Sensori eTrasduttori - PowerPoint PPT Presentation

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Sensori eTrasduttori

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Title: Sensori eTrasduttori Author: Universit di Bologna Last modified by: gandolfi Created Date: 1/18/1999 11:20:56 AM Document presentation format – PowerPoint PPT presentation

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Transcript and Presenter's Notes

Title: Sensori eTrasduttori


1
Distribuzione spaziale dellirradiazione delle
sorgenti luminose
2
Caratteristiche spettrali normalizzate dei diodi
sensibili alla luce e dei diodi emettitori di
luce
Dispositivi sensibili alla luce.
Dispositivi emettitori di luce.
3
Trasduttori acustico-elettrici ed elettroacustici
  • Acustico-elettrici energia sonora ? energia
    elettrica (microfoni, auricolari, ).
  • Elettroacustici energia elettrica ? energia
    sonora (altoparlanti, ...)
  • I MICROFONI
  • A carbone resistenza variabile con la
    pressione.
  • A riluttanza (pick-up) la vibrazione della
    testina modifica la riluttanza magnetica e
    quindi il flusso concatenato.
  • Magnetodinamici variazione di flusso concatenato
    in una bobina per effetto della pressione
    acustica.
  • A condensatore la pressione acustica varia la
    capacità di un condensatore a carica costante
    perché polarizzato con pila e alta resistenza.
  • Ed ancora

4
  • A elettrete condensatore variabile (come sopra)
    con carica generata con un processo
    termoelettrico (riscaldamento del teflon in
    un campo elettrico).
  • Piezoelettrici la pressione produce una
    tensione per piezoelettricità.
  • Magnetostrizione la pressione acustica modifica
    la lunghezza di certi materiali (nichel,
    ceramiche, ), che modificano la riluttanza e
    quindi il flusso concatenato (utilizzati per
    ultrasuoni e grandi potenze).
  • TRASDUTTORI ELETTROACUSTICI
  • Auricolare legge di Lorentz, variando la
    tensione, varia il flusso concatenato e quindi
    la forza di attrazione di una membrana che
    esercita compressioni e decompressioni
    dellaria circostante.
  • Altoparlante come per gli auricolari, ma la
    membrana è più estesa
  • Cristalli piezoelettrici la tensione sul
    cristallo genera compressioni e
    decompressioni dello stesso (radiosveglie, ).

5
I Microfoni
Microfono a carbone di Augusto Righi
  • Molto sensibile e potente, ma non del tutto
    insensibile ad urti e spostamenti.
  • Le vibrazioni sonore fanno vibrare la membrana
    e di conseguenza la resistenza di contatto. La
    corrente fornita da una pila viene perciò
    modulata dalle vibrazioni.
  • Ciò che lo distingue dagli odierni microfoni a
    carbone è la sostituzione della molla posteriore
    della vaschetta contenente i granuli con un
    anello di feltro posta tra la membrana e la
    vaschetta.

6
Microfono magnetodinamico
  • Usati per ripresa sonora di alta qualità, in
    quanto la bobina si muove in un campo costante.
  • La tensione indotta è proporzionale alla velocità
    della bobina (frequenza).
  • E richiesto perciò un circuito equalizzatore
    per avere risposta piatta.
  • Risulta pressoché omnidirezionale.

7
Microfono a condensatore
  • La capacità tra membrana e scatola è caricata
    da una tensione elevata attraverso unaltra
    resistenza.
  • Le vibrazioni fanno variare C,variando la
    distanza fra le armature,e la carica Q resta
    pressoché costante grazie lalto valore di R che
    non permette una rapida scarica e carica.
  • La V varia in senso inverso a C.

Schema di impiego
Dove VC Q/C Se cambia C allora cambia VC.
8
Microfono a elettrete
  • Come molte plastiche isolanti il teflon
    (politetrafluoroetilene), scaldato ad alta
    temperatura e sottoposto a campo elettrico poi
    raffreddato, si polarizza permanentemente. Così
    si evita luso della batteria.
  • Noti da molto tempo, ma poco usati fino
    allarrivo degli amplificatori integrati a causa
    dellalta impedenza e del bassi guadagno.
  • Sono insensibili ai campi magnetici.

9
Microfono piezoelettrico
  • Basati sulla proprietà di alcuni cristalli (es.
    ceramiche piezoelettriche)di caricarsi di
    elettricità su due facce opposte quando sono
    deformati da una forza meccanica.
  • La tensione è proporzionale alla deformazione ?
    tensione di uscita a vuoto è indipendente dalla
    frequenza.
  • Più leggeri, meno disturbati e meno costosi dei
    microfoni dinamici, ma ora poco diffusi a causa
    dellavvento dei transistori, più facili da
    pilotare.
  • A causa del valore alto della tensione di uscita
    è adatto a pilotare amplificatori a valvole.

10
Piezoelettricità
  • Una pressione genera delle cariche che possono
    generare una tensione su un apposito condensatore
    che usa il cristallo piezoelettrico come e
    viceversa.
  • Con questo metodo si fanno estensimetri,
    microfoni e trasduttori elettroacustici.

