Come funzionano i sensori e i trasduttori? Quali sono le analogie e le differenze fra i due dispositivi? In questo articoli scopriremo tutto!
Questo è il primo di una serie di articolata in quattro parti, e analizza i concetti base di sensori e trasduttori (questo articolo) e ne illustra l’utilizzo in altri tre settori chiave: industriale, sanitario e agricolo.
Sensori e trasduttori: una definizione
“Sensori” e “trasduttori” sono due termini spesso utilizzati in modo intercambiabile. Sebbene svolgano un certo numero di funzioni simili, è utile comprendere chiaramente le differenze tra questi dispositivi.
Un trasduttore è un dispositivo che converte una forma di energia in un’altra. Solitamente, un trasduttore converte un segnale di una certa forma di energia in un segnale di un’altra. Un sensore è un dispositivo, modulo o sottosistema, il cui compito è rilevare determinanti eventi, o variazioni, che si verificano nel suo ambiente operativo, e inviare informazioni ad altri circuiti elettronici, che sono solitamente dei processori in un computer.
Figura 1: Un esempio di trasduttore. (Fonte: Mouser Electronics)
Figura 2: Un esempio di sensore. (Fonte. Mouser Electronics)
Sensori
I sensori prevedono un elemento sensibile in grado di rilevare parametri fisici (come temperatura, calore, luce, umidità, suoni e movimento) e generare un segnale di uscita che può essere visualizzato e utilizzato.
Le principali caratteristiche da prendere in considerazione nel processo di selezione di un sensore sono le seguenti:
- Parametro rilevato: il parametro fisico che deve essere rilevato, come ad esempio la temperatura o la pressione.
- Accuratezza: la capacità del sensore di fornire un’indicazione reale dello stato effettivo del parametro che deve rilevare.
- Campo di misura (range) e risoluzione: il più piccolo valore che può essere rilevato all’interno di limiti prestabiliti.
- Calibrazione e ripetibilità: le deviazioni che subiscono le misure del sensore imputabili all’uso ripetuto e al trascorrere del tempo.
- Consumo di potenza: la potenza consumata dal sensore in relazione all’energia totale assorbita dal sistema.
- Ambiente: le condizioni in cui il sensore deve operare (ad esempio presenza di calore, umidità, vibrazioni) che possono influenzare il suo funzionamento.
- Costo: le specifiche dell’applicazione determinano il ricorso a un sensore di costo più o meno elevato.
Trasduttori
I trasduttori sono simili ai sensori in quanto integrano un elemento sensibile ma, a differenza di questi ultimi, prevedono anche un circuito per l’elaborazione del segnale preposto alla trasduzione del parametro rilevato (ovvero della conversione da una forma di energia in un’altra). Un classico esempio di trasduttore è il microfono, che trasforma l’energia sonora in energia elettrica. Esso rileva le onde sonore mediante un diaframma collegato a un magnete posto all’interno di una bobina di filo conduttore. Le onde sonore rilevate provocano il movimento del diaframma e, di conseguenza, del magnete. L’effetto elettromagnetico risultante produce un segnale elettrico di uscita la cui ampiezza e frequenza variano in base alle onde sonore rilevate. I trasduttori possono essere di tipo attivo oppure passivo. Un trasduttore attivo, come ad esempio una termocoppia, non richiede una fonte di alimentazione esterna per effettuare la conversione di energia mentre un trasduttore passivo, come un estensimetro, necessita di una corrente di eccitazione esterna per poter funzionare. Inoltre, vale la pena sottolineare che i trasduttori sono dispositivi bidirezionali, ovvero la conversione di energia può avvenire in entrambe le direzioni. Un trasduttore di uscita (che converte il segnale elettrico in un’altra quantità) viene denominato azionamento ed è l’opposto di un sensore. Tra i numerosi esempi di azionamenti si possono citare l’altoparlante, che converte l’energia elettrica in energia sonora e il motore, che converte l’energia elettrica in energia cinetica (movimento).
I sensori e la catena del segnale
Il segnale elettrico di uscita di un sensore è di tipo analogico ed è caratterizzato da un’ampiezza molto ridotta (dai microvolt ai millivolt). Di conseguenza, per poter essere elaborato da un microcontrollore, è richiesta la conversione in forma digitale. Per eseguire tale trasformazione, è innanzitutto necessario procedere al condizionamento del segnale mediante una sequenza di circuiti denominata catena del segnale. I componenti di questa catena sono i seguenti:
- Amplificatori: il compito di questi circuiti elettronici è aumentare l’ampiezza del segnale di uscita del sensore in modo da farla rientrare nell’intervallo dei valori di ingresso del convertitore analogico/digitale (ADC).
- Filtri: poiché i sensori generano segnali di ampiezza molto ridotta, fonti esterne di rumore elettrico possono deteriorare facilmente tali segnali, provocando distorsioni in fase di lettura. Numerosi parametri fisici, come la temperatura e la pressione, variano molto lentamente e i segnali di uscita generati dai rispettivi sensori sono a bassa frequenza. Di conseguenza, per rimuovere i segnali indesiderati ad alta frequenza si ricorre solitamente a un filtro passa basso (LPF – Lowe Pass Filter).
- Convertitori A/D: questi componenti ricevono in ingresso il segnale “pulito” in uscita dal filtro LPF, eseguono l’operazione di quantizzazione e convertono il segnale in formato binario. La risoluzione di un convertitore deve essere sufficiente per poter acquisire la più piccola variazione utile del segnale di ingresso. I convertitori A/D caratterizzati da una risoluzione più elevata (ovvero con un maggior numero di bit) assicurano una migliore granularità dei parametri che vengono rilevati.
Conclusioni
In questo articolo sono state evidenziate analogie e differenze tra sensori e trasduttori e spiegato il concetto di catena del segnale.
Nel prossimo articolo di questa serie verranno discusse caratteristiche e funzionamento di vari sensori comunemente utilizzati nelle applicazioni industriali.
Mark Patrick, Mouser Electronics
