Trasduttore

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Il trasduttore è un dispositivo di qualsiasi genere destinato a trasmettere dell'energia da un punto a un altro alterandone alcune delle caratteristiche che la identificano.

Per trasduttore si intende anche un dispositivo in grado di trasformare una forma di energia in un'altra forma tramite uno o più sistemi di trasformazione.

Una grandezza caratteristica di un trasduttore è il suo rendimento.[1] .

Data l'energia E_i in ingresso nel sistema, ad un'altra E_u in uscita dal sistema, si dice "rendimento" il rapporto: \frac{E_u}{E_i}

Nel caso ideale in cui le perdite di energia nel sistema siano nulle, il rendimento sarà evidentemente massimo e pari a 1, cioè quando E_u=E_i

Il rendimento in un sistema reale, trasduttore di energia, è quindi una grandezza positiva minore di 1 e viene anche indicato in % moltiplicando il valore per 100.

I trasduttori presentano una grandezza (o segnale) in entrata e una grandezza (o segnale) in uscita.[2] La grandezza in uscita varia al variare della grandezza in ingresso ed è legata ad essa mediante una funzione matematica più o meno complessa. Questa funzione è chiamata caratteristica del trasduttore o funzione di trasferimento del trasduttore.[3]

Conoscendo la funzione di trasferimento e la grandezza in uscita è quindi possibile conoscere il valore della grandezza in ingresso.

Talvolta il termine "trasduttore" è utilizzato come sinonimo del termine "sensore", sebbene nella terminologia tecnica abbiano un significato differente.[4][5]

Grandezze di entrata[modifica | modifica sorgente]

Alcuni esempi di grandezze in entrata di un trasduttore sono: accelerazione, campo elettrico, campo magnetico, densità, forza, livello, peso, pH, portata, posizione angolare, posizione lineare, pressione, radiazione, segnale elettrico, temperatura, velocità, viscosità, umidità.

Funzione di trasferimento[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Funzione di trasferimento.

Le funzione di trasferimento di un trasduttore (o caratteristica del traduttore) può essere di tipo lineare, quadratica, cubica, esponenziale, logaritmica, ecc. I trasduttori più utilizzati possiedono una caratteristica lineare oppure vengono fatti lavorare nell'intervallo dove la caratteristica è lineare (o con buona approssimazione lineare).

In alcuni casi la caratteristica è stabilita empiricamente mediante prove di laboratorio.

Grandezze di uscita[modifica | modifica sorgente]

Le grandezze di uscita dei trasduttori in genere sono: forza, spostamento, variazione di impedenza o segnale elettrico/elettronico.

Intervallo di entrata/uscita[modifica | modifica sorgente]

Un trasduttore è caratterizzato da un intervallo di valori della grandezza d'entrata dove il funzionamento è stabile (o "regolare"). A tale intervallo di valori della grandezza d'entrata corrisponde un intervallo di valori della grandezza di uscita in cui il funzionamento del trasduttore è regolare.

Il massimo intervallo della grandezza da trasdurre dovrà essere compreso nel massimo intervallo di ingresso della grandezza del trasduttore. Anche per l'uscita del trasduttore bisogna tenere presente l'intervallo di regolare funzionamento.

In caso contrario il funzionamento del trasduttore non è più prevedibile e ciò può comportarne il danneggiamento.

Ad esempio:

  • gli ingranaggi devono essere progettati affinché i denti delle ruote dentate possano resistere a tutta la potenza che potrebbero essere chiamati a trasdurre e devono avere un attrito delle varie parti nettamente inferiore alla potenza minima prevedibile da trasdurre;
  • un trasformatore, se la tensione di ingresso è troppo elevata o l'impedenza del carico alimentato dall'uscita è troppo piccola non trasdurrà in modo regolare e, nel peggiore dei casi, si potrà "bruciare";
  • una molla se viene sovraccaricata non trasdurrà in modo regolare e, nel peggiore dei casi si potrà rompere;
  • una termocoppia se è sottoposta ad una temperatura troppo elevata si può fondere.

Errori dei trasduttori[modifica | modifica sorgente]

I trasduttori possiedono molte caratteristiche per cui possiedono altrettanti problemi che devono essere tenuti in considerazione per il loro utilizzo pratico. Alcune di queste caratteristiche sono peculiari a trasduttori specifici. Elenchiamone alcune di queste caratteristiche che limitano l'utilizzo dei trasduttori:

  • Caratteristica statica
  • Caratteristica dinamica
  • Dipendenza dalle variabili ambientali
  • Errore di trasferimento
  • Errore di quantizzazione
  • Affidabilità
  • Errore di guadagno.

