Il candidato chiarisca cosa si intende per affidabilità, MTTF e MTBF. Indicare come sia possibile migliore affidabilità dispositivo e discorso sulla qualità.Uno dei requisiti richiesti ad un sensore di qualità è un’elevata affidabilità che è associata ad una serie di parametri come la corretta costruzione, l’uso di componenti di qualità o anche la stessa buona progettazione in fase di ideazione. Lo studio ad essa relativa si può far risalire intorno al 1930 in campo militare/aereospaziale ma si è sviluppata sempre più ed oggi le sue applicazioni sono molto vaste in campo dell’elettronica e informatica. Al concetto di affidabilità è legato il controllo di qualità inserendo una serie di misure (o prove) tese a evidenziare l’insorgere di guasti/malfunzionamenti al di fuori delle specifiche. Possiamo quindi definire l’affidabilità come l’insieme dei concetti, teorie matematiche, modelli, analisi di comportamenti fisici che hanno lo scopo di descrivere, prevedere e dominare il comportamento degli oggetti nel corso del tempo. Un’altra definizione che si può dare è quella dell’UNI che la definisce come l’attitudine di un oggetto ad adempiere alla funzione richiesta nelle condizioni fissate e per un periodo di tempo stabilitoàper sensore indica la probabilità che esplichi la funzione richiesta in condizione stabilite

per un periodo di tempo specificato. R (t )=N s

N=N−N f

NIn un sensore si possono distinguere alcune parti che dopo un certo tempo devono essere sostituite, altre che richiedono una periodica manutenzione e alcune parti, in caso di guasto, vanno sostituite altre riparate. Con riferimento alle parti non riparabili si definisce un MTTF (Mean Time To Failure) che indica la misura del tempo medio al guasto di un gran numero di sensori o componenti uguali che operano tutti nelle stesse condizioni operative e ambientali. In base a ciò se N sono i componenti in prova e ti è il tempo necessario affinché il generico componente i-esimo

subisca un guasto si ha che: MTTF= 1N∑

i=1

N

t i=∫0

∞

R ( t )dt ed è eseguita su un numero ridotto di

componenti.Al contrario, per i dispositivi che dopo aver subito un guasto possono essere riparati, si definisce un MTBF (Mean Time Between Failures) che si calcola nello stesso modo definito per il MTTF. Il primo però è legato alle condizioni operative a cui è soggetto il sistema oltre che a quelle ambientali.Le caratteristiche di affidabilità del sensore dipendono molto dalla cura con cui esso è utilizzato, dal rispetto delle condizioni di sicurezza, dall’assenza o dal controllo di condizioni ambientali particolarmente avverseàsistema pay now, save later

Il candidato chiarisca cosa si intende per affidabilità, disponibilità e tasso di guasto dei sensori. Come migliorare affidabilità del dispositivo e qualità.Un parametro legato all’MTBF è la disponibilità, D, definita come l’attitudine di un oggetto ad essere in grado di svolgere una funzione richiesta a un dato istante o durante un dato intervallo di tempo, in condizioni determinate, supponendo che siano assicurati i mezzi esterni eventualmente

necessari: D= MTBFMTBF+MTTR dove MTTR (Mean Time To Repair) è il tempo necessario ala

riparazione del guasto includendo il tempo per la diagnosi, per la localizzazione del guasto e per il lavoro meccanico.Un parametro utile per lo studio dell’affidabilità di un sensore è il tasso di guasto λ (t) definito nel

seguente modo: λ (t )= 1N s

d N f

dt dove il numeratore indica il numero di guasti che si verifica nel

tempo dt. Il modo in cui λ (t) varia nel tempo dipende sia da parametri costruttivi, sia da parametri operativi, sia da parametri ambientali e in molti casi assume un andamento a tipica vasca da bagno.

