sensore: definizione generale - uniroma2.it · sensazione / percezione fusione con altri sensi...

E. Martinelli: Introduzione 1

Sensore: definizione generale

Un sensore è un dispositivo che consente di quantificare una grandezza attraverso la misura di una grandezza ad essa correlata.

Trasduzione: Conversione della grandezza di interesse in una grandezza misurabile Calibrazione: scala graduata che associa al valore della grandezza misurata il valore della grandezza in oggetto

Espansione termica ∆T⇒∆L

Reazione fotochimica ∆pH⇒∆colore

Equilibrio tra forza di gravità e resistenza di una molla ∆M⇒∆α


Trasduttori, Sensori ed Elettronica

Per trasduzione si intende la conversione di una grandezza da una forma di energia ad un’altra.

Il sensore è formato da un insieme di trasduttori che convertono una grandezza di interesse in un ambito energetico in cui sia possibile misurare, conservare, elaborare e trasmettere l’informazione.

Nell’attuale sviluppo tecnologico, la forma energetica che consente queste operazioni è quella elettrica.

I sensori che studiamo sono quindi dei sistemi di trasduttori che trasformano le informazioni in segnali elettrici.

Energia meccanica

Energia elettromagnetica radiante

Energia termica

Energia magnetica

Energia chimica

Energia elettrica

Energia elettrica SENSORE


Sensori ed Elettronica

“L’elettronica è la scienza e la tecnica che tratta principalmente dell'ausilio ai sensi dell'uomo per mezzo di dispositivi che raccolgono ed elaborano l'informazione, la trasmettono, la utilizzano per il controllo automatico di macchine, o la presentano in una forma comprensibile all’uomo” Everitt, Proc. IRE 1952


Sensori: definizione

Sensori, trasduttori e attuatori (una possibile definizione )

Sensore: Dispositivo Elettronico che converte una grandezza fisica, chimica o biologica in un segnale elettronico. Termometro clinico: temperatura → lunghezza è un trasduttore Termistore: temperatura → resistenza elettrica è un sensore

Il sensore è quindi un componente di un circuito elettronico che lega le grandezze del circuito (corrente, tensione, frequenza o fase) ad una o più grandezze ambientali.

Grandezza qualsiasi

Grandezza qualsiasi

Grandezza elettrica

trasduttore sensore

attuatore


I sensori e l’elettronica

Quasi tutti i sistemi elettronici sono connessi a sensori ed attuatori. In elettronica i componenti elettronici hanno valori e parametri dipendenti o

dalle caratteristiche costruttive o dalle caratteristiche del circuito stesso. Grazie ai sensori i valori circuitali dipendono da grandezze esterne al circuito.

Queste caratteristiche rendono possibili una serie di applicazioni dalla realizzazione di strumenti di misura alla mimesi delle attività degli esseri viventi (robotica).

Più il sistema diventa complesso più cresce il numero di sensori, cioè le interfacce con l’ambiente esterno ⇒ sistema multisensoriale.

Un sistema multisensoriale è un sistema in cui le informazioni fornite da più sensori concorrono a definere la conoscenza di un ambiente. Il concetto di “Sensor fusion”

E. Martinelli: Introduzione

Sistema Sensore

6

Electronic Interface

1° Processing Elaboration

A/D Conversion

2° Processing Elaboration

Sensitive Element

Ex. : R=f(T)+R0

Possibili tipi di Sistema Sensore


Electronic Interface

1° Signal Processing

A/D Conversion

2° Signal Processing

Sensitive Element


Classificazione dei sensori: come componenti elettriconici

Resistori Termistore, fotoconduttore, magnetoresistenza, strain gauge, sensore di gas…

Induttori Sensori di posizione, fluxgate magnetometer…

Condensatori Sensori di posizione…

Diodi Fotodiodo, sensori di campo magnetico…

MOSFET MagFET, ISFET…

Differenza di potenziale Effetto Hall (sensore di campo magnetico), ion selective electrodes,…

Generatori di tensione (fem) Termocoppia, fotovoltaico, celle elettrochimiche (sensori di ioni e di gas)…