In particolare per tutti i trasduttori si ha dipendenza dalle variabili ambientali.

Dipendenza dalle variabili ambientali[modifica | modifica sorgente]

Praticamente tutti i trasduttori sono più o meno influenzati, nel loro utilizzo pratico, da una o più delle variabili ambientali. Cioè il loro regolare funzionamento può dipendere e può venir influenzato dalla temperatura, dall'umidità, dalla pressione, dalle polveri in sospensione, dalle radiazioni ionizzanti, dai campi magnetici, dai campi elettrici, dalla luminosità, dalle sostanze presenti nell'atmosfera, ecc. Per cui bisognerà scegliere, con la dovuta attenzione, il trasduttore più idoneo allo scopo e al luogo dove deve andare ad operare o, in alternativa, prevedere un'adeguata protezione.

Facciamo degli esempi per chiarire questo punto.

  • In un ambiente potenzialmente esplosivo, per la presenza di polveri e/o sostanze chimiche esplosive, si dovrà utilizzare componenti elettrici/elettronici adeguatamente protetti per evitare che eventuali scintille possano far esplodere l'ambiente di lavoro.
  • In un ambiente polveroso si dovrà utilizzare ingranaggi protetti, per impedire che la polvere possa bloccare il loro regolare funzionamento.
  • In un ambiente dove sono presenti radiazioni ionizzanti, si dovrà utilizzare componenti elettronici adeguatamente schermati per evitare che le radiazioni danneggino i vari circuiti.
  • In un ambiente dove sono presenti intensi campi magnetici e/o intensi campi elettrici sarà necessario utilizzare strumenti elettrici insensibili a tali campi o, in alternativa, strumenti adeguatamente protetti.

Accoppiamento in cascata o in serie[modifica | modifica sorgente]

Ovviamente è possibile accoppiare, in cascata o in serie, più trasduttori per ottenere un trasduttore complessivo con caratteristiche molto specifiche. In questo caso, ovviamente, la grandezza di uscita del primo trasduttore deve essere di identica natura alla grandezza di entrata del secondo trasduttore per poter effettuare il relativo accoppiamento. In ultima analisi l'uscita complessiva dei trasduttori è, normalmente, pneumatica o elettrica/elettronica.

Il motivo per cui i trasduttori possiedono un'uscita pneumatica è che, fino a non tantissimi anni fa, era il solo sistema per poter effettuare delle operazioni complesse, su una macchina, in modo completamente automatico.

Ultimamente l'elettronica ha soppiantato praticamente tutti i comandi pneumatici e questo è il motivo per cui moltissimi trasduttori moderni hanno un'uscita elettrica/elettronica. Le caratteristiche del segnale di uscita sono, ovviamente, normalizzate per poter rendere rielaborabile il segnale da altri componenti o da un computer. In questo caso si ha una netta separazione di significato tra "sensore" e "trasduttore".

Il sensore è l'elemento che percepisce l'energia di entrata, la trasduce (cioè ne cambia alcune caratteristiche), e la trasmette verso il modulo che la rielabora per renderla compatibile con l'uscita elettrica/elettronica normalizzata. Il trasduttore è l'apparecchiatura nel suo complesso e comprende pertanto il sensore ed il modulo di normalizzazione. È superfluo dire che il modulo di normalizzazione è un trasduttore nel significato più ampio, visto che trasduce l'uscita del sensore nel segnale elettrico/elettronico normalizzato.

Accoppiamento in parallelo[modifica | modifica sorgente]

Almeno in linea teorica, è possibile accoppiare, in parallelo, più trasduttori identici, cioè che possiedono la medesima grandezza di entrata e di uscita. In questo caso i trasduttori attingono alla medesima grandezza di entrata con lo scopo di avere un'uscita più energica. In pratica questo non avviene quasi mai (sono veramente pochi i casi di trasduttori che, nella pratica, vengono collegati in parallelo) perché non esistono due trasduttori veramente identici.

Accoppiando in parallelo due trasduttori si corre il rischio che uno dei due lavori in sovraccarico e l'altro lavori sotto carico. Il rischio concreto è quello che il trasduttore che lavora in sovraccarico si guasti per eccesso di carico. Appena ciò avviene si potrebbe guastare immediatamente anche l'altro trasduttore per eccesso di carico visto che il primo trasduttore non contribuisce più al trasferimento energetico. Per cui si può avere la rottura, in contemporanea, di tutti i trasduttori accoppiati in parallelo.

