PROPRIETA’ DEI SENSORI AL QUARZO

1. PROPRIETA’ DEI SENSORI AL QUARZO

2. Sensori piezoelettrici a) Azione meccanica Effetto elettrico b) Azione elettrica Effetto meccanico

3. Caso a) per trasduttori (accelerazione, forza, pressione…), iniezione (alta tensione con bassa corrente...) Caso b) per piezoeccitatori o stampanti a getto di inchiostro Vi sono tre gruppi di materiali: 1) cristalli naturali e sintetici 2)ceramiche ferroelettriche e polarizzate (riscaldamento sotto un potente campo magnetico) 3) film di polimeri

4. Il sensore consta del materiale piezoelettrico e di due elettrodi fissati opportunamente all facce del materiale per consentire di raccogliere la carica generata Per il trasduttore interessa il caso a): il trasduttore è un generatore di carica con una capacità in parallelo 3 fi 6 w 5 e0 1 t 4 2 l

5. Convenzioni adottate Direzione effetto meccanico Grandezza Direzione effetto elettrico (campo) (carica) Se è nota la costante dielettrica le due quantità sono legate

6. Valori tipici: quarzo

7. L’analisi comprende trasduttore, cavo ed amplificatore • l’impedenza del trasduttore è molto alta • l’amplificatore ha spesso più la funzione di adattatore di impedenza piuttosto che di elevatore del livello di tensione • la situazione più comune è l’impiego a valle del trasduttore di un amplificatore di carica Impedenze voltmetro crescenti fi e0 xi fi

8. Corrente in ingresso all’amplificatore assunta nulla Rl Rp eo Ccable Ccr Cp accelerometro cavo preamplificatore

9. R iR eo ic icr C Kq= sensibilità [C/cm] xi = deformazione [cm] Da generatore di carica a generatore di corrente RETE EQUIVALENTE SEMPLIFICATA generatore di corrente

10. R iR eo ic icr C sensibilità t = RC =costante di tempo

11. ESEMPIO: Si desidera una risposta “piatta” entro una banda del 5%. Allora w > w1, ove: Dunque, se t cresce, miglioro la risposta alle frequenze basse Alzare t significa alzare R o C: 2 possibilità: 1) alzo C: basta mettere una capacità in parallelo al trasduttore (le capacità in parallelo si sommano); si abbassa così anche la sensibilità (K=kq/C). Risposta impulso: vedi Doeblin 265-66

12. 2) alzo Rampl: occorre dunque che l’amplificatore abbia una R sempre più grande (può essere difficile da trovare). Allora si può fare come di seguito indicato eo Ccr+Ccable Rampl R5 amplificatore cristallo R5

13. R5 eo Ccr+Ccable Rampl Anche in questo caso, tuttavia, la sensibilità risulta sacrificata

14. Condizionamento di segnale dei sensori al quarzo • Caratteristiche salienti del quarzo: • Insostituibile per misure dinamiche • Alta impedenza di uscita • Lavora bene anche ad alte temperature (intorno ai 500°C) • Cavi di collegamento: segnale generato sensibile alle radio-frequenze (RFI), all’interferenza elettromagnetica (EMI) e al rumore triboelettrico (generato dal mivimento del cavo). • Deve essere mantenuta un’elevata resistenza di isolamento del trasduttore e del cavo per evitare problemi di deriva e garantire la ripetibilità

15. Il primo punto è la conversione dal segnale in carica ad alta impedenza in un segnale in tensione a bassa impedenza. Questo può essere fatto dallo stesso strumento che registra o visualizza il segnale, oppure per mezzo di amplificatori di tensione o di carica.

