Sensori

Definizioni
Un sensore è sostanzilmante un trasduttore che prende ingresso una grandezza fisica e la traduce in una grandezza (normalmente) elettrica; viceversa un attuatore è un
trasduttore che prende ingresso una grandezza elettrica e la converte nella corrispettiva di ambiente (è capace quindi di modificare l'ambiente circostante).
Generalemente in uscita al sensore abbiamo un'energia a bassa potenza, è quindi necessaria l'amplificazione di tale segnale (possibile tramite un interfaccia).

Generalità
Un sensore è un sistema eccitato da una forma di energia il quale fornisce a sua volta energia, purtroppo un sensore reale è sensibile anche ad altre forme di energia
diverse da quella che vogliamo misurare (tali energie vengono riassunte nel termine sistema ambiente).

Classificazione energetica
Un sensore puo essere classificato in funzione delle energie che riceve in ingresso:
* passivo: da in uscita un energia a bassa potenza, migliori per quanto concerne l'offset, non ha bisogno di energie ausiliarie per funzionare
* attivo a ciclo aperto: l'energia ausiliaria non dipende dall'energia di uscita
* attivo a ciclo chiuso: l'energia ausiliaria dipende dall'energia di uscita.
Gli ultimi due vengono anche detti modulating sensors

Sensore ideale
Un sensore ideale si definisce:
* selettivo: sensibile alla sola grandezza fisica di interesse
* tempo di riposta nullo
* banda infinita
* offset nullo (y(t)=0 se x(t)=0)
Y(t) = S x(t)

Sensore reale
un sensore reale non presentera le caratteristiche sopra elencate, il suo modello sarà (nel dominio di la place):
Y(s)=S(x(s))*x(s)+N(s)

Dove:
* S(x(s)): indica che il sensore è sensibile in modo diverso a seconda delle portanti di ambiente questo termine è anche detto cross-sensivity
* N(s): saraà sensibile inoltre a rumore e presenterà un offset di misura non nullo.
Per migliorare le prestazioni di un sensore reale, per avvicinarlo quanto piu possibile ad un sensore ideale, sono necessarie procedure di compensazione; atte dunque
alla riduzione di cross-sensivity, offset, rumore di misura, miglioramento dimanica (tempo di risposta), accuratezza e risoluzione.

Terminologia
* Testing
Procedura atta alla visualizzazione della risposta propria del sensore: viene dato in pasto al sensore un ingresso specifico e se ne visualizza l'uscita.

* Calibrazione
Proceura atta al calcolo della funzione S^(-1) e alla sua applicazione sull'uscita del sensore, grazie a questa procedura è possibile osservare
in che misura il sensore riproduce la grandezza da misurare (misurante). Per via della cross-sensivity la funzione S^(-1) puo non essere univoca, è quindi
scopo della compensazione fare in modo che tale funzione esista; quindi la calibrazione diviene possibile dopo la compensazione.

* Accuratezza (indice di bonta di un sensore reale)
Rappresenta l'abilita del sensore a rappresentare la grandeza da misurare all'interno dell'ambiente (in pratica quanto il sensore riesce ad essere selettivo verso il misurante).

* Risoluzione
Rappresenta la piu piccola variazione del misurando che il sensore è in grado di registrare.

* Non linerita della funzione di sensivita
La funzione di sensività è spesso non lineare nei suoi valori di uscita

Specifiche di un sensore reale
Il costruttore in genere fornisce alcuni parametri, tra i quali:
* Caratteristiche del misurando (campo di misura e campo di sicurezza)
* Caratteristiche di uscita (la natura dell'uscita, valori estremi,impedenza)
* Risoluzione
* Rumore
* condizioni operative
* Affidabilita (tempo di vita espresso per esempio in numero di cicli)

Tecniche di compensazione
Necessarie per il migliramento di parametri come cross-sensivity, offset, tempo di risposta, accuratezza e risoluzione.

Structural compensation (eliminano offset, cross-sensivity e non linearità)
Si costruiscono sensori con particolari proprietà in modo da essere riusati in combinazione; esempio: misura differenziale.
Se due sensori forniscono uscite opposte a seconda della loro posizione, possono esseremessi in modo tale da eliminare offset, cross-sensivity e non linearità.

Tailored compensation (eliminano l'offset)
Compensazione fatta a mano sui sensori in quanto due sensori anche se nominalmente identici, per via delle procedure di costruzione, possono avere comportamenti
diversi.
Un esempio puo essere la memorizazzione dell'offset di un sensore su una memoria per poi sottrarla in uscita al sensore stesso.

Sensactor compensation (efficaci per combattere le non linearità dei sensori)
Si fa uso di un attuatore ausiliario per modificare l'ambiente in cui il sensore è immesso. Un attuatore è rappresentato dalla sua caratteristica di efficienza E
secondo la funzione: Xr(s) = E(s)*Y(s) + X(s) dove X(s) rappresenta l'ambiente complessivo. Noi supporremo gli attuatori ideali, i quali agiscono su una variabile
di ambiente solamente.
Ci sono diversi metodi per attuare la sensactor compensation, ne vedremo alcuni:

S.c. Null point measurement (NPM)
Attraverso la retroazione del segnale misurato e l'uso di un controllore che ne stabilizza il segnale e lo amplifica.
vantaggi:
* Spostamento del punto di lavoro sullo zero.
* uscita linearizzata anche quando il sensore ha una sensività non lineare e mal controllata.
* influenza delle variazioni dei parametri di processo in sensori integrati e la deriva della sensività vengono eliminati.
* effetti positivi sul tempo di vita del sensore: questo metodo prevede una sorta di SELF-TEST in quanto la rottura del sensore si nota in quanto porta all'instabilita
dell'attuatore.
* adatto per la compensazione della sensività

Contro:
* non annulla l'offset
* l'efficienza dell'attuatore deve essere ben controllata
* Difficile da usare in quanto possible mancanza di opportuni attuatori
* alto consumo di potenza

È possibile spostare il punto di lavoro su un valore prestabilito, in qusto caso si parla di fixed working point measurement (FPM).

