TRASDUTTORI DI POSIZIONE

I TRASDUTTORI

I trasduttori sono dei dispositivi che trasformano una grandezza fisica in una grandezza di altro tipo, generalmente elettrica, al fine di poterla misurare o di poterla confrontare con una grandezza della stessa natura.

Le principali caratteristiche di un trasduttore sono:

1. Campo di funzionamento: è l’intervallo di valori che il trasduttore può accettare conservando le sue caratteristiche di precisione e senza che esso venga danneggiato.

2. Risoluzione o potere risolutivo: in un trasduttore l’uscita non varia mai con continuità, ma presenta sempre una discontinuità, anche se infinitesima, tra un valore e il successivo. Si ha cioè un andamento a gradino per cui si verifica che a due valori di ingresso, tra di loro diversi, corrisponda una stessa uscita.

3. Precisione dello strumento: la classe di precisione di un trasduttore è definita come il rapporto, moltiplicato per cento, tra il massimo errore assoluto che si ha nel campo di misura e il massimo valore misurabile:

4. Linearità: un trasduttore si definisce lineare quando la curva rappresentante il legame tra ingresso ed uscita è una retta: cioè vi è una relazione di proporzionalità tra ingresso e uscita.

5. Sensibilità: viene definita come sensibilità il rapporto tra la variazione della grandezza in uscita e la variazione della grandezza in ingresso. La sensibilità deve essere elevata in modo da garantire in ogni caso una risoluzione maggiore del grado di precisione richiesto.

6. Offset iniziale: è l’eventuale errore che dà il trasduttore in assenza di segnale di ingresso. Se il suo valore è costante non rappresenta un problema in quanto il suo effetto può essere facilmente corretto.

7. Isteresi: i trasduttori possono dare una uscita diversa, per lo stesso ingresso, a seconda che vi si giunga per valori crescenti o per valori decrescenti.

8. Tempo di risposta: il trasduttore può rispondere in ritardo ad un segnale di ingresso; si definisce come tempo di risposta il tempo necessario affinché l’uscita raggiunga, senza oscillazioni, un valore pari al 90% del valore a regime.

9. Condizioni di impiego: vengono definite le caratteristiche limite di impiego entro cui il trasduttore funziona correttamente.

10. Sovraccarico: è il valore massimo del segnale di ingresso, oltre il campo di misura, che può essere applicato senza che il trasduttore si danneggi.

11. Affidabilità: è legata alla variazione dei parametri del trasduttore con l’uso.

12. Vita di un trasduttore: è il tempo espresso in ore, o più spesso in numero di cicli, numero di giri, ecc., oltre il quale non è più garantito il corretto funzionamento del trasduttore.

TRASDUTTORI ANALOGICI E TRASDUTTORI DIGITALI

I trasduttori possono essere suddivisi in trasduttori analogici e digitali.

Gli analogici sono trasduttori che danno in uscita un segnale che entro un dato intervallo, varia con continuità.

La dinamo tachimetrica per esempio, con cui si ottiene una tensione di uscita in corrente continua proporzionale alla velocità dell’ albero è analogico: è in grado di dare una misura variabile con continuità per cui potrebbe dare una qualsiasi misura nel suo campo di funzionamento. L’ uscita è sempre del tipo a gradini.

I digitali invece sono dei trasduttori che danno in uscita un segnale che varia in modo discontinuo e ciascuno differisce dal precedente di una quantità costante. A differenza degli analogici l’ uscita può assumere solo valori discreti, ciascuno dei quali è un multiplo intero di una unità di base E; essa vale di conseguenza:

E n U  

L’uscita non potrà cioè variare con continuità, ma solo di quantità che sono multiple di E. Un esempio di trasduttore digitale è l’ encoder ottico incrementale, che si basa sul conteggio di impulsi.

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 “i” 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:

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

2. 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:

1. La variazione di una resistenza elettrica (potenziometri).

2. La variazione del flusso concatenato con un avvolgimento (resolver e inductosyn).

3. La variazione della permeabilità magnetica del mezzo in cui sono immersi due avvolgimenti (trasformatore lineare variabile).

4. 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

V

l V V

 x 

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:

1. Assoluti in quanto esiste una relazione univoca tra la tensione di uscita Vu e lo spostamento x.

2. Analogici in quanto danno in uscita un segnale che varia con continuità.

3. 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.

Per ottenere valori accettabili della capacità la distanza delle due armature fisse da quella mobile, quando essa è in posizione centrale, deve essere circa 1 mm.

Pertanto, dato il ridotto campo di misura, questo trasduttore viene utilizzato spesso quale indicatore di spostamento nullo.

I trasduttori capacitivi sono dei trasduttori:

-assoluti: in quanto esiste una relazione univoca tra il segnale di uscita e lo spostamento -analogici: in quanto danno in uscita un segnale che varia con continuità

-Modulanti:in seguito allo spostamento dell’ armatura mobile si ha una variazione della capacità dei due condensatori che costituisce un segnale non direttamente utilizzabile; ma che necessita, per essere rilevata, di una sorgente di energia esterna