Principali considerazioni nella scelta del sensore ideale

Adam Jeffery Product Manager per sensori e semiconduttori montati su scheda in Distrelec

Adam vanta oltre 8 anni di esperienza nel settore e svolge un ruolo chiave nel far conoscere a tecnici e professionisti i sensori più innovativi disponibili sul mercato. Appassionato di tecnologie all’avanguardia, Adam aiuta i clienti a migliorare le loro applicazioni offrendo componenti innovativi e di alta qualità.

Integrati o meno, i sensori sono un componente essenziale di ogni sistema elettronico intelligente. Ricevono e interpretano i dati dal mondo fisico e li convertono in un output leggibile. Grazie ai sensori, i sistemi automatizzati possono funzionare con maggiore efficienza, affidabilità e precisione e quindi con una produttività più elevata.

Principali considerazioni nella scelta del sensore ideale

Gli ingegneri saranno lieti di apprendere che i sensori, se utilizzati in modo efficace, offrono alle aziende, agli studenti e agli appassionati l’opportunità di passare da un approccio reattivo a un modello più proattivo, creando un valore maggiore per il consumatore finale. Questo passaggio può fare la differenza tra gli utenti effettivi delle apparecchiature di rilevamento..

La gamma e la varietà di sensori disponibili sul mercato sono ampie. Di conseguenza, scegliere un sensore appropriato per uno scopo particolare può essere un compito impegnativo. Tuttavia, considerare i seguenti fattori può rivelarsi utile per orientarsi nella scelta giusta:

9 key considerations

Le 9 considerazioni principali


1. Tipo di sensore

La scelta del sensore sarà determinata dalla composizione della proprietà rilevata (metallo, solido, liquido, gas, ecc.). Questo è il fattore principale che determinerà l’adeguatezza di un sensore specifico.

Tra i sensori più utilizzati vi sono:

  • Sensori di temperatura

I sensori di temperatura sono disponibili in diverse forme, tra cui sensori di temperatura, termistori, termocoppie e dispositivi di temperatura resistivi. Il loro utilizzo è ampio: computer, telefoni cellulari, automobili e sistemi di climatizzazione fanno tutti uso di vari tipi di sensori di temperatura.

  • Sensori di prossimità

Un sensore di prossimità è un sensore senza contatto che rileva la presenza di un oggetto. Possono essere utilizzati, tra gli altri, per le tecniche di ottica, ultrasuoni ed effetto Hall. I sensori di prossimità sono utilizzati in applicazioni come telefoni cellulari, sensori di parcheggio sulle auto e per il rilevamento della prossimità al suolo degli aeromobili.

Figura 1: Sensore di prossimità induttivo per il rilevamento di metallo
  • Sensori a infrarossi

Esistono due tipi di sensori a infrarossi: trasmissivi e riflessivi.

Trasmissivi: il trasmettitore a infrarossi e il rivelatore a infrarossi sono posizionati uno di fronte all’altro, in modo che il sensore rilevi l’oggetto quando passa tra di loro.

Riflessivi: il trasmettitore e il rivelatore sono posizionati uno accanto all’altro, rivolti verso l’oggetto, in modo che questo possa essere rilevato quando si trova davanti al sensore.

  • Sensori di pressione

È possibile misurare tre tipi di pressione: la pressione relativa, assoluta e differenziale.

1) Sensore di pressione relativa: misura la pressione relativa alla pressione atmosferica ambientale. Questo sensore può essere utile per misurare i livelli di liquido in un serbatoio ventilato, utilizzando la differenza tra pressione atmosferica ambientale e pressione idrostatica.

2) Sensore di pressione assoluta: misura la pressione relativa a un vuoto perfetto. I sensori di pressione assoluta possono essere utilizzati per misurare la pressione atmosferica per determinare l’altitudine. Un altro utilizzo è nei sistemi di monitoraggio della pressione degli pneumatici.