11
Trasduttori Elettroacustici
Auricolare magnetico
  • Lapplicazione di una tensione V genera un campo
    magnetico BB0Bmsin?t (dove B0 è il campo
    continuo delle espansioni polari).
  • La forza sulla membrana è

dove Ssuperficie della membrana
?opermeabilità dellaria
12
I cristalli liquidi
  • Sono
  • liquidi (assumono la forma del recipiente che li
    contiene), con una struttura particolarmente
    ordinata (tipo albume, per cui occorre un certo
    sforzo per separare le molecole)
  • trasduttori ottici non reversibili. Non emettono
    luce ma diffondono o ruotano il piano di
    polarizzazione della luce incidente.

Dove non cè lelettrodo la luce viene diffusa,
dove manca la luce arrivo sulla parte nera che
lassorbe. Consumano troppo per gli orologi.
13
Cristalli ad effetto di campo
  • Il campo elettrico applicato a elettrodi posti
    opportunamente cambia il passo della spirale che
    mostra come il piano di polarizzazione della
    luce.
  • Dove ci sono gli elettrodi ruota di 900.
  • Dove non ci sono ruota di 1800.
  • Uno specchio posteriore riflette la luce che
    torna ad uscire dove non ci sono gli elettrodi e
    viene assorbita negli altri punti.
  • Il vantaggio consiste nellassenza di corrente e
    quindi un consumo ridottissimo.
  • In questo caso lo sfondo è chiaro con scritte
    scure.

14
Note sui Trasduttori dImmagine
  • Nei trasduttori dimmagine (telecamere, ...) la
    collocazione spaziale del pixel diventa una
    collocazione temporale nel segnale di uscita
    dalla telecamera.

Nella figura è rappresentata schematicamente la
correlazione fra i pixel di una immagine
televisiva ed il segnale video associato.
15
  • Nello standard televisivo abbiamo 25 quadri al
    secondo che diventano 50 frame (ogni frame ha un
    numero di linee pari a metà della risoluzione
    prevista) e poiché ogni quadro prevede una
    risoluzione in 625 linee, avremo una frequenza di
    sincronismo orizzontale pari a 2562515625Hz .
  • La banda del segnale invece dipende dalla
    risoluzione spaziale associata allimmagine, che
    determina la frequenza temporale massima del
    segnale video.
  • Poiché per ogni linea si prevede una risoluzione
    spaziale di circa 320 pixel, ne segue una banda
    passante dellordine di 5MHz., pari allinverso
    del tempo di pixel (tempo di linea 1/15625 sec.
    tempo di pixel 1/32015625).
  • Nei monitor per computer, per garantire una
    migliore visione dellimmagine, si aumentano i
    quadri al secondo arrivando in alcuni casi anche
    a 72 quadri al secondo, con un consistente
    aumento della frequenza di sincronismo
    orizzontale e della banda passante associata.
  • Questo è il principale motivo che impedisce una
    diretta videoregistrazione VHS o visualizzazione
    su TV standard delle immagini prodotte da
    computer.

16
Caratteristiche normalizzate (standard europeo)
del canale televisivo, nel caso della
trasmissione a colori (le ampiezze non sono in
scala)
17
Caratteristiche normalizzate (standard europeo)
del canale televisivo, nel caso della
trasmissione in bianco e nero
18
Dissettore
  • Primo tubo di ripresa elettronico.
  • Differisce da un fotomoltiplicatore solo per la
    presenza di un diaframma con un piccolo foro al
    centro tra fotocatodo e primo dinodo.
  • Zona tra f.c e diaframma è immersa in un campo
    magnetico assiale unif. prodotto dalla bobina di
    focalizzazione, attraversata da una corrente
    continua.
  • Sul fotocatodo un obiettivo proietta
    unimmagine reale.
  • Gli elettroni emessi da una regione elementare,
    pixel, del fotocatodo sono costretti dal campo
    magnetico a cadere in una zona ristretta del
    diaframma.
  • Sul diaframma si forma perciò unimmagine reale
    elettronica uguale a quella ottica formatasi
    sul fotocatodo.

19
Orthicon a immagine
  • Perfezionamento delliconoscopio.
  • Limmagine viene accumulata su una piastra
    isolante.
  • E un tubo a elettroni lenti e con
    amplificatore, in cui la piastra isolante viene
    letta da dietro.

20
Vidicon
  • Prima tappa del passaggio dai tubi-immagine a
    vuoto ai trasduttori di immagini a
    semiconduttori.
  • Limmagine si forma su uno strato fotoresistivo
    di solfuro di cadmio.
  • La luce rende più o meno conduttore il CdS nei
    vari pixel, in modo che il fascio di elettroni ad
    ogni scansione manda in uscita impulsi più o meno
    proporzionali allilluminazionen intagrale tra
    una scansione e laltra.