Per evitare questo problema ci sono due soluzioni. La prima soluzione è quella di richiedere un'energia di trasferimento complessiva minore della somma delle energie di trasferimento dei singoli trasduttori, proprio per evitare che il trasduttore che lavora in sovraccarico si possa guastare. La seconda soluzione è quella di utilizzare un solo trasduttore con caratteristiche adeguatamente maggiorate. Cioè, per essere chiari, o si utilizzano due, o più, trasduttori facendoli lavorare sotto carico oppure si utilizza un trasduttore adeguato alle maggiori richieste.

Utilizzo alla rovescia[modifica | modifica sorgente]

In genere, alimentando i trasduttori alla rovescia (alimentati all'entrata con una grandezza compatibile con l'uscita) non funzionano e si possono danneggiare. Esistono alcuni e rari casi dove alimentando i trasduttori in questo modo funzionano regolarmente, ovviamente con la dovuta inversione della funzione di trasferimento. Alcuni esempi di trasduttori funzionanti ugualmente sono il trasformatore, alcuni tipi di accoppiamento tra ingranaggi, i trasduttori piezoelettrici, i LED, ecc. Come è possibile vedere dall'elenco, i trasduttori alimentabili alla rovescia sono sia di tipo omogeneo sia di tipo non omogeneo (vedi classificazione successiva).

Classificazione dei trasduttori[modifica | modifica sorgente]

I trasduttori si possono suddividere in base alla tipologia di energia di ingresso e di uscita. In questo caso possiamo avere due famiglie di trasduttori differenti:

  • trasduttori omogenei: trasduttori dove l'energia di ingresso è omogenea (di identica natura) rispetto a quella di uscita; alcuni esempi di trasduttori omogenei sono:
    • trasduttori meccanici (tra cui gli ingranaggi)
    • trasduttori idraulici (tra cui la condotta forzata)
    • trasduttori elettrici (tra cui il trasformatore)
    • trasduttori elettronici (tra cui il transistor)
  • trasduttori non omogenei (o ibridi): trasduttori dove l'energia di ingresso è di diversa natura (non omogenea) rispetto a quella di uscita; alcuni esempi di trasduttori non omogenei sono:
    • trasduttori elettromeccanici (grandezza elettrica → grandezza meccanica e viceversa)
    • trasduttori elettro-ottici (grandezza elettrica → grandezza ottica e viceversa)
    • trasduttori magnetoelettrici (grandezza magnetica → grandezza elettrica e viceversa)
    • trasduttori piezoelettrici (grandezza pressione → grandezza elettrica e viceversa).

I trasduttori si possono suddividere anche in base al rapporto tra l'energia di uscita e quella di ingresso:

  • trasduttori passivi (o inerti): quando l'energia in uscita è inferiore all'energia in ingresso (es. Ingranaggi, Trasformatore, Molle, ecc.)
  • trasduttori attivi: quando l'energia in uscita è uguale o superiore all'energia di ingresso. Questo significa che il trasduttore deve essere alimentato da una fonte di energia ausiliaria esterna (es. Triodo, Transistor, ecc.)

Trasduttori monouso[modifica | modifica sorgente]

In genere i trasduttori sono tutti riutilizzabili più volte, ma esistono anche trasduttori monouso; ad esempio la cartina di tornasole (che trasduce il valore del pH di un liquido in una variazione di colorazione della cartina medesima) è uno di questi:

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Cartina di tornasole pH colore sulla cartina medesima

Una volta utilizzata, non è più riutilizzabile e per eseguire una nuova misurazione del pH c'è la necessità di una nuova cartina. Altri esempi di trasduttori monouso sono alcuni trasduttori di pressione, di temperatura, ecc. per applicazioni medicali (sono monouso per ovvi problemi igienici).