3) Sensore di pressione differenziale: misura la differenza di pressione tra due punti. Questi sensori vengono spesso utilizzati per rilevare la differenza di pressione su entrambi i lati di un oggetto. L’esempio più significativo è il monitoraggio del flusso d’aria in applicazioni di condizionamento dell’aria.

  • Sensori di luminosità

Esistono diversi tipi di sensori di luce, tra cui fotoresistenze, fotodiodi e fototransistor.

Le fotoresistenze sono componenti sensibili alla luce. Quando la luce cade su di loro, la loro resistenza cambia. Le fotoresistenze sono i sensori di luminosità più comunemente usati e uno degli esempi di utilizzo più significativi è nei lampioni stradali.

Figura 5: Fotoresistenza

I fotodiodi sono semiconduttori sensibili alla luce, piccoli, leggeri e poco costosi. Possono facilmente avere misure da picowatt a milliwatt di potenza ottica e sono molto reattivi, poiché vantano brevi tempi di risposta in picosecondi. Sono spesso utilizzati in applicazioni varie come sensori per l’apertura di porte, rilevatori di fumo e misuratori di zucchero nel sangue per diabetici.

Figura 6: Fotodiodo

I fototransistor sono essenzialmente una combinazione di un fotodiodo e un transistor di amplificazione. Trasformano l’energia luminosa in energia elettrica e producono sia corrente che tensione. I fototransistor sono impiegati in sistemi di sicurezza, encoder e per il controllo dell’illuminazione (come sulle autostrade).

Figura 9: Fototransistor
  • Sensori di flusso e di livello

I sensori di flusso misurano le portate di massa e volume. Questi sensori sono spesso utilizzati, tra le altre applicazioni, in dispositivi per la respirazione, concentratori di ossigeno e unità di condizionamento dell’aria.

Un sensore di livello Ã¨ un dispositivo che determina la quantità/il livello di fluidi che scorrono in un sistema aperto o chiuso. Esistono due tipi di misure del livello: continua e a livello del punto. I sensori di livello per la misura continua misurano fino a un limite specifico, fornendo risultati precisi, mentre i sensori di livello a punto determinano solo se il livello del liquido è alto o basso.

2. Applicazione prevista

Prima di scegliere un sensore, è bene considerare tutti i requisiti di applicazione, che potrebbero includere fattori quali:

  • Distanza dall’obiettivo – Permetterà di valutare la sensibilità necessaria del sensore nel raggiungere il suo obiettivo e la portata necessaria per garantire che sia adatto allo scopo.
  • Posizione del sensore – L’ambiente in cui verrà posizionato il sensore determinerà le dimensioni appropriate del sensore e suggerirà le opzioni di montaggio.

Indipendentemente dall’efficacia di un sensore in isolamento, è essenziale considerare l’ambiente in cui si trova il sensore.

3. Accuratezza e precisione

L’accuratezza è spesso un requisito fondamentale che un prodotto deve soddisfare. Nella commercializzazione dei sensori, accuratezza e precisione sono spesso utilizzate come sinonimi, ma in realtà rappresentano due cose diverse. Nel decidere a quale delle due dare priorità, è indispensabile capirne la differenza.

Figura 8: Accuratezza/Precisione

L’accuratezza è spesso un requisito fondamentale che un prodotto deve soddisfare. Nella commercializzazione dei sensori, accuratezza e precisione sono spesso utilizzate come sinonimi, ma in realtà rappresentano due cose diverse. Nel decidere a quale delle due dare priorità, è indispensabile capirne la differenza.

4. Durata 

Quando si sceglie un sensore, è importante considerare i fattori relativi alla sua durata. È utile porsi le seguenti domande:

  • Quanto durerà il sensore?
  • Durerà a lungo senza dover essere sostituito?
  • Resisterà in ambienti problematici?

