Sensori

In questa pagina sono descritte alcune caratteristiche dei sensori generalmente usati per misurare attraverso un microcontrollore grandezza fisiche. L'obbiettivo non è comprendere i principi fisici di funzionamento dei trasduttori, ma imparare a leggere le caratteristiche dei fogli tecnici.

I sensori che verranno qui trattati hanno numerosi aspetti in comune:

Spesso questi circuiti sono venduti per attività prototipazione già saldati su circuiti stampati adatti ad essere utilizzati su una breadboard (breakout board oppure demo board).

In questa pagina si farà riferimento esclusivamente alle caratteristiche dei circuiti integrati, disponibili sui fogli tecnici dei produttori.

Tensione e corrente di alimentazione

Come tutti i circuiti integrati, anche i sensori devono essere alimentati. In genere funzionano con alimentazione singola a 3.3 V (supply voltage) anche se molti sono utilizzabili per intervalli di tensione piuttosto estesi. La corrente di alimentazione (supply current oppure ICC oppure IDD) dipende ovviamente dalla grandezza che occorre misurare, dalla struttura interna del sensore e dalle condizioni operative; spesso è inferiore ad un millesimo di ampere, anche di molto.

Soprattutto per apparecchi che saranno alimentati a batteria, è significativa la corrente di shutdown o sleep, cioè a sensore "spento".

Di seguito quanto può per esempio essere letto sui fogli tecnici del sensore di temperatura LM75A:

Tensione di alimentazione

Corrente di alimentazione 

Risoluzione

Con il termine risoluzione si intende, in questo contesto, la minima variazione della grandezza fisica che può essere misurata.

Nell'ambito dei sensori con interfaccia digitale, può essere espressa in due modi:

Spesso tale valore è programmabile, potendo per esempio aumentarlo allungando il tempo di misura.

Attenzione a non commettere l'errore di confondere la risoluzione con la accuratezza, errore fatto spesso nei messaggi pubblicitari.

Di seguito quanto può per esempio essere letto sui fogli tecnici del sensore di illuminamento VEML7700 [nota 1]:

Risoluzione di un sensore di luminosità

Il parametro ALS_SM presente nella tabella fa riferimento al registro del dispositivo che permette di impostare la risoluzione.

Un concetto simile è quello di dinamica, che indica il rapporto tra la misura più grande e quella più piccola, espresso in bit. Per esempio VEML7700 ha un range dinamico di 16 bit.

Accuratezza

Indica la differenza tra la media delle misure effettuate dal sensore ed il valore reale della grandezza fisica (nota 2).

Potrebbe essere utile osservare le seguenti due immagini, riferita ad un bersaglio. I colpi a destra sono più accurati di quelli a sinistra perché sono, mediamente, più vicini al centro. La ripetibilità è invece la stessa, non particolarmente elevata.

Misure più o meno accurate

L'accuratezza può essere espressa in vari modi:

Queste varie indicazioni possono anche essere sommate, tipicamente indicando un errore assoluto ed un errore relativo percentuale. Esempio: una bilancia pesapersone che misura con una accuratezza di ± (100 g + 0,1%).

Attenzione a non commettere l'errore di confondere l'accuratezza con la ripetibilità.

Di seguito quanto può per esempio essere letto sui fogli tecnici del sensore di umidità (e altro) BME280:

Ripetibilità

La ripetibilità indica quanto una serie di misure della stessa grandezza fornisce lo stesso valore numerico o valori molto vicini, indipendentemente dal fatto che sia corretto. Tali misure devono essere fatte senza variare aspetti che potrebbero influenzare la misura (tensione di alimentazione, temperatura, sensore...).

Questo concetto può essere intuitivamente compreso osservando come, nell'immagine seguente, i vari colpi sono ripetibili (cioè vicini tra di loro) anche se poco accurati (cioè lontani dal centro del bersaglio).

Misure ripetibili, ma non accurate

Nella figura più in alto, i tiri sono in entrambi i casi con ripetibilità bassa.

A volte, soprattutto nel mondo anglosassone, la ripetibilità è indicata come precisione, termine impreciso, ma tollerato in ambito tecnico.