Classificazione dei sensori: per applicazione

Sensori di grandezze fisiche Temperatura Radiazione Elettromagnetica

Antenne, sensori infrarossi, luce visibile, UV, X, γ Campo Magnetico Grandezze meccaniche

Posizione Angolare, lineare

Deformazione Accelerazione Pressione Flusso

Sensori di grandezze chimiche Concentrazioni di gas in aria Concentrazioni di ioni in soluzione

Sensori di grandezze biologiche Concentrazioni di anticorpi, proteine, analisi del DNA,virus e batteri


Paradigma Sensoriale “par excellance”: il corpo umano

Il corpo umano acquisisce la conoscenza dell’ambiente attraverso i recettori sensoriali

Recettori sensoriali di tipo FISICO: tatto, temperatura, ottica (visione), acustica (udito),

… CHIMICO: olfatto e gusto

I segnali dei recettori vengono elaborati (sensazioni) ed integrati per formare la conoscenza (percezione) di un ambiente.

Il corpo umano agisce attraverso attuatori Attuatori esterni: meccanici (muscoli) ed acustici (voce)

che gli consentono di interagire con l’ambiente. Attuatori interni: biochimici (enzimi, ormoni,…) che gli

consentono di modificarsi in funzione dell’ambiente.


I sensori nel corpo umano

Percezione del mondo esterno: Vista, Udito, Olfatto, Gusto, Tatto, Pressione atmosferica, temperatura, Gravità,

Accelerazione angolare, Accelerazione lineare, scorrere del tempo. Percezioni meccaniche esterne

Equilibrio, Cinestesia (movimento delle articolazioni), Allungamento dei tendini, Allungamento delle fibre muscolari

Percezioni interne Pressione sanguigna, Febbre, Mancanza d’aria, Infiammazione, Sete, Fame, Volume

d’aria nei polmoni, Pressione della vescica, Pressione degli sfinteri, Stomaco pieno, Nausea

Emozioni interne Ira, Paura, Disgusto, Tristezza, Noia, Allegria, dolore morale, senso di colpa

Empatia (percezione delle emozioni altrui) Ira, Paura, Disgusto, Tristezza, Noia, Allegria, dolore morale

Quantità fisiche (misurabili)

Quantità emotive


Processamento del segnale nei sensi umani

Tessuto recettore (cellule specializzate)

Processamento locale Riduzione dei segnali

Innervamento nel nervo principale

Processamento nel cervello

Sensazione / Percezione Fusione con altri sensi Memoria riconoscimento

Alimentazione Vasi sanguigni

Grandezza fisica

Segnale Bio-chimico

Entità psichica


Sensazione e Percezione

Sensazione: “Avverte i movimenti delle cose” Percezione: “Riferisce le sensazioni alle cose stesse”

Cartesio: “Le passioni dell’anima” (1649)

Inciso : I movimenti → concetto differenziale (sensibilità)

La percezione come concetto multisensoriale: “coscienza immediata di un tutto strutturato (totalità) le cui parti, considerate

singolarmente) non presentano le stesse qualità della totalità. La percezione ha proprietà inscindibili dal tutto (non ne è la mera somma)” (Gestaltpsychologie)


Sistema Sensoriale artificiale


La catena di trasduzione

Un sensore è in generale costituito di una serie di elementi attraverso i quali la grandezza misurata (misurando) viene trasdotta in grandezze intermedie fino ad arrivare al segnale elettrico.

Esempio: accelerometro

Δa: accelerazione ⇒ Δα: deflessione della trave ⇒ ∆d: variazione della distanza tra le armature ⇒ ΔC: variazione della capacità utilizzabile in un circuito elettronico.

€

Δa⇒Δα ⇒ Δd⇒ΔC ⇒⇑

elettronica

⇒Δv


I Microsensori

La tecnologia del silicio (microelettronica) rende possibile la realizzazione di sistemi sensoriali in cui sia l’elemento sensibile sia l’elettronica sono integrati sullo stesso chip. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)

Accelerometro Sensore di pressione


Sensori dovunque

17


Le caratteristiche dinamiche dei sensori

La risposta del sensore nei confronti del misurando può essere istantanea oppure ritardata in base al meccanismo di funzionamento del sensore.

