazione e il controllo industriale. Tutti questi utilizzano grandi spiegamenti di sensori per raccogliere dati che servono come input al sistema di controllo principale, consentendo un processo decisionale intelligente.

La crescita degli smartphone e dell'IoT ha generato lo sviluppo di molti altri tipi di sensori, specialmente quelli altamente integrati, intelligenti e a bassa potenza. Alcuni sono progettati per percepire le proprietà fisiche e altri rilevano il movimento o la vicinanza (usando l'ottica e la luce) e il flusso, tra gli altri. Per raggiungere questi obiettivi vengono utilizzate varie tecnologie, tra cui quella induttiva, magneto-resistiva, ultrasonica, ottica, a pressione e capacitiva.

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Trasduttori

I trasduttori sono dispositivi che convertono qualsiasi quantità non elettrica in un segnale elettrico proporzionale sotto forma di tensione o corrente. Questo può essere misurato come spostamento, temperatura, pressione, deformazione o altri parametri fisici. Sia gli attuatori che i sensori sono forme di trasduttori e qualsiasi trasduttore in funzione opera come un sensore o un attuatore in qualsiasi momento.

Ci sono diversi tipi di trasduttori disponibili sul mercato, tra cui temperatura, pressione, spostamento, induttivo, resistivo, capacitivo, tipo effetto Hall, livello, flusso, forza e molti altri. Risposta statica, risposta dinamica, fattori ambientali e affidabilità sono solo alcuni dei parametri importanti da considerare quando si sceglie un trasduttore.

Gli estensimetri sono spesso utilizzati in tipi di trasduttori in cui l'uscita corrispondente all'interno del design del trasduttore si riferisce al parametro da misurare. Gli estensimetri sono spesso utilizzati per determinare la forza misurata da una cella di carico e i più popolari sono costituiti da un semiconduttore o una lamina metallica. I dispositivi a lamina metallica sono generalmente realizzati con lamine in lega di rame-nichel o nichel-cromo in una disposizione a griglia e utilizzano il cambiamento di resistenza risultante dalla deformazione degli elementi della lamina.

Gli LVDT e gli RVDT (Linear and Rotary Variable Differential Transistors) sono spesso utilizzati insieme alle celle di carico e ai sistemi di prova per misurare gli spostamenti lineari e rotazionali. L'LVDT è un tipo comune di trasduttore elettromeccanico che può convertire il movimento rettilineo di un oggetto in un segnale elettrico corrispondente.

I dispositivi a semiconduttore utilizzano estensimetri al silicio o al germanio e le proprietà piezoresistive di questi materiali. I trasduttori piezoelettrici sono ampiamente utilizzati per applicazioni di rilevamento e attuazione. Quando un materiale piezoelettrico viene schiacciato o allungato, si genera una carica elettrica attraverso il materiale, detto 'piezoelettricità diretta'

Un trasduttore di pressione converte la pressione in un segnale digitale o analogico. Si possono usare diverse tecnologie per raggiungere questo obiettivo, anche se un estensimetro è la tecnologia preferita per queste applicazioni critiche. Quando un trasduttore di pressione è sottoposto a una pressione, fornisce una tensione di uscita proporzionale a questa pressione. L'uscita in tensione deve essere calibrata per riflettere il livello di pressione.

Rilevamento

I sensori di movimento rilevano il movimento di un oggetto e possono essere utilizzati per attivare un'azione determinando l'assenza o la presenza di un obiettivo. Giocano un ruolo sempre più importante nelle nostre attività quotidiane.

Un accelerometro è probabilmente il sensore di movimento più conosciuto ed è un dispositivo elettromeccanico che misura le forze di accelerazione. Tali forze possono essere statiche come la forza costante di gravità, o dinamiche, causate dal movimento o dalla vibrazione dell'accelerometro. Alcuni accelerometri utilizzano l'effetto piezoelettrico, che usa microscopiche strutture cristalline che vengono sollecitate da forze accelerative, causando a loro volta la generazione di una tensione. Un altro modo di farlo è mediante il rilevamento dei cambiamenti di capacità. Se si dispone di due microstrutture una accanto all'altra, esse hanno una certa capacità tra di loro. Se una forza accelerativa muove una delle strutture, allora la capacità viene modificata. Aggiungendo alcuni circuiti per la conversione da capacità a tensione, si avrà un accelerometro

