![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-di-posizione-rotativo.webp\")
<\/figure>\n<\/div>![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-di-posizione-lineare.webp\")
Quasi tutti i sensori di posizione, possono inoltre essere considerati come sensori di velocit\u00e0. Dal momento in cui la velocit\u00e0 si pu\u00f2 definire come rapporto tra lo spazio percorso e il tempo impiegato a percorrerlo, allora, ogni sensore di posizione la cui posizione \u00e8 aggiornata frequentemente \u00e8, di fatto, anche un sensore di velocit\u00e0. La velocit\u00e0 pu\u00f2 essere determinata facilmente da tipici sistemi di controllo moderni differenziando l\u2019output del sensore in relazione al tempo o, pi\u00f9 semplicemente, contando le variazioni di posizione rispetto al tempo.\u00a0<\/p>\n\n
Tutti i sensori di posizione possono essere classificati come assoluti o incrementali. L\u2019output generato da un sensore incrementale cambia al variare della posizione. Contrariamente, i sensori assoluti producono un segnale che \u00e8 proporzionale alla posizione reale sia ferma sia in movimento. Un test efficace per determinare se un sensore \u00e8 assoluto o incrementale \u00e8 osservare cosa succede all\u2019accensione. Se c\u2019\u00e8 un segnale di posizione reale senza alcun movimento, allora il sensore in questione \u00e8 un sensore assoluto.<\/p>\n\n
Basi sulla misurazione della posizione<\/h2>\n\n
Forse, il giorno che hanno fatto teoria della strumentazione non eri a lezione; quando hanno spiegato accuratezza, risoluzione, ripetibilit\u00e0 e tutte quelle cose. Non ti preoccupare, sei in buona compagnia. Molti ingegneri hanno dimenticato oppure mai veramente compreso questo argomento. La terminologia e i – piuttosto esoterici – concetti tecnici applicati alla strumentazione sono confusi. Ci\u00f2 nonostante, questi sono importanti per selezionare il sensore di posizione pi\u00f9 adatto alla tua applicazione. Sbaglia questa scelta e potresti trovarti a pagare molto di pi\u00f9 del dovuto per i tuoi sensori di posizione; sbaglia nell\u2019altro senso e il tuo prodotto o sistema di controllo potrebbe mancare di performance fondamentali. \n \nPer iniziare, alcune definizioni:<\/p>\n\n
- \n
- L\u2019accuratezza di un sensore \u00e8 la misura dell\u2019esattezza del suo output<\/li>\n\n\n\n
- La risoluzione \u00e8 la misura del pi\u00f9 piccolo incremento o decremento di posizione misurabile dal sensore.<\/li>\n\n\n\n
- La precisione \u00e8 il grado di ripetibilit\u00e0 del sensore<\/li>\n\n\n\n
- La linearit\u00e0 \u00e8 la differenza tra l\u2019output e la posizione effettiva misurata dal sensore.<\/li>\n<\/ul>\n\n
Per capire la differenza tra accuratezza e precisione possiamo utilizzare l\u2019analogia di una freccia tirata su un bersaglio. L\u2019accuratezza descrive quanto la freccia \u00e8 vicina al centro.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/definizione-di-accuratezza-e-precisione-sensori-di-posizione.webp\")
Figura 2 – un tiro accurato (sinistra) e dei tiri precisi (destra)<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Se venissero lanciate molte frecce, la precisione equivarrebbe alla dimensione del raggruppamento delle frecce. Se tutte frecce sono raggruppate insieme, il gruppo \u00e8 considerato preciso o, in altre parole, molto ripetibile. \nUn sensore di posizione perfettamente lineare \u00e8 anche molto accurato. Per molte applicazioni, la linearit\u00e0 pu\u00f2 essere considerata come equivalente all\u2019accuratezza. \nQuindi \u00e8 tutto chiaro, basta mettere a specifica dei sensori molto accurati e risolvi ogni problema. \nSfortunatamente, questo approccio presenta alcune criticit\u00e0. Primo, i sensori ad elevata accuratezza sono molto costosi. Secondo, i sensori ad elevata accuratezza richiedono un\u2019installazione molto attenta il ch\u00e9 potrebbe non essere agevole per via di vibrazioni, espansione termica differente o, pi\u00f9 probabilmente, per i costi che ne derivano. Terzo, alcuni tipi di sensori ad elevata accuratezza sono delicati e potrebbero soffrire di malfunzionamento o avarie se esposti ad ambienti ostili.<\/p>\n\n
La strategia ottimale \u00e8 di specificare quanto necessario – niente di pi\u00f9, niente di meno. Per esempio, per un sensore di posizione di un flussometro industriale, la linearit\u00e0 non sar\u00e0 un requisito fondamentale dal momento in cui \u00e8 probabile che le caratteristiche del flusso del fluido siano squisitamente non lineari. Pi\u00f9 verosimilmente, sar\u00e0 importante la ripetibilit\u00e0 al variare delle condizioni ambientali. Va notato che, in molte applicazioni, risoluzione e ripetibilit\u00e0 sono spesso pi\u00f9 importanti della linearit\u00e0.<\/p>\n\n