Sensori di ordine zero La risposta del sensore è istantanea

sensori di posizione Sensori del primo ordine

La risposta del sensore è data dall’equilibrio tra un elemento che accumula energia ed un elemento che la dissipa

sensori di temperatura Sensori del secondo ordine

La risposta del sensore è data dall’equilibrio tra due elementi che accumulano energia e due elementi che la dissipano

sensori di accelerazione

tempo

mis

uran

do

tempo

sega

nle

tempo

sega

nle

tempo

sega

nle

sollecitazione

Sensore di ordine zero

sensore di ordine uno

sensore di ordine due

dinamica statica risposta


Differenti risposte in frequenza

19

Ordine zero

€

segnalemisurando

€

Log ω

€

segnalemisurando

€

Log ω

€

segnalemisurando

€

Log ω

Ordine uno

Ordine due

€

V t( ) = k ⋅ M t( ) V s( )M s( )

= k

€

V t( ) = a1 ⋅dM t( )

dt+ a0 ⋅ M t( )

V s( )M s( )

=1a0

⋅1

1+ s a1

a0

€

V t( ) = a2 ⋅d 2 M t( )

dt 2 + a1 ⋅dM t( )

dt+ a0 ⋅ M t( )

V s( )M s( )

=k ⋅ω0

2

s2 + 2 ⋅ ξ ⋅ω0 ⋅ s +ω02 ;

k =1a0

; ξ =a1

2⋅ a0 ⋅ a2 ; ω0 =

a0

a2


Le caratteristiche statiche la risposta del sensore (feature extraction)

Un sensore si adatta alle variazioni del misurando attraverso una dinamica propria del dispositivo.

La grandezze estratta dall’andamento dinamico e che rappresenta la risposta del sensore è detta feature.

La feature consente di definire le caratteristiche statiche dei sensori. sensore

Misurando M

Segnale V M

m1 m2 m3

t V

v1 v2 v3

t

m1 m2 m3

V

M

v1 v2 v3


I parametri caratteristici dei sensori: La curva di risposta

Formalmente un sensore descrive un mapping dallo spazio del misurando allo spazio del segnale d’uscita.

Se entrambi questi spazi hanno dimensione 1, il sensore è rappresentabile attraverso una funzione V=f(M) detta funzione caratteristica del sensore

La conoscenza della curva di risposta permette di utilizzare il sensore come strumento di misura: dalla misura di V si deduce una stima del misurando M

La curva di risposta si ottiene attraverso un processo di calibrazione.

sensore

Misurando M

Segnale V

M

V

Regione lineare

Regione non-lineare

saturazione


I parametri caratteristici dei sensori: Reversibilità

La reversibilità esprime la capacità del sensore di seguire, con una dinamica tipica, le variazioni del misurando.

Un sensore è detto reversibile se al cessare della sollecitazione del misurando la risposta si annulla.

M

t

V

t

Reversibile Integrale

“dosimetro” mono-uso

“disposable”

t

Reversibilità “con memoria”

V

t t

t

t

M M M

t


B

MISURANDO

SENS

IBILIT

A' DE

L SEN

SORE

B

MISURANDO

SEGN

ALE D

EL SE

NSOR

E

I parametri caratteristici dei sensori: Sensibilità

La sensibilità è definita come il rapporto tra la variazione della risposta del sensore e la variazione del misurando.

Definisce la capacità del sensore di seguire le variazioni del misurando

Matematicamente, si esprime come la derivata della curva di risposta del sensore

Nella regione di non linearità, S è funzione del misurando.

Nella regione di linearità S è massima, perciò sono massime le prestazioni del sensore

€

S =dVdM

Regione lineare

Regione non-lineare

saturazione


Sensibilità Globale

Sensore primario

trasduttore amplificatore filtro A/D conv M N

Sensore minimo

X Vout Va Vf

Ognuno dei blocchi è caratterizzato da una sua funzione caratteristica che lega l’uscita all’ingresso e quindi da una sensibilità.

