I trasduttori

Il trasduttore è un dispositivo che converte un tipo d’energia in un altro per misurazioni o trasferimenti d’informazioni. Molti trasduttori sono sia sensori sia attuatori. In senso lato, un trasduttore è talvolta definito come un qualsiasi dispositivo che converte dell'energia da una forma ad un'altra.
Essi possono essere classificati:

• In base alla grandezza fisica d’ingresso in:
• Primari – Convertono direttamente la grandezza fisica in una elettrica;
• Secondari – La grandezza fisica è convertita in un’altra grandezza fisica rilevabile con un trasduttore primario.

• In base al tipo di grandezza elettrica in uscita in:
• Attivi – Generano un segnale di tensione o corrente dipendente dalla grandezza fisica d’ingresso;
• Passivi – Producono la variazione di un parametro elettrico; sono inseriti in circuiti alimentati, affinché i valori rilevati siano associati alla tensione.

• In base al tipo di segnale prodotto in:
• Analogici – Il segnale d’uscita segue con continuità le variazioni della grandezza fisica in ingresso;
• Digitali - Il segnale d’uscita esprime il valore della grandezza in ingresso mediante un codice binario a n bit.

Per scegliere un trasduttore s’individuano i seguenti parametri:

Caratteristiche statiche

Sono rappresentate da relazioni, le quali sono definite supponendo costante la grandezza in ingresso.
Caratteristica di trasferimento: È il legame tra la grandezza fisica d’ingresso e quello elettrico d’uscita. Perché si possa risalire al valore della grandezza d’ingresso, un trasduttore può essere utilizzato solo nei tratti della caratteristica in cui ad ogni valore dell’uscita corrisponde un solo valore dell’ingresso.
Campo di lavoro: È il campo dei valori applicabili in ingresso e dei corrispondenti valori in uscita.
Linearità: Si ottiene limitando l’utilizzo ad una zona della transcaratteristica, approssimabile con una retta. È detto errore di linearità il massimo scarto di S0 rispetto alla retta caratteristica ideale.
Sensibilità: È il rapporto tra la variazione dell’uscita e quella dell’ingresso che l’ha provocata, vale a dire .
Risoluzione: È la più piccola variazione rilevabile dalla grandezza d’uscita.
Ripetibilità: È la capacità del trasduttore di fornire la stessa uscita quand’è applicato, in tempi diversi, lo stesso valore d’ingresso.
Isteresi: tiene conto della diversa risposta del trasduttore per valori crescenti e decrescenti della grandezza d’ingresso.

Caratteristiche dinamiche

Descrivono il modo in cui il trasduttore risponde a variazioni della grandezza d’ingresso.
Tempo di transizione: È la velocità con cui il trasduttore risponde ad un segnale a gradino applicato in ingresso.
Risposta in frequenza: È il grafico che indica come il trasduttore risponde al segnale sinusoidale, quando ci sono variazioni di frequenza.

Le termoresistenze sono dispositivi sensibili alla temperatura, la cui resistenza aumenta all’aumentare della temperatura cui sono sottoposti. Sono realizzate con fili metallici avvolti a spirale su un substrato ceramico, che può contenere il conduttore (un film di metallo). Sono solitamente di platino, ma è utilizzato anche il nichel. Essi, se è fornito loro un segnale da un generatore di corrente, presentano corrente costante e tensione uguale alla resistenza.