In una macchina utensile a controllo numerico (CNC), ad esempio, \u00e8 presumibile che sia l\u2019accuratezza sia la precisione siano requisiti chiave. Di conseguenza, un sensore di posizione con elevata accuratezza (linearit\u00e0), risoluzione ed elevata ripetibilit\u00e0, saranno requisiti fondamentali anche in ambienti sporchi e umidi e senza interventi di manutenzione per lunghi periodi di tempo.<\/p>\n\n
Tipologie comuni di sensori di posizione<\/h2>\n\n
I sensori di posizione sono impiegati in una grande variet\u00e0 di applicazioni industriali e commerciali, da applicazioni aerospaziali e per la Difesa fino ad applicazioni low-cost<\/em> quali automotive ed elettrodomestici. In effetti, subito dopo la misurazione della temperatura, nella nostra vita, la misurazione della posizione \u00e8 la seconda propriet\u00e0 pi\u00f9 importante da misurare. \nC\u2019\u00e8 una stupefacente variet\u00e0 di sensori di posizione tra cui scegliere al giorno d\u2019oggi, ma come si sceglie quello giusto? Questa sezione delinea le principali tipologie di sensori analizzandone principali debolezze e punti di forza.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-di-posizione-per-difesa.webp\")
Figura 3<\/em> \u2013 I sensori di posizione vengono impiegati in ambito aerospaziale e difesa<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Potenziometri<\/h2>\n\n
Nonostante il trend verso i sensori contactless, i potenziometri (pots) rimangono i sensori di posizione pi\u00f9 comuni. Questi, misurano una caduta di tensione in corrispondenza dello spostamento dei contatti elettrici lungo la traccia resistiva; ne consegue che la posizione \u00e8 proporzionale alla tensione in uscita. I potenziometri sono disponibili in forme rotative, lineari o curvilinee e sono solitamente compatti e leggeri e variano da qualche centesimo per le versioni pi\u00f9 semplici fino ad arrivare a 200$ per le versioni ad elevata precisione. Linearit\u00e0 inferiori a 0.01% sono possibili attraverso la rifilatura laser della traccia resistiva.<\/p>\n\n
I potenziometri sono particolarmente indicati per applicazioni con cicli d\u2019utilizzo modesti, ambienti gentili e performance rilassate. Sfortunatamente, i potenziometri sono sensibili ad usura, specialmente in ambienti con elevate vibrazioni e\/o con particelle estranee come polvere e sabbia che a lungo andare abraderebbero la traccia resistiva. Dispositivi di qualit\u00e0 pi\u00f9 elevata stimano la durata in termini di numero di cicli, ma spesso si trascurano gli effetti delle vibrazioni.<\/p>\n\n
Deve essere inoltre tenuto in considerazione che i datasheet dei potenziometri spesso dichiarano \u201crisoluzioni infinite\u201d. Se questo \u00e8 vero in linea teorica, dal momento in cui molti sistemi di controllo richiedono informazioni digitali, la risoluzione effettiva sar\u00e0 quella data dal convertitore da analogico a digitale (il quale deve essere incluso tra le voci di costo).<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/potenziometro-single-turn.jpg\")
Figura 4<\/em> – un comune potenziometro single-turn<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Stranamente, i potenziometri vengono classificati come \u201cdispositivi semplici\u201d in alcune applicazioni relative alla sicurezza in ambito aerospaziale, medicale e petrolchimico. Questo significa che pur essendo soggetti a diversi tipi di guasti, essi non sono soggetti alla stessa progettazione rigorosa e controllo da parte degli organismi di certificazione dei sensori elettrici. \u00c8 una stupida ma reale situazione che rende difficile la sostituzione di potenziometri inaffidabili in alcune applicazioni.<\/p>\n\n
Punti di forza<\/strong>: basso costo, semplici, compatti, leggeri, possono essere resi accurati \nPunti di debolezza<\/strong>: usura, vibrazioni, corpi estranei, temperature estreme<\/p>\n\n
Ulteriori approfondimenti:<\/p>\n\n
- \n
- The True Cost of Potentiometers<\/a><\/li>\n\n\n\n
- Why do engineers dislike potentiometers?<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
Sensori Ottici<\/h2>\n\n
