Sensori di Posizione

I dispositivi che possono essere usati per misurare la posizione di un oggetto sono molteplici.

Si può sfruttare ad esempio una modulazione:

  • della capacità tra due armature di un condensatore (sensori capacitivi)
  • della mutua induttanza tra due avvolgimenti (sensori induttivi)
  • del fattore di partizione di un potenziometro (sensori resistivi)
  • della tensione di Hall in un sensore accoppiato ad un magnete permanente se l’oggetto è ferromagnetico (sensori magnetici)
  • della luce intercettata da un reticolo in rotazione o traslazione (sensori ottici)
  • o infine il ritardo tra impulso emesso ed impulso riflesso in un sensore acustico usato come sonar.

[sensori capacitivi] [sensori ottici] [sensori a potenziometro] [sensori acustici]

 

Sensori di posizione capacitivi

Nei sensori capacitivi la modulazione di capacità può essere indotta dal movimento di una delle armature rispetto all’altra che resta fissa, oppure l’accoppiamento capacitivo tra due armature fisse può essere variato tramite una terza armatura mobile (spesso costituita proprio dall’oggetto di interesse).

Schema di sensore capacitivo con due elettrodi adiacenti

Un sensore di questo tipo è la tavoletta “trackPad” che sostituisce il “mouse” nei PC portatili.

Un sensore capacitivo può essere usato anche per misurare il livello di un liquido isolante.
Due elettrodi, tra loro affacciati, vengono immersi nel liquido in modo che, quando il livello della superficie libera si sposta, la diversa costante elettrica del fluido ereo e del suo vapore (o dell’aria) (eo), provoca una variazione di capacità.

Misuratori di livello capacitivi

Di questo tipo sono spesso i sensori che nella vostra automobile vi avvertono che è ora di “fare il pieno”

 

Sensori di posizione ottici

I sensori ottici di rotazione (encoder) traducono la rotazione di un disco graduato in segnale digitale.

Mediante suddivisioni in settori otticamente diversi si può codificare la posizione angolare del disco rispetto ad una origine arbitraria. La risoluzione è determinata dal tipo di codifica e dalla finezza della suddivisione in settori, oltre che dal tipo di sorgente di luce (LED, diodo laser...) e dal tipo di rivelatore (fotodiodo, fototransistor...) usati.

Sensore ottico a 1 bit

Un sensore con codifica a canale singolo è la “Smart Pulley” PASCO, che non può riconoscere il verso della rotazione.

Per poter discriminare tra verso orario e antiorario serve una codificazione a 2 canali:

Encoder ottico a 2 bit

Una delle applicazioni più comuni di encoder ottici a 2 canali è il dispositivo di ingresso nei moderni PC detto “mouse”.

Nel “mouse” (ma anche nell’equivalente “track-ball” che sostituisce il mouse in molti PC portatili) due encoder registrano la rotazione di due dischi tra loro ortogonali che sono mossi da una sfera (trascinata su una superficie piana nel primo, e mossa direttamente nel secondo): le due coordinate fornite al computer dai due encoder guidano il movimento di un puntatore sul monitor.

Anche il sensore di rotazione Vernier/PASCO è un encoder a 2 canali.

 

Sensori di posizione a potenziometro (resistivi)

I potenziometri sono dispositivi a tre terminali, in cui la resistenza è costante tra due terminali ma variabile tra il terzo terminale e gli altri due. Sono costituiti da una resistenza elettrica con tre contatti: due agli estremi (A eB) e uno "strisciante" (C) che può muoversi da un estremo all'altro.

Esistono potenziometri

  • lineari (come ad esempio i vecchi reostati di potenza costituiti da un filo conduttore avvolto a spirale su un corpo isolante a forma grossolanamente parallepipeda e con due contatti agli estremi del filo e il terzo su una spazzola che striscia sull'avvolgimento) e
  • a rotazione, ove la resistenza può essere una pista conduttiva esplorata da un contatto radiale strisciante o ancora un filo conduttore avvolto con il contatto mobile pilotato da un asse rotante.

Alcuni potenziometri sono miniaturizzati (trimmer), adatti ad essere montati su circuiti stampati, e che vanno manovrati con un cacciavite, altri hanno il contatto mobile mosso da un asse (plastico o metallico, in genere con diametro 6 mm) su cui si può montare una manopola e sono indicati per comando manuale su pannelli. Questo secondo tipo si presta bene ad essere usato per ricavarne un sensore di rotazione.

Una seconda importante distinzione tra potenziometri è tra quelli a “singolo giro” e quelli a “molti giri”: questa seconda categoria, spesso indicata con il nome Helipot (potenziometro elicoidale) comprende modelli a 4, 10, 15, 20 o 25 giri, anche se i tipi a 10 giri sono in assoluto i più diffusi (ne esistono sia da pannello che miniaturizzati).