I termistori sono dispositivi per il rilevamento della temperatura, utilizzati in applicazioni industriali e d’automazione. Sono realizzati per sinterizzazione ad alte temperature di miscele di materiali semiconduttori, come cromo, cobalto e nichel. Essi, in natura, sono materiali resistivi; diventano, però, semiconduttori con l’aggiunta d’altri metalli. Sfruttano l’effetto Joule, secondo il quale al variare della temperatura varia anche la resistenza.
Come le termoresistenze, anche i termistori seguono questo principio; la differenza sta nel materiale che esegue il rilevamento: mentre le termoresistenze sono composte da materiali conduttori metallici (per esempio platino), i termistori sono composti da materiali semiconduttori.
La caratteristica dei conduttori è quella di aumentare la propria resistenza all'aumento della temperatura, quella dei semiconduttori è opposta. Con il drogaggio, però, anche i semiconduttori diventano soggetti alla temperatura in modo analogo ai conduttori nei confronti del passaggio di corrente, essendo però molto più sensibili alle variazioni, poiché tanto più è alta la resistenza di un materiale tanto maggiore è l'effetto Joule. Proporzionalmente alla variazione di tensione agli estremi dell'elemento è possibile risalire alla temperatura dell'ambiente in cui si trova il termistore. Ciò è possibile essendo noto il coefficiente di variazione della resistenza, che consente il calcolo approssimativo della temperatura.
Un vantaggio dei termistori è che sono di dimensioni ridotte, aventi, quindi, una massa termica molto piccola, che permette una risposta molto rapida alle variazioni di temperatura. Un altro vantaggio è l’alta resistenza del componente, che permette di ridurre gli errori nella misura della temperatura. La linearità del termistore è modesta, così come il range di temperature misurabili; inoltre, questi dispositivi sono particolarmente soggetti ad errori dovuti all’autoriscaldamento del componente. Un ulteriore problema è rappresentato dalla fragilità, cosa che porta all’alta cura in fase di montaggio, per evitarne la rottura.
Essi possono essere di due tipi: gli NTC, in cui la resistenza diminuisce all’aumentare della temperatura; i PTC, che presentano una zona in cui la resistenza aumenta all’aumentare della temperatura. Quest’ultimi presentano una maggiore sensibilità, ma hanno un campo di lavoro più ridotto.
Per linearizzare un NTC gli si può collegare un resistore (resistenza) non dipendente dalla temperatura.

La termocoppia è un trasduttore di temperatura la cui struttura di principio è la seguente:

Il funzionamento è basato sull’effetto Seebek:

• Due fili realizzati con conduttori diversi sono connessi ad un’estremità;
• Gli altri due estremi sono lasciati aperti;
• Se i due giunti si trovano a temperature differenti, tra le estremità del giunto freddo nasce una differenza di potenziale il cui valore dipende dalla differenza delle temperature e dai conduttori utilizzati.
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Tabella delle caratteristiche delle termocoppie commerciali

Le termocoppie lavorano con un vasto campo di temperature, ma sono poco sensibili; ciò costringe ad amplificare fortemente il segnale d’uscita.
Affinché da Vu si possa risalire a T1 è necessario che il giunto freddo si trovi ad una temperatura T0 nota (idealmente 0 °C, nella realtà la temperatura ambientale).
Per compensare l’offset e le variazioni della tensione d’uscita dovute alle variazioni della temperatura ambientale Ta si utilizza questo circuito, utilizzante un ponte di Wheastone:

Altri trasduttori sono:

Potenziometro: È un trasduttore che traduce in valore di resistenza la posizione del cursore. Può essere realizzato con del carbone, dei fili avvolti o un film metallico. La resistenza è data dalla formula R=Ra +Rb, mentre la tensione presente tra cursore e massa vale . Sono stati soppiantati dagli encoders;
Fotoresistori: Sono bipoli la cui resistenza diminuisce al crescere dell’intensità luminosa incidente. Sono solitamente formati da silicio o solfuro di piombo.
Le sue caratteristiche sono:

• Valori di resistenza compresi tra qualche decina e 106 ÷108Ω, a secondo ci sia luce incidente o  meno;
• Relazione non lineare tra illuminamento e resistenza;
• Forte dispersione delle caratteristiche;
• Elevato tempo di risposta.