€

N = f AD v f( ) = f AD f f vA( )( ) = f AD f f f A vout( )( )( ) = f AD f f f A fs M( )( )( )( )

€

S =dNdM

=d

dMf AD f f f A fs M( )( )( )( )

condizionamento

Sensore


Esempio: Sensibilità di un Sensore resistivo di temperatura (Termistore)

RT(Τ)

I

A +

- V1

€

S =∂V2

∂T=∂V2

∂V1

⋅∂Vi

∂R⋅∂R∂T

= Si ⋅ ST ⋅ SA

S = A ⋅ I ⋅α ⋅ Ro

S = S jj∏

V2

∆T ⇒ ∆R ⇒ ∆V1 ⇒ ∆V2

€

RT T( ) = Ro 1 +αT( );

V1 = RT T( ) ⋅ I

V2 = A ⋅V1


Gli errori di misura

Ogni dato sperimentale è affetto da errore Gli errori di misura si classificano in casuali e sistematici

Gli errori casuali sono trattati dalla teoria statistica degli errori

errore casuale

errore sistematico


Errori di misura

Il risultato di ogni misura fisica contiene una parte di incertezza. La incertezza della misura proviene dalla errore proprio dello strumento di

misura e dalla natura statistica intrinseca della grandezza misurata Nel caso delle grandezze elettriche, la natura statistica intrinseca è detta

rumore elettronico. A seconda dello strumento di misura utilizzato una delle due sorgenti di

incertezza prevale. Esempio: misura ripetuta della lunghezza di una tavola con strumenti di

differente risoluzione:

27

Strumento Errore strumentale

Misure [cm]

Metro da sarto 1 cm 120, 120, 120, 120, 120

Metro da falegname 1 mm 119.8, 119.9, 120.1, 120.0, 120.2

Calibro 0.1 mm 119.84, 120.31, 119.83, 120.10, 120. 34

Micrometro 0.01 mm 119.712, 120.032, 119.879, 120.320, 119.982

Interferometro laser 0.5 µm 119.9389231, 120.00322537, 119.86430947, 119.34923692, 120.20104539


Rappresentazione grafica

28

118

118,5

119

119,5

120

120,5

121

121,5

122

0 1 2 3 4 5 6

Errore strumentale 10 mm

Lung

hezz

a (c

m)

MISURE

∆=10 mm

119,6

119,8

120

120,2

120,4

0 1 2 3 4 5 6

Errore strumentale 1 mm

Lung

hezz

a (c

m)

MISURE

∆=2 mm

119,6

119,8

120

120,2

120,4

0 1 2 3 4 5 6

Errore strumentale 0.01 mm

Lung

hezz

a (c

m)

Misure ripetute

∆=2.10 mm

119,6

119,8

120

120,2

120,4

0 1 2 3 4 5 6

Errore strumentale 0.1 mm

Lung

hezz

a (c

m)

Misure ripetute

∆=2.1 mm


I parametri caratteristici dei sensori: Accuratezza e Riproducibilità

Errori sistematici e casuali definiscono l’accuratezza e la riproducibilità di un sensore.

Accuratezza: capacità di un sistema di misura di fornire un valore del misurando uguale al valor vero (ignoto)

Riproducibilità: capacità di un sensore di fornire lo stesso segnale a parità di condizioni ambientali.

Sono grandezze statistiche: date N misure, il valor medio è relativo alla accuratezza e la varianza alla riproducibilità.

•• • •

• •

•

•

••

•

•

••

•• • •• ••

•• •

•••• •

• • •

• •

•

•

••

•

•

••

•• • •• ••

•• •

••

••

Yes AccuracyNo Reproduc.

Yes AccuracyYes Reproduc.

No AccuracyYes Reproduc.

No AccuracyNo Reproduc.