16. + - Ra Rc Rp Vo Qa Ca Cc Cp accelerometro cavo preamplificatore AMPLIFICATORE IN TENSIONE Non è riportata la resistenza di isolamento verso terra che è assai elevata adattatore di impedenza con G = 1

17. Amplificatore in tensione (Voltage mode) Alcuni materiali piezoelettrici hanno valori di capacità interna che, seppur elevata, non assume valori eccessivi. Per questi è possibile adottare un voltage amplifier. La sensibilità in tensione a circuito aperto è: Va=q/Ca q=sensibilità in carica (es pC/g) Ca = capacità del sensore (pF=10-12 farad) La resistenza Ra è molto alta e in parallelo, quindi trascurabile

18. La sensibilità dell’intero circuito rilevata all’ingresso del preamplificatore è allora : Ne viene che elementi con capacità relativemente bassa hanno un’alta sensibilità in tensione Il preamplificatore è un follower, dunque:

19. In termini di sensibilità: Con Sva(open) la sensibilità a circuito aperto del trasduttore. Dunque la sensibilità in tensione del circuito dipende dallacapacità complessiva che comprende anche le caratteristiche del cavo. Se questo viene cambiato, il sistema va ritarato. Qualsiasi variazione di capacità o perdita di resistenza di isolamento altera le caratteristiche del circuito. Questo sistema conserva una buona linearità anche a frequenze elevate (>1 MHz), tuttavia cavi molto lunghi, con pesanti effetti capacitivi (filtro passa basso), possono limitarne le prestazioni.

20. Questo sistema conserva una buona linearità anche a frequenze elevate (>1 MHz), tuttavia cavi molto lunghi, con pesanti effetti capacitivi (filtro passa basso), possono limitarne le prestazioni. Tuttavia il rumore di fondo di questo sistema i amplificazione è di almeno un ordine di grandezza superiore rispetto al caso dell’amplificatore di carica. Vedi Bruel per prestazioni ad alte e basse frequenze

21. SVANTAGGI: • l’uscita varia al variare di: • capacità del cavo • resistenze di contatto • umidità e sporcizia nei contatti

22. Cf Rf Ra Rc Rp Vo Qa Ca Cc Cp AMPLIFICATORE IN CARICA Non è riportata la resistenza di isolamento verso terra che è assai elevata accelerometro cavo preamplificatore

23. Cf Ic Vc I Ii Qa Ct Ct Vi Il valore delle resistenze è in genere assai elevato, dunque il circuito può essere trattato in prima approssimazione come costituito dalle sole capacità. Vo

24. Il valore delle resistenze è in genere assai elevato, dunque il circuito può essere trattato in prima approssimazione come costituito dalle sole capacità. Si può integrare assumendo nulle tutte le condizioni iniziali: Se poi A è grande, la soluzione si riduce alla semplice equazione:

25. Cf Ic Vc Ii Ii Qa Ct Ct Vi La tensione in uscita è dunque proporzionale alla carica in ingresso. Il guadagno è espresso dalla capacità di feedback. Nel caso ideale non contano le altre capacità (compresa quella dei cavi) perché nel caso ideale (A tendente all’infinito) la tensione di ingresso è nulla. Dunque tutta la carica in arrivo dal trasduttore passa alla capacità di feedback. Caso con resistenze vedi libro Bruel pagg.42-44

26. Il rumore elettrico è funzione del rapporto tra Cf , capacità dell’anello di retroazione, e la somma delle capacità del circuito Ct. Per questo motivo esiste un limite sulla lunghezza massima dei cavi. In secondo luogo poiché il segnale in uscita è ad alta impedenza, devono essere impiegati speciali cavi insensibili a RFI, EMI e al rumore triboelettrico. Libretto Bruel pag 51

27. Una cura particolare va posta nell’evitare il degrado della resistenza di isolamento all’ingresso dell’amplificatore di carica, che produce deriva (è rischioso l’impiego in ambienti “difficili, con sporcizia, umidità..) Anche se tendenzialmente le prestazioni sono superiori rispetto al voltage mode, il costo per canale è assai elevato e la massima frequenza è minore (50-100 kHz) a causa dell’effetto filtro di Cf al di sopra delle citate frequenze Libretto Bruel pag 51

28. SENSORI ICP • Si tratta di sensori piezoelettrici con elettronica incorporata. Sono alimentati da condizionatori a corrente costante, che dunque consentono l’impiego di cavi a due fili a bassa impedenza. • Vantaggi • sensibilità in tensione costante (indipendente dalla lunghezza del cavo o dalla sua capacità) • bassa impedenza di uscita (<100 W) • costi limitati

29. Anche in questo caso ci sono due differenti configurazioni, per sensori al quarzo (bassa capacità, voltage mode, amplificatori in tensione MOSFET) e ceramici (grandi valori di carica in uscita, charge mode); il meccanismo di funzionamento del quarzo è sempre lo stesso. QUARZO, BASSA IMPEDENZA Il misurando produce una carica raccolta dal condensatore Poiché il quarzo ha bassa capacità, la tensione in uscita è grande; il guadagno dell’amplificatore determina la sensibilità del sensore.

