Transduttore resistivo

Definizione e Funzione dei Trasduttori Resistivi

Definizione: Un trasduttore resistivo è un tipo di trasduttore in cui la resistenza cambia in risposta a influenze ambientali. La variazione della resistenza può essere misurata utilizzando dispositivi di misura a corrente alternata (CA) o corrente continua (CC). Questo versatile trasduttore viene impiegato per misurare diverse grandezze fisiche, incluse temperatura, spostamento e vibrazione.

Misurare con precisione le grandezze fisiche può essere un compito complesso. I trasduttori resistivi semplificano questo processo convertendo le grandezze fisiche in resistenze variabili, che possono essere facilmente misurate da strumenti elettrici. Il principio della variazione della resistenza ha trovato ampie applicazioni in numerosi settori industriali, consentendo il monitoraggio e il controllo precisi di diversi parametri.

I trasduttori resistivi possono funzionare sia come trasduttori primari che secondari. Come trasduttore primario, converte le grandezze fisiche in segnali meccanici. Nella sua funzione di trasduttore secondario, trasforma direttamente questi segnali meccanici o altri segnali di ingresso in segnali elettrici, facilitando ulteriori elaborazioni e analisi.

Esempio: Trasduttore Resistivo Scorrevole

Consideriamo il circuito di un trasduttore resistivo scorrevole, come illustrato nella figura sottostante. In questa configurazione, i contatti scorrevoli sono posizionati su un elemento resistivo. Lo slider è progettato per muoversi orizzontalmente. Man mano che lo slider si muove, modifica il valore di resistenza dell'elemento resistivo del trasduttore. Questa variazione di resistenza viene quindi rilevata e misurata da una sorgente di tensione etichettata come E. Questo meccanismo semplice ma efficace dimostra come i trasduttori resistivi possano tradurre il movimento meccanico (una forma di spostamento) in un segnale elettrico che può essere quantificato e utilizzato per vari scopi, come il rilevamento della posizione in macchinari automatizzati o sistemi di controllo.

Trasduttori Resistivi: Conversione del Segnale, Vantaggi e Principio di Funzionamento
Conversione del Segnale

In un trasduttore resistivo, lo spostamento dello slider viene efficacemente trasformato in un segnale elettrico. Questo processo di conversione permette la quantificazione e l'analisi dei movimenti fisici, rendendo i trasduttori resistivi altamente utili in una vasta gamma di applicazioni di misura.

Vantaggi dei Trasduttori Resistivi

I trasduttori resistivi offrono diversi vantaggi significativi che contribuiscono al loro ampio utilizzo in vari settori:

• Capacità di Misurazione Versatile: Sistemi a corrente alternata (CA) e corrente continua (CC), sia utilizzando corrente che tensione, sono adatti per misurare la resistenza variabile di questi trasduttori. Questa flessibilità consente un'integrazione senza soluzione di continuità con diverse configurazioni elettriche, facilitando l'incorporazione nei sistemi di misura e controllo esistenti.

• Risposta Rapida: I trasduttori resistivi sono caratterizzati da tempi di risposta rapidi. Possono rilevare e reagire prontamente ai cambiamenti nella grandezza fisica misurata, fornendo un feedback quasi istantaneo. Questa rapidità è cruciale nelle applicazioni in cui sono essenziali misurazioni tempestive e accurate, come nei sistemi di monitoraggio e controllo dinamici.

• Ampia Gamma di Opzioni: Disponibili in una vasta gamma di dimensioni, i trasduttori resistivi possono essere personalizzati per adattarsi a diverse limitazioni spaziali e requisiti di applicazione. Inoltre, offrono un ampio intervallo di resistenza, consentendo la misurazione di uno spettro ampio di grandezze fisiche con diverse magnitudini. Questa versatilità in termini di dimensioni e intervallo di resistenza li rende una scelta flessibile per numerose applicazioni ingegneristiche e scientifiche.

Principio di Funzionamento dei Trasduttori Resistivi

Il principio operativo degli elementi dei trasduttori resistivi si basa sulla relazione fondamentale tra resistenza elettrica, lunghezza del conduttore e area sezione del conduttore. Specificatamente, la resistenza dell'elemento del trasduttore è direttamente proporzionale alla lunghezza del conduttore e inversamente proporzionale all'area della sezione. Quando mutamenti fisici, come spostamenti o variazioni di temperatura, agiscono sul trasduttore, causano corrispondenti alterazioni nella lunghezza o nell'area sezione dell'elemento resistivo. Questi cambiamenti, a loro volta, risultano in modifiche al valore di resistenza, che possono essere misurate e correlate alla grandezza fisica originale monitorata.

