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, ).

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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.

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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.
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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.

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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.

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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.

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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
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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.

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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.

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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)