L’elemento resistivo che compone il potenziometro può essere una pista di miscela di carbone, di plastica conduttiva, ceramica metallizzata o un avvolgimento di filo metallico. I più economici sono quelli a carbone (da 5 a 1 M), che hanno però anche il più alto coefficiente di temperatura (TC). Seguono, con costo crescente, quelli in plastica e quelli a filo (da 10 a 500 k) che offrono anche eccellente linearità e basso TC (fino a 20 p.p.m. /oC).
Il coefficiente di temperatura non è un parametro importante nel caso si voglia usare il potenziometro come partitore di tensione (e questo è il nostro caso).

Caratteristica importante dei potenziometri, oltre al loro valore ohmico è la linearità.
Per gli Helipot l’errore di linearità standard è 0.25%, mentre per i normali potenziometri esso può raggiungere qualche %. In commercio si trovano anche potenziometri costruiti di proposito non-lineari: ad esempio potenziometri in cui la relazione tra lo spostamento del cursore (rotazione) e il valore della resistenza elettrica tra un estremo e il contatto mobile è logaritmica.

La maggior parte tuttavia è nominalmente lineare, cioè, la relazione tra la angolo di rotazione a e resistenza R è: RAC=ka.

Esistono infine potenziometri "senza fine", in cui ao≈340, ma senza blocco, in cui il contatto strisciante passa dalla posizione A alla posizione B (con una crescita lineare della resistenza RAC) e ruotando ancora tocca nuovamente A(con RAC=0). Restano 20° in cui C resta sconnesso.

Una caratteristica dei potenziometri che non viene normalmente tenuta in grande considerazione in ambiente elettronico, è il momento di attrito.
Per ottenere da un potenziometro un segnale in tensione proporzionale all'angolo di rotazione dell'asse bisogna ovviamente polarizzare il potenziometro, cioè applicare la tensione massima desiderata ai suoi estremi, e poi misurare la tensione che appare al contatto strisciante.
Se desideriamo ad esempio un segnale utile tra 0 e 5 volt, terremo il terminale A a massa e applicheremo 5V al terminale B: la rotazione dell'asse sarà allora misurata dalla tensione prelevata al terminale C.

E’ comodo utilizzare direttamente la tensione di 5V fornita dai canali della CBL.

Naturalmente, se si monta il potenziometro in modo casuale, l’origine dell’asse “angolo” (a=0) corrisponde ad un qualsiasi valore di tensione compreso tra 0 e 5 V.
Se si vuole fissare l’origine del sistema di riferimento angolare si deve misurare il valore di tensione al terminale C in una data posizione dell’asse del potenziometro. Una scelta comoda per poter misurare sia angoli positivi che negativi è di assumere come “posizione di angolo zero” quella in cui la tensione in C è 2.5 V: in tal caso si ottiene una uguale escursione massima nei due versi (circa ±1 per potenziometri a singolo giro).

Analoghe considerazioni si possono fare per potenziometri lineari (ne esistono in commercio con corsa da 6 o da 10 millimetri.

Sensori di posizione acustici (sonar)

Per misurare la distanza di un oggetto da un fissato riferimento si può sfruttare la riflessione di una onda sonora da parte dell’oggetto e ricavare la distanza dalla misura del tempo impiegato dal segnale acustico a percorrere i due tratti di andata e ritorno.

Si tratta di un generatore/ricevitore di brevi treni di impulsi ultrasonori che misura l’intervallo di tempo trascorso tra l’emissione e la ricezione dell’impulso riflesso da un oggetto.

Nota la velocità del suono in aria alla temperatura ambiente, si può tradurre il tempo misurato in distanza percorsa dall’onda sonora: se c è la velocità del suono [c= [ove T è la temperatura in Kelvin, g il rapporto dei calori specifici a pressione e volume costante, R la costante dei gas e M la massa molecolare], linearizzando:

c(331+0.6t) m/s in aria,
con t temperatura in Celsius

ovvero circa c = 344 m/s con t= 22 °C.

Se T è il tempo di andata e ritorno del segnale, allora la distanza X dell’oggetto dal sonar si ricava dalla relazione X=cT/2.

Questo tipo di sensore è usato, ad esempio, nelle macchine fotografiche Polaroid per la messa a fuoco automatica, e nel Motion Detector Vernier (CBR).

Nel sensore Vernier la frequenza dell’onda sonora è dell’ordine di alcune decine di kHz e l’angolo di apertura del fascio è dell’ordine di 15°. Dato che è necessario un intervallo minimo tra l’istante in cui termina la trasmissione dell’implulso sonoro e quello in cui inizia la ricezione dell’eco, vi è un limite (40cm) per la distanza minima misurabile. Dato che l’intensità dell’impulso cala circa quadraticamente con la distanza esiste anche un limite massimo per le distanze misurabili (circa 10m).