Trasduttore

Il trasduttore (dal inglese transducer, der. negli anni 1920 dal latino trans-ducere, guidare-condurre + attraverso-passare oltre) è un dispositivo in grado di convertire una forma di energia, in una diversa.

Il dispositivo può essere attivo o passivo, meccanico o elettrico, e può essere caratterizzato da alcuni parametri quali sensibilità, linearità, risposta in frequenza, impedenza interna e stabilità.

Raramente, l'uscita di un trasduttore può essere direttamente collegata ad uno strumento di misura, di elaborazione o di visualizzazione. Il segnale elettrico in uscita dal sensore/trasduttore, oltre a contenere componenti indesiderate, è in genere troppo rumoroso e debole (valori dell’ordine dei millivolt o dei picoampere) per poter essere trasmesso a distanza. In questo caso è necessaria la presenza di un circuito di interfaccia che ottimizzi il collegamento fra dispositivo sensibile e carico.

In molti casi la distinzione tra sensore e trasduttore non è così netta e delineata e molto spesso nella letteratura tecnica e nella pratica comune i due termini sono utilizzati come sinonimi.

Descrizione

I trasduttori presentano una grandezza (o segnale) in entrata e una grandezza (o segnale) in uscita; la grandezza in uscita varia al variare della grandezza in ingresso ed è legata a essa mediante una funzione matematica più o meno complessa, chiamata caratteristica del trasduttore o funzione di trasferimento del trasduttore: conoscendo la funzione di trasferimento e la grandezza in uscita è quindi possibile conoscere il valore della grandezza in ingresso e viceversa.

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 in questo senso è il suo 'rendimento:. data l'energia $E_{i}$in ingresso nel sistema, e 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.

Grandezze di entrata

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.

Grandezze di uscita

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

Intervallo di entrata/uscita

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 a una temperatura troppo elevata si può fondere.

Funzione di trasferimento

La funzione di trasferimento di un trasduttore (o caratteristica del trasduttore) può essere di un tipo tra cui lineare, quadratica, cubica, esponenziale o logaritmica. 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.

Dipendenza dalle variabili ambientali

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 operare o, in alternativa, prevedere un'adeguata protezione.

Alcuni esempi possono chiarire questo punto.

• In un ambiente potenzialmente esplosivo, per la presenza di polveri e/o sostanze chimiche esplosive, si dovranno utilizzare componenti elettrici/elettronici adeguatamente protetti per evitare che eventuali scintille possano innescare un'esplosione nell'ambiente di lavoro.
• In un ambiente polveroso si dovranno utilizzare ingranaggi protetti, per impedire che la polvere possa bloccare il loro regolare funzionamento.
• In un ambiente dove sono presenti radiazioni ionizzanti, si dovranno 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.

Classificazione

I trasduttori si possono suddividere in base alla tipologia di energia di ingresso e di uscita. In questo caso si possono 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. Un esempio può essere il trasduttore piezoceramico, che percepisce le vibrazioni e gli impatti subiti dalla struttura trasformando l'energia meccanica in segnale elettrico)
• 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

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).

Accoppiamento

In serie o cascata

È possibile accoppiare più trasduttori in cascata o in serie per ottenere un trasduttore complessivo con caratteristiche molto specifiche. In questo caso 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 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 e 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.

Esempi di utilizzo di più trasduttori in cascata

Primo esempio

Se si ha 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 di Pitot accoppiato a un potenziometro accoppiato, a sua volta, a un ponte di Wheatstone alimentato, che risulta accoppiato a uno strumento indicatore. Le seguenti sono le varie funzioni di trasferimento coinvolte.

Trasduttore	Funzione di ingresso	Funzione di uscita
Tubo di 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 di Pitot misura la somma di una quantità proporzionale alla pressione del fluido a 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

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

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

In parallelo

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.

Esempi di trasduttori e loro caratteristiche

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 di 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
Sensore di flusso di calore	valore di calore	segnale elettrico

Elementi passivi utilizzati come trasduttori

Esistono alcuni elementi passivi che si possono trasformare in trasduttori con alcuni artifici più o meno complessi se alimentati con una fonte di energia elettrica esterna adeguata. 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 acquisiscono 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.

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 (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.

Condensatore

Il condensatore 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.

• 1º 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.

• 2º 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. Si noti come:

Se si introduce parzialmente un oggetto metallico in un induttore si può 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

Utilizzo alla rovescia

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, 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).

Errori dei trasduttori

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 tipiche di trasduttori specifici. Alcune di queste caratteristiche 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.

Trasduttori nel mondo reale

Trasduttori presenti in una bicicletta

A titolo di esempio, ecco alcuni dei trasduttori presenti in una 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

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

Esistono molti componenti che, ad una superficiale analisi, potrebbero sembrare dei trasduttori, ma, se ci si attiene 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 soltanto elementi elettronici passivi, cioè modificano il parametro "corrente elettrica" rispetto al parametro "tensione elettrica".

Trasduttori presenti negli animali e nelle piante

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).

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
Abbronzatura	radiazione ultravioletta	segnale elettrochimico
Apparato uditivo dei pipistrelli	pressione (ultrasuoni)	segnale elettrochimico
Sensori elettrici degli squali	segnale elettrico	segnale elettrochimico
Foglie	flusso luminoso	segnale elettrochimico

Bibliografia

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

Voci correlate

• Osservatore dello stato
• Sensore
• Strumentazione di controllo
• Trasduttore di spostamento capacitivo
• Trasduttore di forza

Altri progetti

Altri progetti

• Wikisource
• Wikizionario
• Wikimedia Commons

• Wikisource contiene una pagina sulla trasduzione elettroacustica
• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «trasduzione elettroacustica»
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sulla trasduzione elettroacustica

Collegamenti esterni

• trasduttore, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) transducer / electrical transducer, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• I trasduttori (PDF), su gamma.unipv.it. URL consultato il 21 maggio 2011 (archiviato dall'url originale il 6 marzo 2007).
• I trasduttori radio-elettrici, su radiondistics.altervista.org.
• whatis: transducer, su whatis.techtarget.com.
• Federal Standard 1037C, August 7, 1996: transducer, su its.bldrdoc.gov. URL consultato il gennaio 21, 2006 (archiviato dall'url originale il 27 settembre 2007).
• American National Standard for Telecommunications - Telecom Glossary 2000: transducer, su atis.org. URL consultato il 5 giugno 2014 (archiviato dall'url originale il 13 marzo 2013).
• (EN) IUPAC Gold Book, "transducer", su goldbook.iupac.org.