A causa delle prestazioni limitate, sono prevalentemente usati come sensori per interruttori on-off (ad esempio, per gli interruttori crepuscolari).
Celle fotovoltaiche: Sfruttano la differenza di potenziale che si sviluppa ai capi d’una giunzione PN non polarizzata, quando viene colpita da radiazioni luminose;
Trasduttori piezoelettrici: Sfruttano l’effetto piezoelettrico, cioè la differenza di potenziale tra due facce di due cristalli sottoposti a sollecitazioni meccaniche, per produrre tensione. Sono solitamente usati per microfoni, buzzer e tweeter;
Trasduttori ad effetto di Hall: Presentano in uscita una differenza di potenziale proporzionale alla densità di flusso del campo magnetico cui sono immersi.

Apparentemente un trasduttore analogico sembrerebbe avere una risoluzione migliore di un trasduttore digitale; ciò non è assolutamente vero in quanto possono aversi trasduttori digitali in cui l’unità di base E ha un valore infinitesimo e trasduttori analogici che riescono a rilevare due ingressi come diversi tra di loro solo se la loro differenza “Di” supera un dato limite che può essere anche di molto superiore all’unità di base E del trasduttore digitale. 

Trasduttori assoluti e trasduttori incrementali
I trasduttori assoluti generano un segnale che è legato in modo univoco alla grandezza fisica misurata.
Una dinamo tachimetrica è un esempio di trasduttore assoluto in quanto ad una data rotazione corrisponde sempre un valore definito di tensione di uscita.
I trasduttori incrementali, viceversa, generano un segnale che non è legato in modo univoco alla grandezza misurata. Un encoder è un tipico esempio di trasduttore incrementale: la misura di una rotazione viene effettuata tramite un conteggio degli impulsi. 
Pertanto ad identiche posizioni del dispositivo di intercettazione rispetto al blocco emettitore-ricevitore possono corrispondere, in tempi diversi, segnali diversi, cioè un diverso numero degli impulsi contati, dovuti all’aver fissato delle origini differenti.

I trasduttori possono essere suddivisi:

• In funzione delle proprietà fisiche che sono alla base del loro funzionamento.
• In funzione del loro impiego.

Trasduttori autogeneranti, modulanti, modificatori

Un trasduttore a autogeneratore non richiede alcuna sorgente di energia esterna in quanto sfruttano principi fisici differenti, quali l’effetto termoelettrico, l’effetto fotovoltaico, l’effetto piezoelettrico, ecc.

I trasduttori modulanti richiedono invece una sorgente di energia esterna in quanto essi non producono un segnale direttamente utilizzabile.
Per poter rilevare questa variazione di resistenza è indispensabile applicare una tensione e leggere il valore della corrente. 

I trasduttori modificatori sono quei trasduttori in cui la grandezza fisica in ingresso è diversa dalla grandezza fisica in uscita; tuttavia sia in ingresso che in uscita si ha la stessa forma di energia.
A questa categoria appartengono molti trasduttori meccanici quali i trasduttori che utilizzano degli elementi elastici per la misura di forze: applicando una forza all’estremo di una molla si ha una deformazione ad essa proporzionale.

Si ha quindi una grandezza di entrata (forza) differente da quella di uscita (spostamento), ma sia in ingresso che in uscita si è sempre in presenza di energia meccanica.

TRASDUTTORI DI POSIZIONE
I trasduttori di posizione consentono di avere un segnale elettrico da cui si ottiene il valore di uno spostamento. 
I più importanti trasduttori di posizione sono i trasduttori elettrici e quelli ottici. 
Nei trasduttori elettrici in seguito ad uno spostamento, in funzione del trasduttore, si ha:

• La variazione di una resistenza elettrica (potenziometri).
• La variazione del flusso concatenato con un avvolgimento (resolver e inductosyn).
• La variazione della permeabilità magnetica del mezzo in cui sono immersi due avvolgimenti (trasformatore lineare variabile).
• La variazione di una capacità (trasduttori di posizione capacitivi).