21
Rivelatori di radiazione e/o particelle
  • Le radiazioni ionizzanti Egt10-20 eV sono proprie
    di
  • radiazioni elettromagnetiche
  • particelle cariche
  • Non esistono rivelatori universali. Essi cambiano
    a seconda
  • della natura della radiazione
  • dellenergia della radiazione
  • di cosa si vuole rivelare, ovvero
  • numero di particelle indipendente dal tipo e
    dallenergia
  • il tipo di particella
  • lenergia della particella
  • lenergia e la posizione
  • lenergia, la posizione, la direzione, il tempo,
    ...

22
  • Esistono rivelatori di particelle non
    direttamente ionizzanti (neutroni, neutrini, ).
  • Tutti i rivelatori si basano su
  • interazione (ionizzazione, eccitazione) fra
    radiazione e materia.
  • Le particelle cariche ? interagiscono con forze
    di tipo Coulombiano
  • I fotoni ? eccitano la
    materia (effetto fotoelettrico, effetto
    Compton, )
  • Le particelle cariche possono avere massa
  • grande nuclei di elio emessi da elementi
    radioattivi (?)
  • piccola elettroni (?)
  • Esempi di camere di ionizzazione

23
  • Variazione della carica raccolta Q al variare
    della tensione V

Camera di ionizzazione a campo uniforme
Camera di ionizzazione cilindrica
24
I rivelatori a semiconduttore
  • Sono sostanzialmente dei diodi polarizzati
    inversamente.
  • Linterazione fra la radiazione e la materia deve
    avvenire nella zona di svuotamento producendo
    coppie elettrone-lacune che producono corrente.
  • Se linterazione avviene fuori le coppie si
    ricombinano prima di generare una corrente.

25
  • Rivelatori al Litio
  • si deposita il Litio
  • si scalda al materiale ? il Litio diffonde
  • si riporta al materiale a Tambiente ? il
    materiale è stabile
  • Per i ? occorre il Ge, ma si deve lavorare a 77K
    perché diffonde a Tambiente.
  • Scintillatori (metastabili se assorbono energia e
    poi la riemettono spont.)
  • Si parla di FLUORESCENZA se lemissione avviene
    dopo 10-8s - 10-9s.
  • Si parla di FOSFORESCENZA se lemissione avviene
    dopo 10-5s - 10-7s.
  • Convertono lenergia part., X e ? ?luce ?
    misurata fotomolt. rapidi.
  • Rivelatori a termoluminescenza (stabili se non
    riemettono energia spont.)
  • Energia part., X e ? ? viene intrappolata, ma non
    emessa successivamente se riscaldati ?
    emettono luce.
  • Misurano solo lenergia totale accumulata e non
    danno informazione sugli eventi.
  • Poiché hanno memoria, sono usati in
  • archeologia il manufatto è azzerato al momento
    della cottura e poi accumula raggi cosmici fino
    al ritrovamento, supponendo costante larrivo dei
    raggi cosmici si può risalire alletà.
  • medicina per costruire dosimetri.

26
Trasduttori di posizione
  • Trasduttori potenziometrici lineari e circolari

LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
Se il nucleo è centrato luscita è nulla.
Altrimenti luscita è proporzionale allo
spostamento del nucleo. Vantaggi misura senza
attrito, vita meccanica infinita, risoluzione
infinita, robustezza esterna, compatibilità
dellambiente, isolamento ingresso-uscita. Errore
di misura 0.1-0.2.
27
A barre graduate (LIDA)
  • Si prende una barra poco sensibile alla
    temperatura, umidità, .
  • Si incidono delle tacche o si disegnano zone
    chiare e scure in modo che un sistema ottico
    (TR), fatto da un trasmettitore (T) ed un
    ricevitore (R), possa rilevare il movimento del
    sistema generando un segnale V(t) che viene
    inviato ad un contatore.
  • La posizione è ottenuta trasformando, conoscendo
    la larghezza delle tacche, il conteggio in
    spostamento.
  • Si ottengono precisioni fino ad 1?.
  • Una sola barra non permette di rilevare i cambi
    di direzione che sono facilmente rilevabili con
    due barre sfalsate di 90.

28
Pick-up a riluttanza
A) Vista frontale B) Vista laterale C) Schema
elettrico
  • La somma dei segnali destrosinistro provoca
    spostamento orizzontale.
  • La differenza destrosinistro provoca spostamento
    verticale.

29
Rivelatore di corrente di linea indifferente alla
polarità
  • Rivelatore di corrente di linea con indicazioni
    della polarità

30
Optoaccoppiatore con contenitore Dual In Line
Package (DIP), che mostra la tecnica costruttiva
dellisolamento in vetro
31
Optoaccoppiatore H15, tensione disolamento 4000V
32
Modulo a riflessione formato da H23
Modulo a riflessione
33
Modulo ad interruzione
Modulo ad interruzione
34
Rivelatore di gocce a basso livello luminoso
schema elettrico
schema meccanico
35
Accorgimenti per misure di temperatura con cavi
lunghi
Meglio
36
(No Transcript)
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