30. Poiché il quarzo ha bassa capacità, la tensione in uscita è grande; il guadagno dell’amplificatore determina la sensibilità del sensore. Il DV appare istantaneamente all’uscita dell’amplificatore, con aggiunta una tensione di bias di +10VDC: questo livello di tensione costante deriva dalle proprietà elettriche dell’amplificatore. L’impedenza all’uscita del sensore è circa 100 W.

31. SENSORE CERAMICO, ALTA IMPEDENZA Viene sfruttata un’amplificazione in carica, legata al valore della capacità di feedback. Tuttavia sono eliminati alcuni aspetti svantaggiosi, ossia la necessità di cavi protetti in maniera ermetica; i problemi connessi al rumore dei cavi e al degrado della resistenza di isolamento sono eliminati.

32. ALIMENTAZIONE ICP E’ richiesta un’alimentazione a corrente costante. Il segnale è fornito da una sorgente VDC da 18 a 30 V, un diodo regolatore di corrente (o un equivalente circuito a corrente costante, minimo 2mA), una capacità di disaccoppiamento (rimozione del bias voltage dal segnale). Fig.7

33. Il voltmetro controlla la tensione di bias del sensore (da 8 a 14 VDC) ed è utile per controllare il buon funzionamento del sensore stesso, di eventuali corto circuito o circuito aperto. La capacità di disaccoppiamento sposta il livello del segnale abbattendo la tensione di bias; il risultato è una modalità di operazione DC esente da derive.

34. In condizioni operative la centralina di condizionamento presenta 3 LED (giallo rosso verde) e il voltmetro. LED VERDE: è presente la corretta tensione di bias del sensore ICP e un corretto collegamento dei cavi LED ROSSO: corto circuito (V bias =0) LED GIALLO: è controllata la tensione di alimentazione (circuito aperto)

35. Con accoppiamento in AC si ricorda che è sempre necessario un certo tempo per caricare il condensatore di accoppiamento: se si utilizza uno strumento di misura DC, una lenta deriva prosegue fino a carica ultimata. Il condensatore si carica attraverso la resistenza di ingresso dello strumento di lettura. Condizioni stabili si hanno dopo 5 costanti di tempo, ossia 5 x resistenza x capacità. Con R=1MW, C=10mF questo significa attendere circa 50 s.

36. Risposta in frequenza degli ICP 3 fattori 1) considerazioni meccaniche 2) limitazioni amplificatore /alimentazione 3)cavo MECCANICHE valgono le stesse considerazioi già fatte per gli accelerometri al quarzo (molto importanti le condizioni di fissaggio)

37. AMPLIFICATORE/ALIMENTATORE • tensione 1MHz di banda passante • carica 100 kHz di banda passante • CAVI • Il problema nasce con cavi lunghi quando la corrente non è sufficiente a vincere la capacità del cavo. • Mentre, come già sottolineato, non vi sono problemi dovuti ad ambienti “ostili”, il carico capacitivo del cavo può distorcere o filtrare le frequenze più alte del segnale, in funzione della corrente di alimentazione e dell’impredenza del sensore. La formula che lega queste grandezze è: Ic =corrente costante dell’alimentazione V= picco massimo di tensione del segnale pF(lunghezza cavo)

38. RISPOSTA ALLE BASSE FREQUENZE DEGLI ICP 2 fattori 1) tempo di scarica del sensore 2) costante di tempo del circuito (se accoppiato in AC) 1) In genere il problema maggiore è il primo perché non è controllabile Si ricorda che la tensione cui tende il segnale durante la scarica non è 0, ma la tensione di bias (8-10V). La capacità è fissa (regola il guadagno), quindi per variare t si varia R