I trasduttori maggiormente utilizzati nel campo della robotica e delle macchine utensili sono gli encoder ottici, rotativi o lineari, i resolver e gli inductosyn (versione lineare dei resolver); i potenziometri non vengono utilizzati in quanto facilmente usurabili. Per la misura di piccoli o piccolissimi spostamento si utilizzano i trasformatori lineari varabili e, nel caso di misure di alta precisione, i trasduttori capacitivi.
In quelli ottici si ha un disco o una riga in cui sono ricavate una serie di zone opache e di zone trasparenti che costituiscono il sistema di intercettazione. La rotazione del disco e lo spostamento di un cursore nel caso di encoder lineare fa in modo che un raggio luminoso venga intercettato quando incontra una zona opaca e venga lasciato passare quando ne incontra una trasparente. La misura della posizione si ottiene tramite il conteggio di questi impulsi. Oltre agli encoder lineari si hanno anche gli encoder magnetici, a effetto hall o di altro tipo.

I POTENZIOMETRI
Un potenziometro è un trasduttore costituito da un elemento resistivo omogeneo e con sezione costante su cui scorre un cursore collegato al dispositivo di cui si vuol rilevare la posizione; si ottiene in uscita una tensione proporzionale alla posizione x del cursore:

Si ha pertanto che la tensione di uscita Vu è proporzionale allo spostamento x del cursore del potenziometro. 
In base alla classificazione fatta nei paragrafi precedenti i potenziometri sono dei trasduttori:

• Assoluti in quanto esiste una relazione univoca tra la tensione di uscita Vu e lo spostamento x.
• Analogici in quanto danno in uscita un segnale che varia con continuità.
• Modulanti in quanto in essi in seguito alla variazione della posizione si ha una variazione della resistenza elettrica che costituisce un segnale non direttamente utilizzabile, ma che necessita, per essere rilevata, di una sorgente di energia esterna.

Le piste potenziometriche usate possono essere rettilinee, ad arco ed elicoidali:
Nei potenziometri a pista rettilinea il cursore si muove in modo rettilineo.
Nei potenziometri ad arco il cursore si muove lungo una pista circolare con un angolo di rotazione di 300°¸330°.
Nei potenziometri elicoidali l’elemento resistivo ha la forma di una elica con molte spire, per cui, per la completa escursione del potenziometro, devono farsi tanti giri quante sono le spire dell’elica. Il cursore deve avere ovviamente anch’esso un moto con lo stesso passo dell’elica dell’elemento resistivo.
I potenziometri presentano l’inconveniente di richiedere il contatto fisico tra il cursore e l’elemento resistivo: sono pertanto soggetti ad usura e non sempre possono impiegati quali trasduttori disposizione.
IMPIEGHI:
sono molto impiegati nei sistemi di controllo per ottenere delle tensioni variabili. I materiali resistivi per i potenziometri sono: plastica conduttiva, cermet, filo.
I dati che devono essere conosciuti per la scelta di un potenziometro sono: linearità, risoluzione, sensibilità, caratteristiche geometriche, ecc.

I RESOLVER
Il resolver è un trasduttore per la misura di spostamenti angolari molto utilizzato sia nel campo delle macchine utensili che della robotica. Esso consente di rilevare la variazione di un flusso di induzione magnetica concatenato con un solenoide in funzione della sua posizione; tale flusso viene generato da un altro solenoide percorso da una corrente alternata ad elevata frequenza.
I due solenoidi, di cui uno fisso e l’altro rotante, sono disposti intorno ad uno stesso nucleo di ferro, fatto di lamierini isolati: in base alle loro posizioni reciproche tutto il flusso dovuto al primo avvolgimento risulta concatenato totalmente o solo parzialmente con il secondo. Si avrà perciò una tensione indotta avente caratteristiche che dipendono dalla loro posizione reciproca.
Collegando all’uscita del secondario un voltmetro per corrente alternata, che legga cioè il valore efficace della tensione, si riesce ad individuare la posizione del rotore limitatamente alla sua posizione in un quarto di giro. 