I sensori a infrarossi passivi (PIR) e i sensori a infrarossi riflettenti sono anch’essi dei tipi comuni di sensori di movimento. I sensori PIR possono essere progettati per coprire un'ampia area di rilevamento, poiché possono rilevare la presenza di un oggetto caldo. Questo tipo di sensore, invece di emettere luce, rileva la quantità di variazione dei raggi infrarossi che si verifica quando un oggetto la cui temperatura è diversa da quella dell'ambiente circostante si muove. I sensori a infrarossi riflettenti emettono raggi infrarossi da un LED e poi rilevano i raggi riflessi per determinare la distanza di un oggetto.

Posizione

I sensori di posizione forniscono un feedback di posizione e sono in grado di offrire un controllo preciso del movimento, funzionalità di conteggio e codifica a molti sistemi. Possono rilevare un oggetto, una persona, una sostanza o il disturbo di un campo magnetico o elettrico e convertirlo in un'uscita elettrica per intraprendere ulteriori azioni.

Ci sono vari tipi di sensori di posizione basati su molte tecnologie di rilevamento diverse, ognuna delle quali ha i propri vantaggi o limitazioni. Ci sono tipi di dispositivi a contatto, come interruttori di fine corsa, trasduttori di posizione resistivi, e tipi di dispositivi senza contatto, che includono sensori magnetici (sensore ad effetto Hall e magneto-resistivo), sensori a ultrasuoni, sensori di prossimità e sensori fotoelettrici.

I giroscopi (sensori giroscopici) sono dispositivi che utilizzano l'attrazione gravitazionale della Terra per aiutare a determinare l'orientamento. La loro struttura è costituita da un disco rotante liberamente, chiamato rotore, montato su un'asse di rotazione al centro di una più ampia e stabile ruota. Durante la rotazione dell'asse, il rotore rimane fermo per indicare la forza di attrazione gravitazionale centrale e determinando la direzione verso il basso. Il giroscopio mantiene il suo livello di efficacia, essendo in grado di misurare la velocità di rotazione intorno a una determinata asse.

La misura della posizione è spesso richiesta nei loop di feedback per il controllo del posizionamento, in quanto possono misurare la distanza percorsa da qualsiasi dispositivo, partendo dalla posizione di riferimento del dispositivo a una nuova posizione, attraverso il movimento angolare e la rotazione. Le tecnologie per il rilevamento della posizione includono l'effetto Hall, resistivo e magneto-resistivo.

Con il miglioramento della tecnologia di rilevamento, i dispositivi di posizionamento diventano sempre più piccoli e migliori, aprendo la strada a un numero crescente di applicazioni. Un passo fondamentale nella selezione di un sensore di posizione adatto consiste nel comprendere i requisiti di dimensione del sensore, campo di misura, linearità, risoluzione, precisione, ripetibilità, vincoli di montaggio e robustezza ambientale.

Prossimità

I sensori di prossimità sono sensori discreti che rilevano quando un oggetto è vicino alla superficie del sensore. Sono in grado di rilevare la presenza di oggetti vicini senza alcun contatto fisico. Un sensore di prossimità emette un fascio di radiazione elettromagnetica e cerca i cambiamenti nel campo o segnale di ritorno. I sensori di prossimità sono comunemente utilizzati negli smartphone per rilevare i colpetti accidentali del touch screen quando vengono tenuti all'orecchio durante una chiamata. Le applicazioni tipiche includono il rilevamento, la posizione, l'ispezione e il conteggio su macchine automatizzate e sistemi di produzione. Sono disponibili quattro tipi fondamentali di sensori di prossimità: sensore di prossimità induttivo, sensore di prossimità capacitivo, sensore di prossimità a ultrasuoni e sensori fotoelettrici o optoelettronici.

I sensori di prossimità induttivi rispondono agli oggetti di metallo ferrosi e non ferrosi. Rilevano anche il metallo attraverso uno strato di materiale non metallico. I sensori di prossimità induttivi sono costituiti da una bobina avvolta intorno a un nucleo di ferro dolce. L'induttanza del sensore cambia quando un oggetto ferroso si trova nelle sue vicinanze. Questo cambiamento è convertito in un commutatore di tensione. I sensori capacitivi reagiscono a una variazione del mezzo dielettrico che circonda la superficie attiva senza necessariamente entrare in contatto fisico e possono quindi essere sintonizzati per rilevare quasi tutte le sostanze. I sensori capacitivi possono rilevare anche una sostanza attraverso uno strato di vetro, plastica, o cartone sottile.