Dove R – resistenza in ohm.

• A – area sezione del conduttore in metri quadrati.

• L – Lunghezza del conduttore in metri.

• ρ – la resistività del conduttore in materiali in ohm metro.

Il trasduttore resistivo è progettato considerando la variazione della lunghezza, dell'area e della resistività del metallo.

Applicazioni dei Trasduttori Resistivi

I trasduttori resistivi svolgono un ruolo cruciale in vari campi grazie alla loro capacità di convertire grandezze fisiche in segnali elettrici sfruttando le variazioni di resistenza. Ecco alcune delle loro principali applicazioni:

Potenzometri

Sia i potenzometri translazionali che rotatori sono esempi principali di trasduttori resistivi. In questi dispositivi, man mano che la posizione del cursore (il contatto scorrevole) cambia, la lunghezza effettiva dell'elemento resistivo attraversato dalla corrente elettrica varia di conseguenza. Poiché la resistenza è direttamente proporzionale alla lunghezza del conduttore (come per la formula R =ρL/A), questa variazione di lunghezza comporta una corrispondente modifica della resistenza. Questa caratteristica rende i potenzometri altamente efficaci per misurare lo spostamento, sia esso un movimento lineare nel caso dei potenzometri translazionali o una rotazione angolare nei potenzometri rotatori. Sono comunemente utilizzati in applicazioni come joystick per console di gioco, sensori di posizione in bracci robotici e manopole di controllo del volume in apparecchiature audio.

Gauge di Deformazione

I gauge di deformazione utilizzano l'effetto piezoresistivo, dove la resistenza del materiale semiconduttore o metallico all'interno del gauge cambia quando viene applicata una deformazione meccanica. Quando una forza esterna causa una deformazione o una deformazione del materiale del gauge di deformazione, modifica la struttura fisica a livello atomico, che a sua volta modifica la resistenza elettrica. Misurando con precisione questo cambiamento di resistenza, gli ingegneri possono determinare con accuratezza parametri come pressione, forza e spostamento. I gauge di deformazione sono ampiamente impiegati in settori come l'aerospaziale per il monitoraggio della salute strutturale degli aerei, nell'ingegneria automobilistica per misurare le forze sui componenti del motore e nell'ingegneria civile per valutare lo stress su ponti e edifici.

Termometri a Resistenza

Anche noti come Detector di Temperatura a Resistenza (RTD), i termometri a resistenza operano sul principio che la resistenza elettrica dei metalli cambia in modo prevedibile con le variazioni di temperatura. Diversi metalli mostrano caratteristiche specifiche di resistenza-temperatura, e calibrando la relazione resistenza-temperatura, questi dispositivi possono fornire misurazioni di temperatura altamente accurate. Gli RTD sono preferiti in applicazioni in cui è cruciale un controllo preciso della temperatura, come nei processi di produzione industriale, nei laboratori di ricerca scientifica e negli ambienti climatizzati. Offrono eccellente stabilità, ripetibilità e un ampio intervallo di misura, rendendoli una scelta affidabile per i compiti di rilevamento della temperatura.

Termistori

I termistori si basano sul principio che il coefficiente di temperatura del loro materiale varia significativamente con la temperatura. A differenza di molti metalli, i termistori hanno tipicamente un coefficiente di temperatura negativo (NTC). Ciò significa che, man mano che la temperatura aumenta, la resistenza del termistore diminuisce in modo inversamente proporzionale. I termistori sono estremamente sensibili ai cambiamenti di temperatura, consentendo misurazioni rapide e accurate. Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui sono richieste dimensioni compatte, alta sensibilità e tempi di risposta rapidi, come nei controlli termostatici per elettrodomestici, nei sensori di temperatura nei sistemi di raffreddamento dei computer e nei dispositivi medici per il monitoraggio della temperatura corporea.

In sostanza, i diversi modi in cui la resistenza dei metalli e di altri materiali può cambiare in risposta a fenomeni fisici formano la base delle applicazioni dei trasduttori resistivi. Questa proprietà unica consente la misurazione e il monitoraggio accurati di un ampio spettro di grandezze fisiche, rendendo i trasduttori resistivi componenti indispensabili nei moderni sistemi di misura e controllo.