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensore e per trasduttore e fornire un esempio basato sull’effetto piroelettrico.Le grandezze fisiche da misurare nella maggior parte dei casi risultano non elettriche; allo scopo di utilizzare i metodi e le tecniche delle misure elettriche, la quantità non elettrica deve essere convertita in un segnale elettrico, il che avviene utilizzando un dispositivo che prende il nome di sensore o trasduttore. Spesso ci si confonde tra i due termini ma, adottando la definizione del VIM, possiamo dire che per sensore si intende un elemento di un sistema di misura che è direttamente soggetto all’azione di un fenomeno, di corpi o di sostanze che tramettono la grandezza da misurare. In alcuni campi questa stessa definizione è associata al termine rivelatore che è un dispositivo in grado di fare quanto scritto quando si eccede un valore di soglia della grandezza d’interesse. Invece per trasduttore si intende un dispositivo impiegato nelle misurazioni che fornisce una grandezza in uscita avente una specificata relazione con la grandezza d’ingresso. Infatti esso è in grado di ricevere energia da un sistema e ritrasmetterla, in forma differente, ad un altro sistema.Alternativamente per sensore si può anche intendere un dispositivo sensibile alla grandezza da misurare e che rappresenta il primo elemento di una catena di misura o di un sistema di controllo. L’effetto piroelettrico consiste nella polarizzazione di particolari cristalli quando essi sono soggetti a variazione di temperatura. E’ ampiamente sfruttato nei bolometri che sono dei rilevatori termici di radiazioni ma anche nel campo delle radiazioni infrarosse dove sono preferiti rispetto a sensori basati sull’effetto fotoelettrico o fotoconduttivo per il pregio di poter funzionare anche a temperatura ambiente, senza necessità di correzioni dato che sono insensibili alla radiazione di fondo stazionaria nel tempo, e presentano un’ampia banda passante.

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensore e per trasduttore e fornisca un esempio basato sull’effetto termoresistivo spiegando come sia possibile misurare temperature in un ampio spettro di valori.L’effetto termoresistivo consiste nella variazione della resistività di un materiale con la temperatura. E’ presente sia nei metalli sia nei composti metallo ceramici sia nei semiconduttori che presentano, a differenza dei materiali metallici, un coefficiente di temperatura negativo. Un esempio sono le RTD, trasduttori elettrici passivi che sfruttano la proprietà dei metalli di variare la resistività elettriche secondo la legge R ( t )=R0(1+αT ) e sono utilizzate come sensori di temperatura per misure assolute. Hanno una buona sensibilità, sono molto stabili e richiedono un circuito di interfaccia semplice. Ciò nonostante presentano bassi valori di resistenza pertanto è necessario adottare circuiti di misura a ponte di Wheatstone che però fornisce una tensione che varia linearmente solo per piccole variazioni di resistività dell’elemento di misura. Facendo parte della categoria dei sensori termici possiede un’ampia banda passante ovvero una sensibilità spettrale praticamente piatta in un intervallo di frequenze limitato solo dalle caratteristiche delle lenti ottiche di protezione utilizzate.

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensore e trasduttore e fornisca un esempio basato sull’effetto Hall spiegando come si ricavano le eq. risolutive.L’effetto Hall fu scoperto da Edwin Hall nel 1879 notando che in un materiale conduttore sottoposto a un campo di induzione magnetica Bz normale al flusso di una corrente elettrica di intensità I x si manifesta una d.d.p. V y in direzione perpendicolare alle direzioni precedenti. Il

fenomeno è dovuto al fatto che le cariche elettriche, in movimento grazie ad I x, si accumulano su una faccia del materiale finchè non si determina un campo elettrico E y che dà luogo a una forza agente sugli elettroni tale da opporsi e compensare la forza dovuta al campo magnetico. La

relazione è : E y=V y

d. Tutto ciò può essere spiegato mediante la teoria degli elettroni liberi dove

ogni elettrone, nel piano xy, sarà soggetto alla forza di Lorentz.

Le applicazioni dei sensori analogici ad effetto Hall si hanno prevalentemente nei misuratori di campo magnetico, di corrente elettrica e di potenza elettrica. Possono anche essere usati negli encoder o nei sensori di velocità angolare o tachimetri o ancora lo si può ritrovare su alcune biciclette dove il sensore è solidale con la ruota e fisso sul telaio e conoscendo r ruota posso riuscire a ricavare, oltre che alla velocità, anche la distanza percorsa.