Ogni sensore ha una durata limitata, spesso determinata dalla sua vita operativa, dalla sua durata di conservazione o dalla sua data di scadenza. I fattori che possono influire sulla longevità di un sensore includono il design, il materiale, il processo di fabbricazione, i livelli di concentrazione misurati e le condizioni ambientali a cui viene esposto il sensore.

Ad esempio, alcuni sensori che consumano elementi come l’ossigeno o il glucosio hanno probabilmente una durata molto breve mentre altri sensori, in genere quelli di temperatura, hanno una durata di servizio superiore a 10 anni. È opportuno considerare che anche i sensori con maggiore longevità possono essere soggetti a obsolescenza, perdendo sensibilità e diminuendo di conseguenza l’accuratezza.

La durata è importante per accertarsi che i sensori siano convenienti, adatti allo scopo e per ridurre la probabilità di deriva. Sebbene la deriva (che si verifica quando un sensore è esposto a condizioni che ne riducono l’accuratezza) sia inevitabile nel tempo, è possibile prevederla considerando fattori quali l’ambiente e la durata del sensore.

5. Tipi di uscita  

Tre sono i principali tipi di uscita:

1) Tensione analogica

2) PWM

3) Seriale digitale

C’è spesso una preferenza per i segnali digitali piuttosto che analogici, poiché questi ultimi tendono a essere influenzati dal rumore esterno. Ciò può causare errori nel segnale di uscita. Inoltre, un’uscita digitale può essere considerata migliore grazie alla sua compatibilità con i programmi per computer. Tuttavia, ciò non vale per tutte le applicazioni, poiché alcuni dati possono essere interpretabili senza l’ausilio di un programma per computer. Inoltre, con l’aiuto di un convertitore da analogico a digitale è possibile convertire l’uscita di un sensore analogico in un’uscita digitale.

Figura 9: Convertitore analogico-digitale

Molti sensori di controllo utilizzano loop di corrente da 4-20 mA, dove 4 mA rappresentano un segnale analogico basso e 20 mA rappresentano un segnale alto. Sono spesso utilizzati per la trasmissione di dati poiché i loop di corrente sono insensibili al rumore elettrico.

6. Tempi di risposta   

I tempi di risposta della maggior parte dei sensori vengono misurati in millisecondi, sebbene in alcuni sensori (spesso sensori per gas e perdite) vengano misurati in secondi o minuti. I tempi di risposta ottimali saranno spesso determinati sulla base dei dati ottenuti.

7. Ripetibilità

È importante considerare se la variabile rilevata può essere misurata in modo coerente o meno all’interno dello stesso ambiente. La ripetibilità si riferisce alla coerenza di un sensore rispetto a se stesso, cioè alla sua capacità di fornire sempre lo stesso risultato nelle stesse circostanze. Questo valore è spesso associato all’accuratezza ma un sensore può essere inaccurato e tuttavia essere in grado di produrre osservazioni ripetute.

Figura 10: Accuratezza/Ripetibilità

8. Costo  

I sensori in genere operano nell’ambito di una rete di infrastruttura più grande. Pertanto, se si considera il potenziale di sviluppo e scalabilità, il costo del sensore è un fattore importante. Sebbene i sensori siano spesso una componente essenziale di qualsiasi infrastruttura, devono essere valutati a un livello proporzionale alla portata finanziaria dell’intero progetto in cui vengono impiegati.

9. Requisiti specifici

Potrebbero esserci particolari requisiti specifici per un determinato sensore o per un particolare utilizzo di un sensore che è necessario prendere in considerazione. Tali requisiti possono includere temperature, umidità o vicinanza ai processi di saldatura eccessivamente elevate che potrebbero rendere inappropriato un sensore altrimenti idoneo per un uso particolare.

Il ruolo dei sensori nella lotta contro il Covid-19

I sensori sono stati essenziali nella lotta contro il Covid-19 in tre modi chiave: promuovendo il distanziamento sociale, consentendo controlli medici efficienti e migliorando i dispositivi di protezione individuale (DPI).