Figure 2: Pictorical representation of the definitions of accuracy and reproducibility


I parametri caratteristici dei sensori: Risoluzione

La risoluzione è conseguente all’esistenza degli errori di misura e del rumore elettronico. Il segnale del sensore non è una grandezza deterministica ma ha una componente

aleatoria: V±δV. Dove δV contiene gli errori di misura ed il rumore elettronico. δV è sempre limitato inferiormente dal rumore elettronico del segnale V. La risoluzione quantifica l’effetto dell’incertezza δV nella incertezza δM sulla misura del

misurando.

M

€

tanα =δVδM

; tanα =dVdM

M0( ) = SM 0

δM =δVSM 0

In un intorno linearizzato della curva di misura la risoluzione è definita come:

La risoluzione dipende dal modulo della sensibilità. In sensori con elevata sensibilità gli errori di misura influiscono meno sulla stima del misurando.

€

Mres = δM = limVout →Vnoise

Vout

S=Vnoise

S

€

V0

€

M0

€

δV

€

δM€

α


I parametri caratteristici dei sensori: Limite di rivelazione

La risoluzione calcolata per un segnale uguale a 0, definisce il limit of detection (LOD) del sensore.

La definizione traduce il fatto che non può esservi misura inferiore al suo errore. Quando l’errore di misura raggiunge il suo limite inferiore, il rumore elettronico Vn, si ha il limite di rivelazione teorico per quel sensore.

Si definisce un LODconvenzionale= (3 o 9)*LOD.

M Vn

MLOD

€

tanα =dVdM

0( ) = S0

€

MLOD =Vn

SM =0


Esempio: Risoluzione di un Sensore resistivo di temperatura (Termistore)

I

A +

- V1

€

S =∂V2

∂T=∂V2

∂V1

⋅∂Vi

∂R⋅∂R∂T

= Si ⋅ ST ⋅ SA

S = A ⋅ I ⋅α ⋅ Ro

ΔTres = limΔV2 →Vnoise

ΔV2

Stot= lim

ΔV2 →Vnoise

ΔV2

A ⋅ I ⋅α ⋅ Ro

ΔTres = limΔV2 →Vnoise

ΔV2

S jj∏

V2

∆T ⇒ ∆R ⇒ ∆V1 ⇒ ∆V2

RT(Τ)


Rumore elettronico

Il rumore è la manifestazione della natura statistica dei fenomeni che regolano il passaggio di corrente.

Questo è dovuto principalmente alla natura discreta dei fenomeni elettrici. Per definizione il rumore è:

A media nulla Statisticamente definito Distribuito in frequenza A valore efficace diverso da 0.


Densità Spettrale di Rumore

La potenza è proporzionale al quadrato della tensione (rms) o della corrente (rms).

La densità spettrale di potenza di rumore è definita come:

Le densità spettrale di tensione e corrente sono definite come:

La tensione o la corrente di rumore, in una data banda di frequenza, si esprimono come:

€

pn =dPn

df W

Hz

€

en =dVn

2

df V

Hz

; in =

dIn2

df A

Hz

€

Vn f1 → f2[ ] = vn2df

f1

f 2

∫ V[ ]; In f1 → f2[ ] = in2df

f1

f 2

∫ A[ ];


Distribuzioni spettrali dei Rumori caratteristici

Sv(f) [V2/Hz]

log f

1/f G-R

shot

termico

-20dB/dec -40dB/dec

€

termico : S f( ) = 4kTR

shot : S f( ) = 2aIo

G − R : S f( ) = Koτ

1+ω2τ 2

flicker : S f( ) = K V β

f α β ≈ 2;α ≈1[ ]

rumore in eccesso


Rumore Termico (Johnson Noise)

Potenza media di rumore Johnson generata per agitazione termica degli elettroni in un resisitore e dissipata in un resistore di uguale valore.