Se oltre a leggere il valore dell’ampiezza della tensione venisse anche letto se la tensioni d’ingresso e quella di uscita siano tra di loro sfasate o meno, si può individuare la posizione del rotore in un campo di 180°.
Si è quindi in presenza di un trasduttore assoluto limitatamente ad un campo di funzionamento di mezzo giro.
La direzione del vettore induzione risultante dipende quindi dalle ampiezze delle tensioni che alimentano i due avvolgimenti e pertanto, variandole, si riesce a modificarne la direzione. 
Poiché gli avvolgimenti rotorici sono disposti tra di loro a 90° anche le due tensioni che si hanno in essi saranno sfasate tra di loro di 90°.
La lettura contemporanea di queste due tensioni consente di individuare in modo univoco la posizione del rotore rispetto alla direzione del flusso magnetico nell’ambito di un giro. 
La misura dello sfasamento dà quindi direttamente la misura della rotazione angolare: la relazione che lega ora rotazione e sfasamento è una relazione di proporzionalità. È necessaria la presenza di un dispositivo che trasformi lo sfasamento in una tensione ad esso proporzionale.
I resolver sono molto usati quali trasduttori di spostamento nelle macchine utensili e in robotica.  Sono molto robusti, hanno una lunga durata e possono essere impiegati anche in condizioni ambientali difficili, quali possono essere quelle industriali; entro ampi limiti sono insensibili agli urti, alle vibrazioni e ad un uso prolungato; hanno una ottima precisione e stabilità e sono molto affidabili; i resolver senza contatti striscianti, in condizioni di corretta utilizzazione, hanno una durata praticamente illimitata.
I revolver sono dei trasduttori:
-assoluti: in quanto esiste una relazione univoca tra ilo segnale di uscita e la rotazione, perlomeno limitatamente ad una rotazione di 360°.
-analogici: in quanto danno in uscita un segnale che varia con continuità.
-modulanti: in quanto essi in seguito alla variazione della posizione angolare si ha una variazione del flusso magnetico concatenato che costituisce un segnale non direttamente utilizzabile ma che necessita per essere rilevata, di una sorgente di energia esterna.

inductosyn
L’inductosyn può esser considerato la versione lineare del resolver.
In esso lo statore viene sostituito da una scala o regolo in materiale isolante su cui è presente un circuito stampato a greca avente passo p e la lunghezza necessaria.
La greca sostituisce il solenoide nello statore.
Il rotore viene sostituito da un cursore (slider), anch’esso in materiale isolante, con due circuiti stampati identici a quelli della scala e sfasati tra di loro di un quarto di passo.  Con tale sfasamento si realizza una soluzione analoga a quella costituita dai due avvolgimenti rotorici sfasati di 90°.
Anche gli inductosyn sono molto usati quali trasduttori di spostamento nelle macchine utensili, anche se oggi il loro impiego è meno frequente. Sono molto robusti, hanno una lunga durata e possono essere impiegati anche in condizioni ambientali difficili, quali possono essere quelle industriali; entro ampi limiti sono insensibili agli urti, alle vibrazioni e ad uso prolungato; hanno una ottima precisione e stabilità e sono molto affidabili.

TRASFORMATORE LINEARE VARIABILE
In questi trasduttori uno spostamento lineare di un nucleo magnetico viene trasformato in una tensione sinusoidale la cui ampiezza è proporzionale in valore e segno allo spostamento stesso rispetto ad una posizione centrale.
Un trasformatore lineare è costituito da tre avvolgimenti tra di loro coassiali.  Nel loro interno è presente un nucleo ferroso cilindrico che può scorrere assialmente. 
Il valore delle tensioni originate negli avvolgimenti dipende, oltre che dalla variazione di flusso, anche dalla posizione del nucleo ferroso nell’interno degli avvolgimenti.
Se il nucleo è in posizione centrale, disposto cioè simmetricamente rispetto ai due avvolgimenti, in essi si hanno due tensioni eguali e, essendo collegati in controfase, all’uscita si ha una tensione nulla.
Se il nucleo viene spostato verso sinistra si ha che il flusso concatenato con l’avvolgimento destro è minore, mentre aumenta quello concatenato con l’altro avvolgimento.
La differenza tra le due tensioni, letta all’uscita dei due avvolgimenti, è proporzionale allo spostamento del nucleo.