Esempi di trasduttori e loro caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Nella tabella seguente sono indicati alcuni esempi di trasduttori:

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Membrana pressione forza - movimento
Molla forza spostamento lineare - spostamento angolare
Ingranaggi spostamento angolare - spostamento lineare spostamento angolare - spostamento lineare
Piezoelettrico pressione - forza segnale elettrico
Tubo Pitot portata spostamento lineare
Termistore temperatura variazione di impedenza
Resistore strain-gage forza variazione di impedenza
Potenziometro spostamento lineare - spostamento angolare variazione di impedenza
Ponte di Wheatstone alimentato variazione di impedenza (ma non di capacità) segnale elettrico
Ponte di Shering alimentato variazione di capacità segnale elettrico
Trasformatore segnale elettrico segnale elettrico
Bobina segnale elettrico segnale magnetico
Led corrente elettrica segnale luminoso
Diodo laser corrente elettrica segnale laser
Antenna segnale elettromagnetico segnale elettrico

Esempi di utilizzo di più trasduttori in cascata[modifica | modifica sorgente]

Si possono fare centinaia di esempi, ma qui ne facciamo vedere soltanto due.

Primo esempio[modifica | modifica sorgente]

Se abbiamo la necessità di misurare una portata e riportare questo valore su uno strumento in una sala comandi si potrebbe realizzare un trasduttore in questo modo. Un Tubo Pitot accoppiato ad un potenziometro accoppiato, a sua volta, ad un Ponte di Wheastone alimentato, che risulta accoppiato ad uno strumento indicatore. Vediamo le varie funzioni di trasferimento coinvolte.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Tubo Pitot portata spostamento lineare
Potenziometro spostamento lineare variazione di resistenza
Ponte di Wheatstone alimentato variazione di resistenza segnale elettrico
Strumento indicatore segnale elettrico spostamento lineare - spostamento angolare

In realtà il tubo Pitot misura la somma di una quantità proporzionale alla pressione del fluido ad una quantità proporzionale alla velocità del fluido (KP + K'V). Non è difficile, da questa misurazione, estrarre la sola componente della velocità e da questo valore calcolare la portata del relativo fluido.

Secondo esempio[modifica | modifica sorgente]

In una comunissima bilancia familiare sono presenti alcuni trasduttori. Al suo interno sarà presente una molla accoppiata ad un ingranaggio. Vediamo le varie funzioni di trasferimento coinvolte.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Molla forza spostamento lineare
Ingranaggi spostamento lineare spostamento angolare

Elementi passivi utilizzati come trasduttori[modifica | modifica sorgente]

Esistono alcuni elementi passivi che si possono, con alcuni artifici più o meno complessi, ed alimentandoli con una fonte di energia elettrica esterna adeguata, trasformare in trasduttori. In realtà, in alcuni casi, questi artifici ne modificano soltanto le caratteristiche elettriche per cui non sono dei veri e propri trasduttori (non esiste trasferimento energetico tra causa ed effetto) comunque, con questi artifici, i vari componenti passivi vanno a possedere una funzione di trasferimento che lega, in modo biunivoco, la causa con il relativo effetto. Questa è la condizione necessaria e sufficiente per poterli utilizzare come trasduttori.

Vediamoli con il loro utilizzo:

Resistore
Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Resistore corrente elettrica temperatura

Il resistore è un elemento passivo, ma ha una caratteristica particolare. Se attraversato da una corrente elettrica si scalda e raggiunge una temperatura dipendente dalla corrente elettrica che l'attraversa (vedi Effetto Joule). Per cui, misurando la temperatura, si può risalire al valore della corrente elettrica che transita nel resistore. Vedi amperometri termici. È quindi possibile sfruttare questa caratteristica per creare un trasduttore.

Capacitore

Il capacitore è un elemento passivo, ma ha una caratteristica particolare. Se si modifica il valore della costante dielettrica o la distanza tra le armature o anche la loro superficie contrapposta si modificano i suoi parametri elettrici. È possibile sfruttare questa caratteristica per creare un trasduttore. Vediamo due esempi.

  • 1° Esempio

Se una faccia del condensatore a facce piane è fissa e l'altra è mobile è possibile trasdurre lo spostamento, lineare o angolare, della faccia mobile in una variazione di segnale elettrico.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Capacitore spostamento lineare - spostamento angolare segnale elettrico

Un esempio pratico è la manopola di sintonizzazione delle radio.