I sensori fotoelettrici forniscono un rilevamento senza contatto di quasi tutte le sostanze od oggetti fino a un raggio di 10 metri. Sono costituiti da una sorgente di luce (di solito un LED, light emitting diode, in uno spettro di luce a infrarossi o visibile) e un rilevatore (fotodiodo). Il sensore ultrasonico utilizza la riflessione delle onde sonore ad alta frequenza (20 KHz) per rilevare le parti o le distanze ai vari componenti. I sensori ultrasonico sono la scelta migliore per bersagli trasparenti.

Corrente

Un sensore di corrente è un dispositivo che rileva e converte la corrente a un voltaggio di uscita facilmente misurabile, che è proporzionale alla corrente misurata. Esiste un'ampia gamma di sensori; ciascuno è adatto per un intervallo di corrente e condizioni ambientali determinati. La selezione di un sensore di corrente dipende dai requisiti di grandezza, larghezza di banda, precisione, robustezza, isolamento, costo, dimensione o costo. Il valore prodotto può essere convertito in forma digitale per essere utilizzato da un sistema di controllo o di monitoraggio, oppure mantenuto in analogico e visualizzato direttamente da uno strumento di prova della corrente.

Il sensore di corrente più utilizzato è usualmente un resistore di rilevamento di corrente. Si può considerare un convertitore corrente-tensione, dove inserendo un resistore nel percorso della corrente, la corrente viene convertita in tensione in modo lineare. La tecnologia utilizzata dal sensore di corrente è importante dato che diversi sensori possono avere caratteristiche diverse per una grande varietà di applicazioni.

I sensori di corrente sono basati sulla tecnologia ad effetto Hall, a circuito aperto o chiuso. Un sensore a circuito chiuso ha una bobina azionata attivamente per produrre un campo magnetico che si oppone al campo prodotto dalla corrente rilevata. Il sensore Hall viene utilizzato come dispositivo di rilevamento dello zero in cui il segnale di uscita è proporzionale alla corrente immessa nella bobina, che è proporzionale alla corrente misurata.

In un sensore di corrente a circuito aperto, il flusso magnetico creato dalla corrente primaria è concentrato in un circuito magnetico e misurato mediante un dispositivo Hall. Il segnale di uscita dal dispositivo Hall è il segnale condizionato per fornire un'esatta (istantanea) rappresentazione della corrente primaria.

Ottica e Illuminazione

Il sensore di luce è un dispositivo passivo che converte l'energia luminosa in un segnale elettrico in uscita. I sensori di luce sono più comunemente noti come dispositivi fotoelettrici o fotosensori perché convertono l'energia luminosa (fotoni) in un segnale elettronico (elettroni). I fototransistor, i fotoresistori e i fotodiodi sono alcuni dei più comuni tipi di sensori a intensità luminosa.

I sensori fotoelettrici utilizzano un fascio di luce per rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto. Si emette un fascio di luce (visibile o infrarossa) da un elemento emettitore di luce. Un sensore fotoelettrico di tipo riflettente viene utilizzato per rilevare il raggio di luce riflesso dal bersaglio. Un fascio di luce viene emesso dall'elemento emettitore di luce e viene ricevuto da elemento ricevitore di luce. Sia gli elementi emettitori di luce che quelli ricevitori di luce sono contenuti in un unico contenitore. Il sensore riceve la luce riflessa dal bersaglio

Un fototransistor, d'altra parte, utilizza il livello di luminosità che rileva per determinare quanta corrente può passare attraverso il circuito. Pertanto, se il sensore è in una stanza buia, ciò consente solo una piccola quantità di flusso di corrente. Se rileva una luce intensa, ciò consente una quantità maggiore di flusso di corrente. Un fotoresistore è composto da solfuro di cadmio, la cui resistenza è massima quando il sensore si trova al buio. Quando il fotoresistore viene esposto alla luce, la sua resistenza diminuisce in proporzione all'intensità di luce. Quando viene interfacciato con un circuito e bilanciato con un potenziometro, la variazione dell'intensità luminosa si presenterà come variazione di tensione. Questi sensori sono semplici, affidabili ed economici, ampiamente utilizzati per misurare l'intensità della luce.