La tensione alternata di uscita viene trasformata tramite un opportuno circuito elettronico in una tensione continua, positiva o negativa a seconda che si sia in concordanza o in discordanza di fase.
Essi vengono impiegati per spostamenti di piccola entità, generalmente non superiori a 200mm. Hanno una costruzione robusta e resistente agli urti ed alle  vibrazioni per cui sono usatissimi per la misura di spostamento lineari di piccola entità.
Non si hanno contatti striscianti che possano provocare usura per cui anche l’affidabilità è molto buona. 

TRASDUTTORI CAPACITIVI AD AREA VARIABILE
Nei trasduttori capacitivi si hanno in genere due condensatori di cui si rileva la variazione della capacità dovuta ad una variazione della superficie affacciata o della distanza tra le armature.
Nel trasduttore capacitivo ad area variabile si hanno tre armature identiche; di queste due sono fisse, l’altra può scorrere mantenendo sempre una distanza rigorosamente costante dalle armature fisse. 
Questi trasduttori vengono impiegati per spostamenti di piccola entità, generalmente di circa 20-30 mm; le armature non possono avere dimensioni molto ridotte in quanto si avrebbero valori della capacità molto bassi.
L’insieme delle tre armature corrisponde a due condensatori collegati in parallelo alimentati con due tensioni di eguale ampiezza, ma sfasate tra loro di 180°; pertanto se l’ armatura mobile è in posizione centrale, disposta cioè simmetricamente rispetto alle due armature fisse, i due condensatori hanno la stessa capacità e in essi si hanno due tensioni di eguale ampiezza, ma in contrapposizione di fase e si ha una tensione di uscita, pari alla loro somma, nulla.

1. Se l’armatura mobile viene spostata verso sinistra la capacità del condensatore destro diventa minore, mentre aumenta quella dell’ altro condensatore. Si hanno cosi due tensioni, sempre in controfasce, ma di ampiezza diversa e pertanto si ha una tensione di uscita, pari alla loro somma, diversa da zero e proporzionale allo spostamento dell’ armatura. Si suppone che tale tensione sia in fase con la tensione di alimentazione.
2. Se l’ armatura mobile viene spostata verso destra è  la capacità del condensatore sinistro ad essere minore, mentre aumenta quella del condensatore destro. Si ha ancora una tensione di uscita proporzionale allo spostamento dell’armatura ma in opposizione di fase rispetto alla precedente.

TRASDUTTORI CAPACITIVI A SEPARAZIONE VARIABILE
Nel trasduttore capacitivo a separazione variabile si hanno tre armature identiche; due di queste, parallele tra di loro, sono fisse, la terza può scorrere perpendicolarmente alle altre.
Se l’armatura mobile viene spostata verso sinistra la capacità del condensatore destro è minore, mentre aumenta quella dell’altro condensatore e si ottiene una tensione di uscita proporzionale allo spostamento dell’armatura che si suppone in fase con la tensione di alimentazione.
Se l’armatura si sposta verso destra si ha che è ora la capacità del condensatore sinistro ad essere minore, mentre aumenta quella del condensatore destro e si ha una tensione di uscita proporzionale allo spostamento dell’armatura, ma in opposizione di fase rispetto alla precedente.
La tensione alternata di uscita viene trasformata, tramite un opportuno circuito elettronico, in una tensione continua, positiva o negativa a seconda che si sia in concordanza o in discordanza di fase.