Di seguito come appare nel tempo l'uscita di un sensore che fornisce misure con ripetibilità molto bassa della grandezza di ingresso che nella realtà non varia (concentrazione di CO2 in una stanza vuota):

Misura sovrapposta a rumore casuale

A cause delle analogie con il rumore, spesso la ripetibilità è indicato con noise o, appunto, rumore della misura.

Questo dato spesso non è fornito perché inferiore alla risoluzione e quindi non misurabile. Di seguito un esempio, uno dei pochi, che riporta il valore della ripetibilità, indicandolo come noise. Il componente è il sensore di pressione (e altro) BMP280 (nota 3). SI noti come questo rumore (1,3 Pa) sia, in questo caso, più grande della risoluzione (0,16 Pa).

Riproducibilità

La riproducibilità indica quanto una serie di misure della stessa grandezza fornisce lo stesso valore numerico o valori molto vicini, indipendentemente dal fatto che sia corretto. A differenza della ripetibilità tali misure sono fatte variando alcuni aspetti che potrebbero influenzare la misura (tensione di alimentazione, temperatura, sensore...).

Anche questo dato in genere non è presente nella documentazione di base.

L'immagine seguente mostra una decina di sensori di temperatura posti nello stesso luogo. Le differenze tra le varie misure (cioè la riproducibilità) sono dell'ordine di 0,5 °C,

Riproducibilità

Migliorare la qualità dei dati

Ovviamente avere sensori con prestazioni elevate è sempre un buon punto di partenza per avere misure di qualità. Purtroppo non sempre ciò è possibile, per ragioni economiche o tecnologiche.

Di seguito tecniche spesso usate; è importante riconoscere il tipo di errore per applicare la tecnica corretta!

Migliorare l'accuratezza

Per migliorare l'accuratezza è possibile calibratura (sinonimo: tarare) il sensore, sommando alla misura fornita un valore che permette di avvicinarsi al valore reale della grandezza. Effetti ancora migliori della calibrazione sono possibili aggiungendo la moltiplicazione del valore misurato per un determinato valore (calibrazione a due punti) oppure usando tabelle di calibrazione oppure ancora usando funzioni matematiche di grado elevato.

In riferimento alla precedente figura del bersaglio: occorre regolare il mirino a destra ed in alto per ottenere centri (quasi) perfetti...

Alcuni sensori sono individualmente calibrati al momento della produzione e a volte l'algoritmo di correzione è eseguito da un processore interno al sensore. Da notare che la calibrazione è un'operazione lunga perché va fatta per ogni singolo sensore e magari va ripetuta nel tempo.

Migliorare la ripetibilità

Per ridurre gli effetti degli errori casuali è possibile fare un numero elevato di misure e fare la media dei risultati

Attività

Questa attività è finalizzata alla conoscenza di sensori con interfaccia digitale realizzati con un singolo componente integrato. Consiste nell’individuare UN SOLO prodotto commerciale per ciascuna categoria, descrivendo le caratteristiche fondamentali:

Grandezza misurata:

  1. Temperatura
  2. Pressione/altitudine
  3. Accelerazione
  4. Rotazione (giroscopio)
  5. Umidità
  6. Illuminamento
  7. Campo magnetico (bussola)

Per ciascuno di essi individuare:

  1. Produttore del circuito integrato, non del circuito stampato di supporto
  2. Alimentazione minima/massima
  3. Risoluzione
  4. Accuratezza
  5. Ripetibilità/precisione
  6. Valore minimo e massimo della grandezza misurata
  7. Supporto per Arduino/Raspberry Pi o altri processori
  8. Applicazioni tipiche indicate sul foglio tecnico
  9. Costo (indicativo...)

 

Note

  1. L'illuminamento si misura in lux (lx); l'indicazione lx/step indica il valore di un bit del valore letto
  2. Tale definizione è piuttosto astratta visto che richiede la conoscenza del valore esatto della grandezza misurata, in genere non nota. Operativamente è considerato come valore reale quello fornito da un altro strumento che si conosce essere... più accurato. Peraltro è il parametro che meglio descrive le prestazioni un sensore
  3. La pressione atmosferica si misura in pascal (Pa). La stessa misura può essere utilizzata per la misura dell'altitudine, in metri

Pagina creata nel maggio 2022
Ultima modifica: 14 maggio 2022


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