Nella tecnologia dei sensori a fibra ottica, invece di usare l'aria come mezzo di trasmissione, il sistema utilizza un cavo a fibra ottica per trasmettere la luce tra una sorgente e un rilevatore. I sensori a fibra ottica possono essere classificati in due gruppi principali: sensori intrinseci e sensori estrinseci. Nei sensori intrinseci, il cavo in fibra ottica stesso è il sensore, mentre nei sensori estrinseci, il cavo in fibra ottica è usato per guidare la luce verso/da un sensore convenzionale.

Umidità

L'umidità è la presenza di acqua nell'aria. La quantità di vapore acqueo nell'aria può influire sul benessere umano e su molti processi di produzione in una serie di settori diversi. La presenza di vapore acqueo può anche influenzare processi fisici, chimici e biologici.

I sensori di umidità funzionano rilevando le variazioni che alterano le correnti elettriche o la temperatura dell'aria. Esistono tre tipi di base di sensori di umidità: capacitivo, resistivo e termico. Tutti e tre i tipi possono monitorare minuscole variazioni nell'atmosfera per calcolare l'umidità nell'aria.

Un sensore di umidità capacitivo misura l'umidità relativa posizionando una striscia sottile di ossido di metallo tra due elettrodi. La capacità elettrica dell'ossido di metallo cambia con l'umidità relativa dell'atmosfera. I principali campi di applicazione sono il meteo, il commercio e il settore industriale.

I sensori di umidità resistivi utilizzano gli ioni nei sali per misurare l'impedenza elettrica degli atomi. Al variare dell'umidità, cambia anche la resistenza degli elettrodi su entrambi i lati del mezzo salino. Due sensori termici conducono elettricità in base all'umidità dell'aria circostante. Un sensore è immerso nell'azoto secco, mentre l'altro misura l'aria dell'ambiente. La differenza tra i due misura l'umidità.

I sensori di umidità termica sono progettati per condurre elettricità secondo l'umidità dell'aria circostante. Per fare ciò, calcolano la deviazione tra la conduttività termica dell'aria umida rispetto all'aria secca.

Temperatura

I termostati sono dispositivi che misurano la quantità di energia termica o di freddo generata da un oggetto o sistema. Consentono di scoprire o rilevare qualsiasi cambiamento fisico di tale temperatura e producono un'uscita analogica o digitale.

Un sensore di temperatura consiste in due tipi fisici di base: Sensori di temperatura a contatto e sensori di temperatura senza contatto. I tipi di termostato con contatto richiedono di avere un contatto fisico con l'oggetto rilevato e di utilizzare la conduzione per monitorare i cambiamenti di temperatura. I termostati senza contatto utilizzano convezione e radiazione per monitorare i cambiamenti di temperatura.

È disponibile una vasta gamma di dispositivi per misurare la temperatura, i più comuni sono le termocoppie, i termistori, i rilevatori di temperatura a resistenza ("Resistance Temperature Detectors", RTD), e i tipi a infrarossi. Le termocoppie sono i più versatili, economici e presentano un ampio campo (solitamente fino a 1200 gradi centigradi). Questi sono costituiti da due fili metallici dissimili, uniti all'estremità per creare la giunzione di rilevamento. Quando vengono utilizzati in combinazione con una giunzione di riferimento, la differenza di temperatura tra la giunzione di riferimento e la temperatura reale viene mostrata come potenziale di tensione.

I termistori sono dispositivi a semiconduttore la cui resistenza cambia al variare della temperatura, tuttavia la relazione tra la temperatura e la resistenza non è lineare. Sono ideali per misure di sensibilità molto elevata in un campo limitato fino a 100 gradi centigradi.

Gli RTD utilizzano, come elemento di rilevazione, cavi di precisione, in genere in platino. Utilizzano il fenomeno per cui la resistenza di un metallo cambia con la temperatura, il che li rende lineari su una gamma più ampia, più stabili e con una migliore precisione e risoluzione delle termocoppie.

Il tipo di sensori a infrarossi utilizza il calore radiante per rilevare la temperatura da una distanza. Questi sensori senza contatto possono essere utilizzati inoltre per rilevare un campo visivo per generare una mappa termica di una superficie.

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