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensore e per trasduttore e fornisca un esempio basato sull’effetto piezoresistivo.Consiste nella variazione della resistività di un materiale quando è soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato. E’ sfruttato nei sensori estensimetrici o strain-gauge. Nei materiali metallici l’effetto si manifesta in modo ridotto rispetto ai semiconduttori tanto è vero che con quest’ultimi si ha un’elevata sensibilità, quasi 100 volte maggiore rispetto a quelle relative ai metalli, le dimensioni sono minori e si ha anche un elevato valore di resistenza ma hanno anche un elevato coefficiente di temperatura e quindi spesso si fa ricorso a delle tecniche speciali di compensazione della temperatura. I sensori piezoresistivi si utilizzano per misurare la pressione, l’accelerazione e la forza e l’effetto di per sé è molto utilizzato nei MEMS, negli accelerometri e nei microfoni. Specialmente negli ultimi tempi si fa un largo uso di sensori di deformazione in campo soprattutto edile, aeronautico e anche automobilistico.

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensore e per trasduttore e fornisca alcune esemplificazioni basate sull’effetto Doppler.Il candidato faccia una disamina dei sensori basati sull’effetto Doppler.Fu scoperto nel 1842 e consiste nella variazione di frequenza delle onde acustiche, ottiche, radio dovuta al moto relativo tra sorgente e ricevitore delle onde. A seconda del campo che consideriamo abbiamo delle differenze. In campo acustico l’effetto è facilmente percepibile, basti pensare alla sirena di un’ambulanza; anche se l’intensità e la frequenza dell’onda sonora emessa sono costanti, l’ascoltatore percepirà l’avvicinarsi/allontanarsi dell’autoambulanza per l’aumento/diminuzione della frequenza dell’onda sonora che giunge all’orecchio. Possiamo

indicare ∆ f=f svrvu

. Se il moto non avviene lungo la retta di congiunzione della sorgente e

ricevitore bisogna considerare per vr la componente della velocità secondo la retta a o

La forza tende ad annullarsi: FL=e¿ Ricordando che la velocità degli elettroni si può esprimere come μx dall’eq. precedente si ricava: E y=V xB z=μx ExB z. Dato che il campo è legato alla densità di corrente attraverso la ρ del materiale posso scrivere l’espressione in relazione alla densità e scrivere tensione di Hall.

E y=μx ρ J xB z=μx ρI xtdB z V y=E y d=kH

I xtBz con t

spessore lamina e kH coefficiente di Hall.

longitudinale ovvero non si presenta quando la direzione del modo è ortogonale alla congiungente s-r.Relativamente alle onde elettromagnetiche è usato molto sia in cosmologia che nei radar e la variazione di frequenza che si rileva ha la seguente forma:

∆ f=f s [ √1−( vrc )2

1−vrccosθ

−1]dove c è la velocità della luce e teta è l’angolo che la congiungente s-r

forma con la direzione del moto. L’effetto Doppler può essere sia longitudinale che trasversale. Svariate sono le applicazioni in campo medico ad esempio per misurare il volume delle arterie, delle vene periferiche, della carotide o della pressione sistolica. L’effetto Doppler, oltre ad essere usato come misuratore di velocità degli oggetti come radiotachimetri, è molto usato nei sensori di flusso nei quali si può fare ricorso a onde nel campo degli ultrasuoni, radar e laser con realizzazioni differenti. Importante è l’applicazione in campo radar in cui si misura la variazione della frequenza tra un segnale trasmesso e il segnale dell’eco dovuto ad un bersaglio mobile. Viene utilizzato anche per i sensori sonar per determinare la velocità di un sottomarino e nella cosmologia per valutare i movimenti delle stelle.

Il canidato faccia una disamina dei sensori estensimetriciI sensori estensimetrici o strain-gauge sfruttano l’effetto piezoresistivo che consiste nella variazione della resistività di un materiale quando è soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato. I primi estensimetri erano invece meccanici e utilizzavano leve e ingranaggi e viti micrometriche. I primi estensimetrici elettrici a resistenza introdotti tra il 30-38 erano sottili fili di metallo incollati mediante un foglio di carta che faceva da supporto. Il 38 segna la nascita della sensoristica industriale; da quell’anno gli estensimetri elettrici ebbero una vastissima diffusione per gli sforzi nelle strutture, la caratterizzazione meccanica dei materiali, la realizzazione di sensori di diverse grandezze. Per maggiore sensibilità vengono utilizzati materiali semiconduttori a discapito dei materiali metallici che però sono soggetti ad un elevato effetto termoresistivo che può essere compensato con particolari configurazioni.