La tecnologia dei sensori consente quindi di rendere l’ambiente di lavoro il più sicuro possibile per tutti i dipendenti consentendo la tracciabilità dei contatti e offrendo controlli prima dell’ingresso. La tecnologia indossabile è stata anche estremamente vantaggiosa durante la pandemia grazie ai dati sanitari raccolti tramite sensori incorporati al suo interno. Questi progressi tecnologici hanno subito un’accelerazione durante il Covid-19 e probabilmente continueranno a farlo in futuro.

Sensori del futuro  

Gli sviluppi nei settori della microtecnologia e della nanotecnologia stanno disegnando sempre più il futuro dei sensori, consentendo loro di essere utilizzati in modi più creativi e versatili. La richiesta di sensori di dimensioni sempre più ridotte è aumentata, a causa del loro impiego in smartphone e dispositivi portatili. Un esempio significativo è l’uso degli accelerometri nei telefoni cellulari per garantire che il display di un telefono sia sempre in posizione corretta, indipendentemente dalla rotazione del dispositivo. Inoltre, quando questi micro sensori vengono combinati con l’elettronica digitale e con componenti meccanici (sistemi microelettromeccanici), possono essere utilizzati per controllare un numero maggiore di applicazioni IoT e quindi possono trovare un uso più ampio in questo senso.

Figure 11: Internet of Things

Inoltre, vengono sviluppate tecnologie per includere sistemi intelligenti che funzionano sempre più come entità senzienti. Tali tecnologie sono auto-monitoranti, auto-correttive e auto-modificanti, spesso con la capacità di vedere, sentire, annusare, ascoltare e comunicare grazie al rapido progresso dello sviluppo del sensore. I sensori intelligenti che funzionano in questo modo saranno inevitabilmente più efficienti nell’adempiere al loro ruolo e ridurranno la necessità di intervento umano, il che comporterà un’esperienza più soddisfacente per i consumatori.

Questa attenzione allo sviluppo di sensori per ridurre il lavoro umano è resa evidente dallo sviluppo dei sensori RFID (Radio Frequency Identification, identificazione a radiofrequenza). I sensori RFID hanno consentito la creazione di un sistema di pagamento senza carta tramite smartphone e hanno migliorato le procedure di sicurezza attraverso l’adozione di sistemi automatizzati di apertura delle porte. I sensori RFID hanno anche avuto un impatto sul mercato globale degli imballaggi digitali, in quanto consentono elaborazione, trasporto e consegna più rapidi. Questo aspetto è estremamente vantaggioso per i settori soggetti alla consegna di merci in tempi ristretti, come le merci deperibili nel settore alimentare e delle bevande.

Figura 12: Lettore RFID

Un altro recente sviluppo nella tecnologia dei sensori è il maggiore utilizzo della fusione dei sensori. Quando più sensori vengono utilizzati contemporaneamente, i punti di forza di ciascun sensore compensano i punti deboli di altri. Ciò permette la creazione di dispositivi più efficienti che si avvantaggiano degli attributi combinati di più sensori. Un numero enorme di applicazioni ha tratto benefici dalla fusione dei sensori, tra cui il monitoraggio della salute, i sistemi di trasporto, l’industria dell’intrattenimento e le previsioni meteorologiche per citarne alcuni. Questa capacità di rilevare molteplici qualità, ottenere dati intelligenti e avviare azioni è rivoluzionaria per una vasta gamma di settori.

Tenendo conto di questi sviluppi e alla luce delle considerazioni analizzate in questa guida, scegliere il sensore ideale richiesto per la propria applicazione non dovrebbe più risultare così complicato. L’ampia gamma di sensori disponibile sul mercato rende entusiasmante il futuro della tecnologia, in quanto apre le porte a ulteriori progressi innovativi.

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