I sensori ottici vengono solitamente chiamati encoder e sono una forma comune di sensori di posizione che variano da semplici dispositivi dal costo di qualche euro fino a sensori di precisione che possono arrivare a 10,000 euro. Tutti questi dispositivi sono accumunati dallo stesso principio: un fascio di luce \u00e8 puntato attraverso o sopra un reticolo (grating), la luce derivante viene misurata con un foto-rilevatore e di conseguenza un segnale di posizione viene generato.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/disco-ottico-usato-dai-sensori-ottici-per-misurare-angolo.jpg\")
Figura 5<\/em> – un sensore ottico utilizza un disco ottico per misurare l\u2019angolo<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Gli encoder rotativi sono ampiamente disponibili, tipicamente con 50-50.000 count\/giro e sono testati per funzionare bene in applicazioni in ambienti normali. Tuttavia, in ambienti pi\u00f9 severi, se le lenti o il sistema di grating viene oscurato da particelle esterne come terra, trucioli o acqua, non sar\u00e0 possibile effettuare la misurazione.<\/p>\n\n
Nella selezione di un sensore ottico, \u00e8 importante sapere che se il valore citato del sensore \u00e8 1,000 count\/giro, questo non vuol dire che l\u2019accuratezza sia 1\/1000th \/ giro. \u00c8 importante inoltre leggere attentamente il datasheet del sensore, specialmente con kit di montaggio e dischetti che richiedono estrema precisione in fase di assemblaggio per evitare contaminazioni. \nSe l\u2019encoder ha un disco di vetro, il dispositivo avr\u00e0 una resistenza limitata a shock e vibrazioni.<\/p>\n\n
Punti di forza:<\/strong> elevata risoluzione, elevata accuratezza se assemblato correttamente, ampiamente disponibile \nPunti di debolezza:<\/strong> corpi esterni, guasti catastrofici senza preavviso, shock, temperature estreme.<\/p>\n\n
Approfondimenti:<\/p>\n\n
- \n
- Optical Encoders Vs. Inductive Encoders<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
Sensori Magnetici<\/h2>\n\n
Tutti i sensori magnetici utilizzano un principio di misura simile: quando un magnete si muove in relazione ad un ricettore magnetico, il campo magnetico cambia in proporzione al loro spostamento relativo. Una forma comune sono i sensori di Hall, disponibili in chip. Sono spesso utilizzati per automotive e applicazioni con motori elettrici che richiedono performance di misurazione modeste.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/illustrazione-sensori-di-hall.webp\")
Figura 6<\/em> –\u00a0I sensori di Hall sono la tipologia di sensori magnetici pi\u00f9 comuni<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Grazie alla tolleranza ai corpi esterni, i sensori magnetici risolvono molte delle problematiche che si possono incontrare con i dispositivi ottici. Ci\u00f2 nonostante, questi sensori vengono impiegati raramente per applicazioni richiedenti elevata accuratezza, a causa dell\u2019isteresi magnetica e la necessit\u00e0 di avere una meccanica di precisione tra la parte in rotazione e quella statica. Ogni datasheet deve essere letto attentamente nelle parti relative a tolleranze di installazione, coefficiente di temperatura e temperatura operativa.<\/p>\n\n
Un\u2019ulteriore considerazione \u00e8 la prossimit\u00e0 dei materiali magnetici o cavi elettici. I magneti potrebbero infatti attrarre particelle estranee e una delle cause di guasto \u00e8 proprio l\u2019accumulo nel tempo di materiali quali trucioli e particelle. Solitamente, i sensori magnetici non rappresentano la prima scelta per applicazioni in ambienti ostili o condizioni di shock a causa della nota fragilit\u00e0 dei nuovi magneti al neodimio (NdFeB).<\/p>\n\n
Punti di forza:<\/strong> discretamente robusti, la maggior parte dei liquidi non hanno effetto \nPunti di debolezza:<\/strong> temperatura, isteresi, meccanica di precisione, fonti vicine di ferro e DC, fonti in DC e basse performance per impatti e shock. \n \nApprofondimenti:<\/p>\n\n
Approfondimenti:<\/p>\n\n
- \n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
Sensori Magnetostrittivi<\/h2>\n\n
Questi sensori utilizzano un fenomeno poco comune, presente in alcuni materiali, chiamato magnetostrizione. Quando un magnete arriva in prossimit\u00e0 di un materiale, fa s\u00ec che l\u2019energia passi attraverso il materiale da riflettere. La posizione pu\u00f2 essere calcolata dal momento in cui riceve un impulso di energia per spostarsi avanti e indietro su una striscia di materiale magnetostrittivo – solitamente un cavo sottile o una striscia.<\/p>\n\n