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensori passivi e illustri tutti quelli ottenibili con delle semplici resistenze.Si definisce sensore passivo (a modulazione) un sensore che richiede potenza dall’esterno per fornire un segnale di tensione o di corrente. Questo tipo di sensori agiscono come delle impedenze elettriche e vegono utilizzati in quanto il misurando produce in essi variazioni nei parametri geometrici (ad esempio a causa di una forza, di uno spostamento o velocità) o delle proprietà elettriche (ad esempio a causa della temperatura, della pressione, della forza e della radiazione luminosa). Un semplice resistore può misurare dimensioni e spostamento, sforzi, forze, coppie, pressione, temperature, effetti termici, calore irradiato, umidità, spessore di fogli, livello di licquidi. Una particolarità dei sensori passivi è che per la rappresentazione del sensore è necessario ricorrere all’asse z per rappresentare il rappporto esterno di energia.

Il candidato chiarisca quando è trascurabile la corrente di rumore e come si protegge l’amplificatore attraverso l’uso di un diodo zener.

Il candidato spieghi cosa sono i MEMS e i sensori inseriti nei MEMS. Spieghi inoltre come poter migliorare la affidabilità di questi dispositivi.

I mems (micro electro mechanical system) sono l’integrazione di elementi meccanici, di sensori, di attuatori e dell’elettronica per il condizionamento e elaborazione del segnale su un unico substrato di silicio; ovvero sono un’importante fusione della tecnologia dei circuiti integrati con la tecnologia micromeccanica. Le incredibili potenzialità dei MEMS nei diversi campi, con costi modesti, sono date dalla presenza di microsensori in grado di rilevare grandezze meccaniche, termiche, biologiche, chimiche, ottiche ed elettromagnetiche. Un miglioramento di prestazioni si ottiene grazie a sistemi di trasmissione senza fili e di protezione dalle elevate temperature; inoltre i MEMS possono autoalimentarsi grazie alla conversione dell’energia meccanica in energia elettrica. Attualmente i sensori basati sui MEMS sono principalmente quelli di: pressione, forza, velocità, accelerazione, flusso e i biosensori. l’affidabilità è definita dall’UNI come l’attitudine di un oggetto ad adempiere alla funzione richiesta nelle condizioni fissate e per un tempo stabilito. Si può aumentare l’affidabilità dei sensori introducendo nel sistema ridondanze ovvero ponendo più componenti in parallelo in modo tale da portare un miglioramento tanto maggiore quanto maggiori sono i componenti.

Il candidato spieghi cosa sono le caratteristiche metrologiche ambientali di un sensore.Le caratteristiche metrologiche ambientali possono essere di due tipi: ambientali non operative, che si riferiscono al comportamento di un sensore dopo l’applicazione di una o più grandezze di influenza; ambientali-operative che si riferiscono al comportamento di un sensore durante l’applicazione di una o più grandezze di influenza. E infatti raro che l’indicazione y del sensore sia funzione del sensore e del misurando. In genere essa dipende, anche se in misura ridotta, da altre grandezze fisiche quali ad esempio fattori perturbanti dette grandezze di influenza e in grado di influenzare la relazione tra le indicazioni del sensore e il misurando in modo generalmente indesiderato. Ad esempio, l’effetto termico porterà delle variazioni sia sul misurando sia sul sistema di misura, però la variazione sul misurando è l’oggetto della misura mentre la variazione sul sensore comporta un errore da rilevare e correggere. Non solo, ma la presenza stessa del sensore, potrebbe alterare le condizioni iniziali del sistema alterando il valore del misurando. Occorre dunque introdurre delle condizioni in fase di elaborazione del segnale in uscita, spesso effettuate da microprocessori. PAGINA 17 disegno 3.7

Il candidato faccia sui sensori di spostamento delle considerazioni generali.Esistono molte tipologie di sensori di spostamento applicati n vari ambiti.Un encoder è un misuratore di spostamento lineare o angolare costituito da un disco circolare sul quale è stampigliato un opportuno schema, che consente la codifica diretta. Il disco è calettato su un albero e come questo ruota si genera una codifica differente per ogni posizione misurabile. La codifica può avvenire per contatto, per via magnetica o per via ottica.Una misura di spostamento può essere eseguita anche da una semplice resistenza variabile in un potenziometro. Una variazione di spostamento si può ottenere oltre che con elementi piezoresistivi anche con conduttori, facendo scorrere una spazzola su un filo o su un reostato come avviene nei resistori potenziometrici. Un trasduttore resistivo può essere realizzato mediante un potenziometro connesso ad una parte in movimento. In esso la tensione di uscita è funzione dei valori di resistenza del partitore di tensione e quindi dello spostamento del cursore.Diversi sensori quali quelli di spostamento, però, basano il funzionamento su effetti elettromagnetici che presentano rispetto a quelli di natura resistiva il vantaggio di non richiedere un contatto fisico con un miserando assicurando quindi minore usura e maggiore durata a discapito i un più complesso condizionamento del segnale.

