Panoramica sui sensori

In generale, il termine “sensore” si riferisce a qualsiasi componente tecnico che registra in modo indipendente determinati parametri e proprietà fisiche o chimiche dell'ambiente o degli oggetti, ad esempio la temperatura, la luminosità o l’accelerazione.

In questo senso, assomigliano ai nostri organi sensoriali con la differenza che, diversamente da questi ultimi, registrano anche cose che altrimenti rimarrebbero invisibili all'uomo o sarebbero troppo pericolose.

Una proprietà importante dei sensori è la capacità di convertire i dati di misura in segnali o indicazioni visive, i quali possono quindi essere interpretati in modo significativo da una persona o da un dispositivo elettronico.

Un sensore, in altre parole, è sempre anche un trasduttore, vale a dire un dispositivo che converte una forma di energia o di stimolo in un'altra.

La funzione principale comune a tutti è la conversione: i sensori (o “rilevatori”) rilevano e misurano quantità o oggetti fisici che possono essere molto differenti, ad esempio un codice di identificazione elettronico su uno speciale tipo di etichetta nota come chip RFID (dove RFID è l’acronimo di Radio Frequency Identification), la quantità di calore contenuta in un oggetto, un fluido o una persona, il movimento di oggetti, persone o animali in un campo visivo monitorato elettronicamente, oppure il tipo di accelerazione che sta subendo un oggetto, ad esempio in un movimento di caduta o rotazione.

Un sensore di movimento, ad esempio, può essere integrato in un macchinario industriale e cablato a un interruttore di sicurezza. Questo consente un arresto sicuro nel caso in cui il rilevatore segnali all'interruttore un movimento meccanico anomalo che, se dovesse continuare, potrebbe danneggiare il macchinario o costituire un pericolo per gli operatori nelle vicinanze.

Questo è un esempio di misura che viene convertita in un segnale da inviare come input a un altro dispositivo non umano, ma naturalmente molti convertono i valori misurati in scale o indicazioni visive destinate a un operatore umano.

Il termometro a mercurio, ad esempio, è una forma molto diffusa di sensore di temperatura che converte l'espansione o la contrazione di un piccolo bulbo di mercurio in una scala leggibile (Celsius o Fahrenheit): quando il mercurio si espande o si contrae, esso sale o scende all’interno di uno stretto filamento cavo posto all'interno del vetro, sulla sua superficie esterna è incisa una scala di temperatura calibrata.

All’interno del campo di temperatura che è progettato per misurare, il termometro a mercurio in vetro presenta un’importante caratteristica richiesta a tutti i sensori: la linearità. In altre parole, i cambiamenti fisici del materiale di rilevamento del sensore, in questo caso il mercurio, sono direttamente proporzionali ai cambiamenti dell’oggetto, della forza, del movimento o della radiazione che vengono misurati.

Anche un altro tipo di sensore, la termocoppia, risponde alle variazioni di temperatura in modo lineare, in questo caso generando variazioni della tensione di uscita che sono proporzionali alle variazioni di calore. Per garantire la precisione delle misure, i sensori vengono accuratamente calibrati sulla base di scale prestabilite, testate e collaudate.

Nella nostra civiltà orientata all’elettronica, i sensori svolgono un ruolo fondamentale nel garantire il corretto funzionamento di un vasto insieme di macchine, gadget, veicoli e processi produttivi. Probabilmente, la maggior parte delle persone è del tutto inconsapevole del fatto che vi sono dei sensori nascosti dietro molti oggetti di uso comune, come gli accelerometri che consentono ai display dei cellulari o dei tablet di essere sempre orientati nella giusta direzione indipendentemente dal movimento o dalla rotazione a cui sono sottoposti, o del fatto che i sensori contribuiscono al funzionamento sicuro di automobili e aerei.

I sensori sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature mediche, nell’ingegneria aerospaziale, in innumerevoli processi di produzione e nella robotica, per citare solo alcune applicazioni.

La sensibilità dei sensori è la caratteristica da cui dipendono molte delle loro applicazioni. Quando un sensore risponde a un cambiamento relativamente ampio di una grandezza con un cambiamento relativamente piccolo nel materiale di rilevamento e nel valore di uscita corrispondente, si dice che presenta una bassa sensibilità.

A volte, tuttavia, occorre che i sensori misurino cambiamenti estremamente ridotti; in questi casi, devono mostrare un'elevata sensibilità rispondendo in modo significativo a minuscoli cambiamenti nella grandezza misurata. Spesso, la linearità di questi sensori è circoscritta in un intervallo strettamente delimitato, oltre il quale risponderanno in modo molto meno accurato.

I produttori di sensori devono inoltre tener conto dell'effetto che il sensore stesso avrà su ciò che deve rilevare o misurare: l’immersione del bulbo di un termometro a mercurio in una tazza di tè bollente, ad esempio, avrà l’effetto di raffreddare il liquido in quanto il termometro assorbirà una parte dell’energia termica del fluido in cui viene immerso.

