SENSORI PER L'AUTOMAZIONE
cod. 1006304

Anno accademico 2016/17
2° anno di corso - Primo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Misure elettriche ed elettroniche (ING-INF/07)
Field
A scelta dello studente
Tipologia attività formativa
A scelta dello studente
42 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in - - -

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire un'approfondita conoscenza e comprensione di:
1. modo di operare di oscillatori quasi-sinusoidali,
2. principi di condizionamento dei segnali nella strumentazione elettronica,
3. analisi di rumore
4. filtri attivi tempo-continui
5. principi fisici di funzionamento dei sensori
6. modelli matematici di trasduzione fra differenti domini energetici

In aggiunta, uno studente che completi con successo il corso, dovrebbe essere in grado di fare le seguenti cose:
1. progettare oscillatori quasi-sinusoidali, filtri e circuiti di condizionamento dei segnali
2. progettare sensori e trasduttori per grandezze fisiche, i rispettivi circuiti d'interfaccia e accurate tecniche di misura

Prerequisiti

Familiarità con l'analisi dei circuiti analogici (modelli dei transistor, analisi ai piccoli segnali, compensazione in frequenza, etc.), blocchi fondamentali (amplificatori, specchi, etc.) come visti in Elettronica 2

Contenuti dell'insegnamento

Il Corso è dedicato allo studio della moderna strumentazione elettronica e ai sensori
Gli argomenti includono:
1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali:
1.1.1. amplificatori elettronici
1.1.2. filtri attivi
1.1.3. circuiti non-lineari
1.2. oscillatori
1.3. rumore elettronico

2. SENSORI
2.1. sensori e attuatori: modelli a costanti concentrate,
2.2. trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non
2.3. elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche
2.4. principi fisici di trasduzione, modellizzazione e applicazioni
2.4.1. sensori termici
2.4.2. sensori di deformazione
2.4.3. sensori capacitivi
2.4.4. sensori magnetici
2.4.5. sensori e attuatori magnetostrittivi
2.4.6. sensori e attuatori piezoelettrici

Programma esteso

1. STRUMENTAZIONE ELETTRONICA (36 ore)
1.1. componenti per il condizionamento dei segnali quali: (Totale: 20 ore)
1.1.1. amplificatori elettronici (11 ore)
1.1.1.1. amplificatori operazionali a retroazione di tensione (VFA): elementi aggiuntivi su compensazione per carichi capacitivi, schemi di pre-amplificazione per fotodiodi e amplificatori di carica, regole di layout per amplificatori con bassissime correnti di leakage in applicazioni elettrometriche e similari (2 ore)
1.1.1.2. amplificatori operazionali a retroazione di corrente o trans-impedenza (CFA): schema circuitale semplificato e modello funzionale, caratteristica di banda, slew-rate, problemi di stabilità, circuiti di base (VCVS, VCCS, CCVS, CCCS, integratori) (5 ore)
1.1.1.3. amplificatori operazionali a trans-conduttanza (OTA): caratteristiche (1 ora)
1.1.1.4. amplificatori ad isolamento, (1 ora)
1.1.1.5. differenziali e per strumentazione (soluzioni comuni a VFA, CFA e OTA) (2 ore)
1.1.2. filtri attivi (6 ore)
1.1.2.1. specifiche
1.1.2.2. sintesi di filtri passa-basso di Butterworth e Chebyshev
1.1.2.3. trasformazioni di frequenza per la sintesi di filtri passa-alto e passa-banda
1.1.2.4. sintesi con sezioni Bi-Lin e Bi-Quad
1.1.2.5. Sintesi attiva RC
1.1.2.6. Sensitività
1.1.3. circuiti non-lineari (amplificatori logaritmici, moltiplicatori) (3 ore)
1.2. oscillatori sinusoidali (10 ore)
1.2.1. Concetti di oscillatore a retrazione positiva e a resistenza negativa
1.2.2. requisiti per l'innesco dell'oscillazione e transitorio
1.2.3. Limiti di ampiezza, controllo di frequenza
1.2.4. oscillatori RC, LC, al quarzo, schemi a tre punti
1.3. rumore elettronico (6 ore)
1.3.1. analisi di rumore nei circuiti passivi; rumore nei diodi, BJT e FET noise; rumore 1/f;
1.3.2. analisi di rumore a due-porte, ruolo della resistenza di sorgente, tensione di rumore equivalente in ingresso
1.3.3. cifra di rumore, rumore di ingresso totale a blocchi in cascata

2. SENSORI (30 ore)
2.1. sensori e attuatori: introduzione, modelli a costanti concentrate; (1 ora)
2.2. trasduttori a conservazione di energia, dinamica dei sistemi lineari e non-lineare con esempi a trasduttori elettrostatici e magnetici (5 ore)
2.3. Elasticità, tensori di sforzo e deformazione, matrici di rigidità e cedevolezza. Elementi di strutture meccaniche (4 ore)
2.4. Principi fisici di trasduzione, modelli e applicazioni
2.4.1. sensori termici (3 ore)
2.4.1.1. espansione termica, trasferimento del calore, effetti Seebeck and Peltier
2.4.1.2. termocoppie,
2.4.1.3. sensori a giunzione pn,
2.4.1.4. RTD (sensori a conduttore), Termistori NTC e PTC
2.4.1.5. anemometro a filo caldo
2.4.2. sensori di deformazione (4 ore)
2.4.2.1. resistenza e resistività specifica, sensibilità alla temperatura e alle deformazioni nei conduttori, effetto piezoresistivo,
2.4.2.2. tecniche di condizionamento dei segnali per sensori resistivi (ponti, linearizzazione)
2.4.3. sensori capacitivi (1 ora)
2.4.3.1. esempi di applicazione
2.4.4. sensori magnetici (5 ore)
2.4.4.1. magnetismo (leggi di Faraday, Ampère, induzione),
2.4.4.2. applicazioni (fluxgate, search-coil, LVDT), condizionamento (rilevatore sincrono applicato al fluxgate)
2.4.4.3. effetto Hall e magnetoresistenze
2.4.5. magnetostrizione, applicazioni a attuatori e sensori di posizione (1 ora)
2.4.6. sensori piezoelettrici (6 ore)
2.4.6.1. effetto piezoelettrico, modelli
2.4.6.2. condizionamento dei segnali nel progetto pratico di sensori a bassa-frequenza e alla risonanza

Bibliografia

Testi di consultazione

A. S. Sedra, K. C. Smith, Circuiti per la microelettronica, EdiSES, 4a Ed. (sulla 6a in inglese), 2013

P.U.Calzolari, S.Graffi. Elementi di Elettronica, Zanichelli Editore.

S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, 3rd ed., McGrawHill, 2002 (ISBN: 0071207031)



S.D. Senturia, Microsystem Design, Springer, 2001,
(ISBN: 978-0-7923-7246-2) Cap.5-10

R. Pallas-Areny, J. G. Webster, Sensors and signal conditioning, 2nd ed., J. Wiley & Sons Inc., 2001 (ISBN: 0-471-33232-1)

J. Fraden, Handbook of modern sensors, Springer, 3a Ed.

Metodi didattici

Ci saranno 33 Lezioni da 2 ore ciascuna e un certo numero di esercizi da svolgere a casa. Durante il semestre saranno disponibili più dettagli sul sito del corso.

Modalità verifica apprendimento

Valutazione:
Compiti a casa: 25%
Esame orale: 75%

Altre informazioni

Indirizzo: http://elly.dii.unipr.it