Il candidato consideri un sensore intelligente, ne disegni il suo inserimento in una catena di misura e di controllo.Si definisce sensore intelligente o smart sensor un dispositivo che integra sullo stesso substrato (spesso di silicio, anche se si stanno sperimentando altri materiali quali la fibra ottica nel campo della fluidodinamica) i sistemi sensori, l’elettronica i condizionamento del segnale, il sistema di elaborazione del segnale mediante un microprocessore. I sensori intelligenti hanno consentito di semplificare la misura e di ottimizzare le prestazioni. Grazie ai sensori intelligenti è stato possibile realizzare i LOC, ovvero i Lab On A Chip, veri e propri laboratori chimici in miniatura che consentono analisi accurate e veloci insieme alla sicurezza offerta in caso di contesti contaminati o radioattivi. Nei LOC sono pompate quantità di fluido con campioni biologici quali proteine, cellule, reagenti, dell’ordine dei miro e nanolitri. Alle dimensioni è posto un limite dalle dimensioni fisiche di ciò che è deve essere misurato altrimenti i fluidi potrebbero non riuscire a fluire.Inoltre grazie agli smart sensor si sta cercando di migliorare le tecniche per operare in tempo reale, risolvendo problematiche legate al campoionamento, all’accuratezza, alla presentazione del risultato, anche grazie alla capacità di autoregolarsi. DISEGNO FIGURA 3.3 pg 7

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensore e per trasduttore e fornisca un esempio basato sulla fotoemissione o effetto fotoelettrico esterno.La fotoemissione consiste nell’emissione di elettroni da un materiale provocata da radiazioni elettromagnetiche appartenenti alla zona visibile e ultravioletta dello spettro, ma anche da radiazioni infrarosse, raggi X e raggi delta. Si riscontra facilmente in solidi ed è denominata effetto fotoelettrico esterno. I sensori che utilizzano l’effetto fotoelettrico sono noti come rivelatori fotoemissivi. Sono realizzati mediante un catodo di un opportuno materiale e da un anodo ra i quali è applicata una elevata ddp chiusi in un tubo. Interessante è che non vi è alcun ritardo tra irradiazione di un emettitore e l’emissione di fotoelettroni. Un problema dei sensori fotoemissivi è che l’effetto della temperatura non è trascurabile in quanto il valore della soglia fotoelettrica non è più ben definito quando la temperatura del metallo si scosta dallo zero assoluto. Vale la pena citare anche l’effetto fotoconduttivo che determina un passaggio di corrente elettrica in materiali investiti da radiazioni di varia lunghezza d’onda. Esso è dovuto alla variazione delle caratteristiche elettriche nel materiale investito dalla radiazione. Il fenomeno prende anche il nome di effetto fotoelettrico interno.

Il candidato chiarisca cosa si intende per sensore e per trasduttore e fornisca un esempio basato sull’effetto fotoconduttivo.L’effetto fotoconduttivo determina il passaggio di corrente elettrica in materiali investiti da radiazioni di varia lunghezza d’onda. Esso è dovuto alla variazione delle caratteristiche elettriche nel materiale investito dalla radiazione, in particolare della conduttività per quanto riguarda materiali isolanti e semiconduttori. Il fenomeno prende anche il nome di effetto fotoelettrico interno. I sensori fotoconduttivi sono passivi, infatti è necessario collegare ‘elemento fotoconduttivo ad un generatore di tensione elettrica per avere un flusso di corrente elettrica. Nei materiali semiconduttori l’effetto fotoconduttivo comporta semplicemente una variazione di conduttività nel materiale. L’effetto fotoconduttivo è influenzato sia dalla temperatura sia dal tempo limitato degli elettroni BC, a discapito della sensibilità. L’effetto fotoconduttivo si presenta in materiali quali alogenuri alcalini, germanio, solfuro di cadmio, seleniuro di cadmio ecc.