  • 2° Esempio

Se le due facce del condensatore a facce piane sono immerse parzialmente in un liquido dielettrico (comunemente olio) è possibile trasdurre il livello del liquido dielettrico in una variazione di segnale elettrico.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Capacitore spostamento lineare segnale elettrico
Induttore

L'induttore è un elemento passivo, ma ha una caratteristica particolare. Se si modifica il valore della costante dielettrica si modificano i suoi parametri elettrici. È possibile sfruttare questa caratteristica per creare un trasduttore. Vediamo come:

Se introduciamo parzialmente un oggetto metallico in un induttore possiamo trasdurre lo spostamento di tale oggetto, dentro la bobina, in una variazione di segnale elettrico.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Induttore spostamento lineare - spostamento angolare segnale elettrico

Trasduttori presenti in un oggetto di uso quotidiano[modifica | modifica sorgente]

Vediamo ora, in un oggetto di uso quotidiano, alcuni dei trasduttori presenti. L'oggetto in questione la è bicicletta.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
accoppiamento tra la corona e la catena spostamento angolare spostamento lineare
accoppiamento tra la catena e il pignone spostamento lineare spostamento angolare
accoppiamento tra la ruota posteriore ed il terreno spostamento angolare spostamento lineare
accoppiamento tra il terreno e la ruota anteriore spostamento lineare spostamento angolare
dinamo spostamento angolare segnale elettrico
lampadina dei fari segnale elettrico flusso luminoso
accoppiamento tra la leva ed il filo d'acciaio dei cambi e dei freni spostamento angolare spostamento lineare

Trasduttori che normalmente non vengono utilizzati come tali[modifica | modifica sorgente]

Esistono degli elementi che, nonostante siano dei trasduttori, non vengono comunemente usati come tali.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Lampadina ad incandescenza energia elettrica flusso luminoso

Se la corrente elettrica che attraversa il filamento varia, anche la sua luminosità varia di conseguenza. È possibile, in linea teorica, poter valutare la corrente elettrica che attraversa il filamento di tungsteno della lampadina, attraverso il flusso luminoso emesso.

Elementi che potrebbero sembrare trasduttori, ma che non lo sono[modifica | modifica sorgente]

Esistono molti componenti che, ad una superficiale analisi, potrebbero sembrare dei trasduttori ma, se ci atteniamo alla definizione di trasduttore, è facile capire che non lo sono.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Interruttore pressione energia elettrica

L'interruttore non è un trasduttore perché l'energia di uscita non è funzione dell'energia di entrata. Un secondo motivo, per cui un interruttore non è un trasduttore, è che se la forza che lo ha azionato si azzera non si azzera il suo effetto. Per azzerarne l'effetto è necessario premere nuovamente l'interruttore medesimo.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Pulsante pressione energia elettrica

Il pulsante non è un trasduttore perché l'energia di uscita non è funzione dell'energia di entrata. Al suo interno c'è un trasduttore (la molla) che trasduce la forza in spostamento lineare.

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
diodo e diodo Zener energia elettrica -

Il diodo e il diodo Zener non sono dei trasduttori perché non possiedono un'uscita dell'energia elettrica in entrata. Sono solo e soltanto elementi elettronici passivi, cioè vanno a modificare il parametro "corrente elettrica" rispetto al parametro "tensione elettrica".

Trasduttori presenti negli animali e nelle piante[modifica | modifica sorgente]

La definizione di trasduttore è molto ampia e generica, tanto che rientrano in questa categoria anche i trasduttori presenti sugli esseri viventi (piante e animali). Vediamone alcuni:

Trasduttore Funzione di ingresso Funzione di uscita
Apparato visivo flusso luminoso segnale elettrochimico
Apparato uditivo pressione segnale elettrochimico
Sensori del tatto pressione segnale elettrochimico
Sensori dell'olfatto composizione chimica segnale elettrochimico
Papille gustative composizione chimica segnale elettrochimico
Ricettori del dolore pressione segnale elettrochimico
Corde vocali pressione muscolare pressione
Muscoli segnale elettrochimico spostamento angolare
Apparato uditivo dei pipistrelli pressione (ultrasuoni) segnale elettrochimico
Sensori elettrici degli squali segnale elettrico segnale elettrochimico
Foglie flusso luminoso segnale elettrochimico

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Dott. Alfredo Ferraro, op. cit.
  2. ^ http://www.med.unifi.it/segreteria/laurea/scienze_mot/mat_didattico/fisica_applicata/trasduttori.pdf
  3. ^ http://lesim1.ing.unisannio.it/MatDidattico/MEEA/Slides/Trasduttori.pdf
  4. ^ http://www.automazione.ingre.unimore.it/pages/corsi/materialedidattico/ITSC0607/ITSC10-Sensori.pdf
  5. ^ http://home.dei.polimi.it/svelto/didattica/materiale_didattico/materiale%20didattico_MA/Sensori%20Definizioni.pdf

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Dott. Alfredo Ferraro, Enciclopedia della radio, Firenze, Sansoni Edizioni Scientifiche, 1954.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]