S.c Choppers
L'ipotesi di funzionamento è la distinzione in frequenza dei segnali di disturbo (ambiente e rumore) dal segnale da misurare, questa tecnica si basa
sulla doppia traslazione in frquenza del segnale utile, e dello spostamento in frequena degli errori.
Con questa tecnica l'attuatore si riduce ad una componente ON/OFF.

Vantaggi:
* Riduce cross-sensivity
* Riduce offset
* Riduce rumore


Contro:
* non compensa derive e non linearità delle sensivita
* riduzione della banda del segnale di uscita

S.c. Reference point measurement (RPM)
Da utilizzare quando il sensore è particolarmente sensibile alle variazioni di un'altra grandezza di ambiente.
Si aggiunge un segnale di riferimento il cui scopo è stabilizzare ad un valore fisso la grandezza di ambiente indesiderata; ciò è possibile in quanto un attuatore
modifica localmente l'ambiente.
Esempio d'uso: stabilizzazione della temperatura ad un valore voluto.

Vantaggi:
* insensibilita del sensore ad una o piu variazioni di variabili d'ambiente.

S.c. Master slave measurement
Obiettivi simile all npm ma migliore. Consiste nell'uso di un sensore master e di un sensactor slave, il quale insegue il master. La dimostrazione è fatta per via
grafica/matematica

Ipotesi di lavoro:
* matching delle sensivity, cross-sensivity e offset tra i due sensori => schema indicato per per applicazioni con sensori integrati

Vantaggi:
* Compensazione della deriva e delle non linearità della sensività
* Compensazione cross sensivity
* Compensazione dell'offset.

S.c. self-testing, auto-compensation, auto-calibration
nelll'ottica di: prima si scopre il guasto piu si risparmia, spesso i sensori vengono montati in modo tale da auto-compensarsi e dunque auto-calibrarsi.
Nel tempo l'accuratezza di un sensore viene deteriorata

Self-test
Fatti semplicemente rilevando una variazione sull'uscita in presenza della stessa grandezza in ingresso; non dipendono dal fattore E degli attuatori.

Auto-compensazione e auto-calibrazione
Dipendono dall'accuratezza dell'attuatore, il quale deve coprire tutto il campo di misura del sensore.

Esempio di uso: auto-sensivity compensation sfruttando la banda del sensore; il segnale di calibrazione viene fatto passare attraverso il sensore per controllare
la possibile distorsione della sensivita dello stesso.

Monitored Compensation
I monitor sono oggetti che riescono a non essere sensibili verso una grandezza fisica.
un montaggio sensore/monitor puo essere fatto per eliminare i disturbi dovuti alle altre variabili ambientali.

Ipotesi:
* Stessa cross-sensivity e offset del sensore

Vantaggi:
* elimina cross-sensivita
* elimina offset

Contro:
* Non compensa le non linearità (in generale i difetti) della sensività

Addition unrelated sensor (AUS) (inverso monitor) (molto usato)
Si usano piu sensori, ognuno senisbile a variabili diverse, il montaggio è realizzato attraverso componenti esterne quali: circuiti dedicati, memorie LUT.
Gli aus piu sofisticati le informazioni (es di temperatura) vengono usate per indicizzare un memoria contenente una curva di calibrazione.
Contro:
* deve essere ricalibrato

Modulating compensation
Vengono sfruttati sensori attivi la cui oculata variazione della componente modulante (energia ausiliaria) permette la modulazione del sensore.

M.c. Optimized sensor biasing
La modulante è funzione di altre variabili indesiderate di ambiente, X2 (ad esempio) viene trasdotta facendo uso di un sensore ausiliario e si usa
un componente detto signal conditiong che a seconda di tale valore cambia la modulante del sensore primario.

Vantaggi:
* riduzione ceross-sensivity
* stabilizzazione sensività
* riduzione effetto invecchiamento

Contro:
* richieste molte misure
* profonda conoscienza del sensore primario

Multisensor compensation
Compensazione fatta attraverso l'uso di piu sensori messi una matrice (tecnologie integrate), ideale per combattere errori stocastici intrinsechi alla fabbricazione
dei sensori.

M.s.c. Redundant and complementary sensors (RCS)
Se il sensore è caratterizzato da un MTF (mean time to failure) basso è possibile aumentare tale valore aggiungendo elementi ridondanti.
Per aumentare il campo di misura di un sensore è possibile aggiungere più sensori in parallelo, ognuno dei quali sensibile ad una particolare componente.

Pro:
* Aumento MTF
* Aumento campo di misura

M.s.c Uniformely exposed array
Si usa un array di sensori identici, usati per rilevare la stessa grandezza, in uscita viene fatta la media aritmetica del valore ottenuto.

Vantaggi:
* Combattuti errori di fabbrica


Esistono anche matrici di sensori identici esposti in modo diverso alla varibile di ambiente, o matriice di sensori diversi per rilevare grandeze diverse allo scopo di
eliminare la cross-sensivity (AUS).

Deductive compensation
Si sfruttano le conoscienze delle grandezze da misurare e dell'ambiente di lavoro per costruire un sensore AD-HOC.

Packaging compensation
L'immunita dalle altre varibili di ambiente è fatta per via costruttiva.




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