In un circuito matched “R-R” la potenza dissipata in una delle due resistenze è pari a:

Il rumore Johnson si può anche esprimere attraverso un generatore di corrente

€

Pn = kTB W[ ] k =1.38 ⋅10−23 JK

€

Pn =1R

Vn

2

2

⇒Vn = 4kTRB V[ ] (a T = 300K)→ Vn = 0.129 RB R MΩ[ ]( )esempio :R =1KΩ; B =1KHz ⇒ Vn = 0.129 µVR =100Ω; B =1KHz ⇒ Vn = 41 nV

€

In =Vn

R= 0.129 B

R R MΩ[ ]( )


Rumore shot

Fenomento che esprime la natura discreta della corrente che attraversa una giunzione

E’ un rumore in eccesso, quindi si manifesta solo quando una corrente scorre nel dispositivo.

Importante solo nei dispositivi a giunzione

€

In = 2eIB = 5.66 ⋅10−10 IB

In pA[ ] = 0.566 IB con I µA[ ]


Rumore Flicker

Rumore in eccesso presente in tutti i fenomeni. Aumenta “indefinitamente” al diminuire di f.

La quantità di rumore dipende dal rapporto f2/f1. Decadi diverse forniscono lo stesso rumore: Vn[10KHz-1KHz]= n[0.01Hz-0.001KHz] Se il rumore nella decade (0.1-1) Hz è pari ad 1 µV, il rumore nelle 9 decadi

(10-9-1) Hz è

10-9Hz = 30 anni!

€

S =costf α

con α ≈1

En = K 1f

dff1

f 2

∫ = K log f2

f1

€

9 ⋅1µV = 3µV


Rumore come “sensor output” esempio: sensori chimici resistivi

Il rumore elettronico non è solo “disturbo” Il rumore è una misura delle proprietà statistiche di un fenomeno quindi è un

metodo di indagine sulla natura del fenomeno che lo genera. Si può considerare una misura di rumore come output di un sensore

Esempio: rumore 1/f in sensori chemo-resisistivi di polimero conduttore

1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Ethanol

Reference Air

Sensor n° 2 Polypyrrole Butane Sulfonic acid (PPy/BSA) Electric Current ON Averages 120

(V2 rms/H

z)

Frequency (Hz)


I parametri caratteristici dei sensori: 4. Selettività e cross-sensitivity (II)

grandezze

Sensibilità Sensore

SPECIFICO

grandezze

Sensibilità

Sensore NON SELETTIVO

ambiente

grandezze

quanttità

Stato dell’ambiente

€

V = S j ⋅ M j + err

€

V = Sk ⋅ M kk∑


I parametri caratteristici dei sensori: Drift

Variazione temporale delle caratteristiche del sensore. La curva di risposta si modifica col tempo per cui, nella stima del misurando si

introduce un errore variabile (in genere cresce col tempo). Il drift è legato al tempo di vita della calibrazione del sensore, cioè dopo quanto

tempo usare la stessa curva di risposta da luogo ad errori sul misurando non tollerabili.

M

V

Mm Mv Mv

t0 t1

t2


Esempio di un sensore reale accelerometro ADXL50A

Curva di risposta

Sensibilità

Range dinamico Il range dinamico stabilisce il range di linearità entro il quale cioè la

sensibilità si mantiene costante, quindi le caratteristiche del sensore sono costanti. Tale range è ± 50 g. S

€

V a( ) = V0 + a ⋅K V0 = 1.8V ; K = 0.019 Vg

€

a =V − 1.80.019

g

€

S =dVda

= K S = 19 mVg


Rumore La densità di rumore bianco del sensore è

Se ad esempio il segnale è filtrato da un filtro passa basso con frequenza di taglio 10 Hz, il valore quadratico medio (rms) del rumore sarebbe

Risoluzione

in una misura reale in cui il segnale è filtrato da un filtro passa basso con frequenza di taglio 10 Hz si otterrebbe una risoluzione pari a 20 mg.

Esempio di un sensore reale accelerometro ADXL50A

€

125 µVHz

€

Vnoise , rms = 125 µVHz

⋅ 10Hz = 395µV

€

ares =VnS

=125 µV

Hz

19 mVg

= 6.6 mgHz

1 mg =10-3 g=0.0098 m/s2

sensore: definizione generale - uniroma2.it · sensazione / percezione fusione con altri sensi...

Documents