Torna alle basi: Sensori e segnali (Parte 1)
Sensori e segnali: da dove cominciare? Un sensore è un dispositivo che risponde a uno stimolo in ingresso e fornisce un'uscita relativa all'ingresso. Lo stimolo è qualsiasi cosa che deve essere misurata: dal rilevamento della semplice pressione dei tasti che avete usato per trovare questo articolo su Internet al rilevamento del movimento di precisione del mouse per poter cliccare sul link dell'articolo. I sensori forniscono in genere un'uscita analogica, come una tensione, una corrente o una resistenza, che viene poi convertita da un'elettronica o da un circuito aggiuntivo in un valore digitale, che può essere interpretato e manipolato da un processore o da un microcontrollore.
Un'intera carriera potrebbe essere dedicata alla comprensione di un tipo specifico di sensore. Pertanto, la prima parte di questa serie di due parti tratterà le basi dei sensori in cui Fredericks si è specializzata negli ultimi 80 anni: i sensori di inclinazione e di vuoto, che si presentano in una varietà di forme e utilizzano tecnologie attive e passive per misurare l'inclinazione o il vuoto.
- Cosa c'è da sapere sui sensori passivi
I sensori passivi rispondono a uno stimolo esterno generato da un'altra fonte. Prendiamo ad esempio un termometro: quando la temperatura aumenta in un termometro a fluido in vetro, il fluido nel tubo si espande (sale) e quando la temperatura diminuisce si contrae (scende). In base alla posizione del fluido, i segni sul tubo indicano la temperatura. Questo è un esempio elementare che non richiede altro che la visione umana per effettuare una misurazione approssimativa. Un altro esempio è quello delle antenne satellitari, che spesso utilizzano un sensore di inclinazione o un inclinometro per puntare in una direzione specifica e ottimizzare la potenza del segnale da un satellite nello spazio. - Cosa c'è da sapere sui sensori attivi
I sensori attivi, invece, forniscono uno stimolo che interagisce con il mondo esterno e viene poi rilevato dal sensore. Un ottimo esempio di sensore attivo è un servoinclinometro/accelerometro a forza bilanciata. Questo dispositivo genera una forza che corrisponde alla forza gravitazionale che agisce su di esso, che varia quando il dispositivo si muove o si inclina, quindi misura la quantità di forza utilizzata per contrastare la gravità e la converte in un angolo o in un'accelerazione. Un altro esempio più comune di sensore attivo è una fotocamera di notte. Una fotocamera genera un flash; il sensore nella fotocamera cattura la luce riflessa e infine la converte in un'immagine. - Comprendere le quattro proprietà chiave dei segnali
In parole povere, un segnale è ciò che viene generato da un sensore. Contiene informazioni su ciò che viene misurato, che possono essere convertite in un valore utilizzabile dalla persona o dal sistema che legge il sensore. I segnali provenienti da un sensore possono essere misurati o campionati e tali misure hanno molte caratteristiche. Tra le più importanti vi sono:- Risoluzione: La risoluzione è la più piccola variazione dello stimolo in ingresso che può essere rilevata dal sensore. Ciò è più facilmente descrivibile con un convertitore analogico-digitale: supponiamo di avere un sensore di inclinazione lineare ideale di ±10° (intervallo di 20°) con un'uscita da 0 a 5 V CC, che viene letta da un ADC a 10 bit (1024 conteggi) riferito a 5 V CC. Ciò significa che la lettura ha una risoluzione di 1024/5 = ~205 conteggi/V e una sensibilità massima di 5/20 = 0,25 V/° che, combinati, danno alla misura una risoluzione massima di ~51 conteggi/°. Questo valore può essere invertito e convertito in gradi, dando al sensore una risoluzione di 0,02°/conteggio.
- Sensibilità: È la quantità di variazione dell'uscita di un sensore in risposta a una variazione dello stimolo in ingresso: in parole povere, è la pendenza o il guadagno dell'uscita del sensore. Per usare lo stesso esempio di cui sopra, abbiamo un sensore di inclinazione lineare ideale di ±10° (intervallo di 20°) con un'uscita da 0 a 5 V CC. Ciò significa che la sensibilità (pendenza) dell'uscita è 5/20 = 0,25 V/°. Il sovracampionamento è una tecnica importante comunemente utilizzata per migliorare la risoluzione e la sensibilità. Un esempio comune riguarda l'uso di un microcontrollore per il campionamento di un sensore. Molti microcontrollori a basso costo contengono un ADC a 10 bit, che non ha una risoluzione sufficiente (solo 1024 bit) per molte applicazioni; tuttavia, è possibile prelevare campioni extra e mediarli insieme per creare un campione a risoluzione più elevata. Per qualsiasi campione, per aumentare il numero di bit da X a Y, è necessario campionare un totale di 4 Y-Xe calcolarne la media. Quindi, per un ADC a 10 bit, se si volesse sovracampionare per generare un campione accurato a 16 bit, sarebbe necessario prendere 4 16-10 =46 = 4096 campioni e farne la media (sommarli e dividerli per il numero totale di campioni).
- Precisione, ripetibilità e riproducibilità: Quando lo stesso stimolo in ingresso a un sensore viene campionato più volte, un sensore ideale emette lo stesso valore per ogni campione. Nessun sensore è ideale, in quanto ogni campione mostrerà una certa variazione rispetto al valore reale. Consideriamo un sensore di inclinazione riempito di fluido elettrolitico: supponiamo di rilevare una lettura dal sensore e che questa indichi una posizione angolare di 0,00°; il sensore subisce poi un movimento dinamico e ritorna alla posizione originale di 0,00°, ma questa volta quando rileviamo una lettura, la posizione angolare è di 0,01° di inclinazione. Questo perché c'è un'interazione meccanica e fisica tra il fluido e gli elettrodi di misura, che causa una leggera variazione del segnale di uscita nella stessa posizione. Se ripetessimo questa operazione più volte, potremmo scoprire che l'uscita varia da -0,01° a 0,01°, rendendo la precisione del sensore di inclinazione di ±0,01°.
- Precisione: L'accuratezza indica quanto un determinato campione di un sensore si avvicina al valore reale dello stimolo in ingresso. Combina gli errori legati alla risoluzione, alla sensibilità, alla precisione e ad altre caratteristiche dell'uscita di un sensore. Si noti che è possibile che un sensore sia altamente preciso, ma anche molto impreciso a causa, ad esempio, di una significativa non linearità nella sua uscita.
Rimanete sintonizzati per la seconda parte di questa serie, in cui ci addentreremo ulteriormente nei sensori e nei segnali, comprese le caratteristiche di uscita, la linearità, la compensazione e il filtraggio software!
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