Quasi tutti i sensori magnetostrittivi sono lineari perch\u00e9 la delicata striscia magnetostrittiva va tenuta in un \u201cinvolucro\u201d quale un estruso di alluminio. Questa protezione fa s\u00ec che i dispositivi magnetostrittivi non temano usura o problematiche legate alla durata e che possano essere utilizzati in applicazioni ad altra pressione come, ad esempio, i martinetti idraulici. \nOgni sensore deve essere calibrato dal costruttore e questo, combinato all\u2019housing<\/em> di precisione, rende i sensori magnetostrittivi relativamente costosi. Questa tecnica \u00e8 inoltre sensibile ad ogni altro disturbo durante il tempo di volo (TOF), solitamente la temperatura. \nI datasheet dei magnetostrittivi, solitamente stimano l\u2019accuratezza a temperatura costante, gli ingegneri dovranno quindi considerare questo aspetto usando i coefficienti di temperatura stimati. \nIl sottile materiale magnetostrittivo \u00e8 delicato e l\u2019assemblaggio su entrambe le estremit\u00e0 \u00e8 un\u2019operazione critica. Tirando le conclusioni, possiamo dire che i sensori magnetostrittivi non dovrebbero essere scelti per ambienti severi o con vibrazioni.<\/p>\n\n
Punti di forza:<\/strong> robusti, ottimi per impiego ad altra pressione, la percentuale di accuratezza migliora con la lunghezza \nPunti di debolezza:<\/strong> abbastanza costosi, shock. Effetti dovuti al variare della temperatura, inaccurati sulle brevi distanze (<100mm). \n \nApprofondimenti:<\/p>\n\n
Approfondimenti:<\/p>\n\n
- \n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-magnetostrittivo.webp\")
Figura 7<\/em> –\u00a0I sensori Magnetostrittivi sono quasi sempre lineari<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Sensori Capacitivi<\/h2>\n\n
Un condensatore \u00e8 un dispositivo elettronico in grado di accumulare carica. Tipicamente, presenta due piastre conduttive separate da un isolante. La quantit\u00e0 di carica che il condensatore pu\u00f2 immagazzinare varia in relazione alla dimensione delle piastre, la percentuale della loro sovrapposizione, la distanza e la permeabilit\u00e0 del materiale tra le piastre. Nella sua forma pi\u00f9 semplice, un sensore di posizione capacitivo, misura la distanza tra le piastre. Lo sfasamento \u00e8 tipicamente nell\u2019ordine di grandezza di 1mm per la misurazione di carico, sforzo e pressione.<\/p>\n\n
Un\u2019altra forma viene utilizzata per sensori di posizione nelle quali una serie di piastre vengono tagliate o incise lungo l\u2019asse di misura. Nel momento in cui un\u2019altra piastra si muove perpendicolarmente, la capacit\u00e0 dei circuiti attraverso gli assi varia indicando le posizioni relative delle due parti. I sensori di posizione capacitivi sono poco comuni e usati raramente in applicazioni legate alla sicurezza. Sfortunatamente, come la sovrapposizione delle piastre ecc., la capacit\u00e0 cambia anche con temperatura, umidit\u00e0, materiali limitrofi e corpi estranei, i quali rendono sfidante la progettazione di un sensore di posizione stabile e molto accurato.<\/p>\n\n
Abbiamo lavorato su sensori, automazione ed elettronica per quasi 30 anni. Dobbiamo ancora incontrare un ingegnere progettista che sia contento di aver scelto un sensore di posizione capacitivo. I sensori capacitivi hanno una pessima reputazione tra ingegneri esperti ed \u00e8 improbabile che vengano scelti per applicazioni legate alla sicurezza. Alcuni produttori hanno smesso di parlare di \u201ccapacitivi\u201d, preferendo termini alternativi come charge storage, charge coupling o effetti elettrici su materia offuscata. Non va bene. Ci sono cos\u00ec tante cose che possono andare storte che \u00e8 meglio evitarli a meno che tu non abbia bisogno di elevate accuratezza di misura in applicazioni molto stabili e in condizioni ambientali controllate.<\/p>\n\n
Punti di forza:<\/strong> compatti, bassa potenza \nPunti di debolezza:<\/strong> elevati coefficienti di temperatura e umidit\u00e0, sensibili a materiali estranei, tolleranze limitate in installazione \n \nApprofondimenti:<\/p>\n\n
Approfondimenti:<\/p>\n\n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
- Why do engineers dislike potentiometers?<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
- The True Cost of Potentiometers<\/a><\/li>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensori-induttivi-tradizionali.jpg\")
![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/incoder-di-nuova-generazione.jpg\")