Un certo grado di impatto del sensore è quasi sempre inevitabile, ma occorre usare considerevole ingegno e attenzione per far sì che quell’effetto sia il più ridotto possibile. Un modo per ridurre questo effetto consiste nel puntare alla massima miniaturizzazione possibile nella progettazione dei sensori: quanto più piccole sono le dimensioni fisiche del sensore, tanto minore sarà il suo impatto fisico sul fluido.

Oggi, la tecnologia dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) sta trasformando la produzione dei sensori, rendendo possibile la costruzione di microrilevatori con dimensioni microscopiche. Questi sensori presentano in genere tempi di risposta più veloci e sono notevolmente più sensibili rispetto ai loro omologhi di formato più grande.

Tipo di sensore	Versioni	Cosa rileva	Descrizione
Chip RFID	Passivo (ricezione di un segnale di interrogazione da un lettore RFID); attivo a batteria (trasmissione di un segnale ID a intervalli prestabiliti).	Il chip RFID reagisce a un segnale di interrogazione in ingresso proveniente da un lettore RFID.	I chip di identificazione a radiofrequenza (RFID) possono memorizzare dati di forma semplice codificati elettronicamente, come un singolo numero di serie, oppure descrizioni di prodotti più complesse, che possono essere rilevate e visualizzate con un lettore RFID.
Sensore di temperatura	Termometri, termocoppie e rilevatori di temperatura a resistenza (RTD), ognuno dei quali può essere un sensore a contatto o senza contatto.	Le variazioni dell’energia termica in un oggetto o in un fluido, mediante l’espansione e la contrazione di un materiale fisico o mediante i cambiamenti nella conducibilità elettrica di un conduttore.	Esistono diversi sensori di temperatura progettati per applicazioni in ambienti termici differenti. Alcuni, come le termocoppie e le termoresistenze, rimangono sensibili e precisi anche a temperature molto elevate, mentre altri, come molti termometri, sono sensibili solo a temperature relativamente basse.
Accelerometro	Piezoelettrico, piezoresistivo, magnetoresistivo, a effetto Hall, a trasferimento termico, capacitivo.	Il movimento di accelerazione causato da un fenomeno di vibrazione, rotazione, inclinazione, gravità, caduta libera o collisione. Le variazioni nella flessione di un carico di prova caricato a molla posto all’interno del sensore in risposta a forze di accelerazione.	Il sensore converte la flessione del carico di prova in una misura della forza di accelerazione che l'ha causata. Il sensore tiene conto anche del piano in cui avviene l'accelerazione.
Sensore a infrarossi	Passivo (ricezione di emissioni termiche infrarosse provenienti da un oggetto); attivo (emissione IR tramite LED o laser IR).	La radiazione infrarossa nella gamma di lunghezze 0,7-14 µ.	I sensori IR rilevano le radiazioni al di sotto della lunghezza d'onda della luce rossa visibile, che è essenzialmente una radiazione termica. Possono essere utilizzati per convertire la radiazione IR in immagini, come avviene nelle telecamere IR, oppure in sistemi di sicurezza per rilevare la presenza di intrusi in movimento.
Sensore di movimento	Rilevamento locale (raggio di luce IR visibile emesso da LED o laser, piezoelettrico, piezoresistivo, interruttore a contatto); rilevamento di zona (video, sensore di movimento IR attivo o passivo, rilevatore di movimento a ultrasuoni, sensore Doppler a microonde).	Il movimento di oggetti, persone o animali.	I sensori di movimento convertono il movimento di un intruso in un'area o in un campo visivo designato in un segnale elettrico, che può quindi fungere da input per varie applicazioni come i sistemi di sicurezza, i sistemi di illuminazione automatizzati, le porte automatiche e gli interruttori di arresto di sicurezza dei macchinari.

In ingegneria, i sensori vengono usati nei modi più ingegnosi per ridurre l’impiego di manodopera. I sensori RFID, ad esempio, hanno permesso non solo di creare sistemi di pagamento senza carta quando vengono integrati negli smartphone, ma hanno anche semplificato enormemente le procedure di sicurezza rendendo possibile l’apertura automatica di porte e cancelli in zone protette alle sole persone dotate del chip RFID richiesto, oltre ad avere rivoluzionato la logistica e i trasporti e i processi di cross docking.

Gli accelerometri trovano largo impiego non solo per la “rotazione automatica” dei display in telecamere digitali, smartphone e tablet, ma anche nei sistemi di navigazione delle moderne apparecchiature aerospaziali.

Inoltre, i moderni sensori a infrarossi sono spesso integrati in macchinari pesanti e apparecchiature elettriche, dove attivano arresti di emergenza in caso di temperature anomale e potenzialmente pericolose.

Una funzione analoga viene svolta dai sensori di movimento che vengono collegati agli interruttori di spegnimento: rilevano i movimenti potenzialmente pericolosi di parti mobili meccaniche presumibilmente causati da cuscinetti usurati o altri guasti che, se non disattivati rapidamente, potrebbero avere enormi implicazioni in termini di costi. Sono inoltre ampiamente utilizzati nei sistemi di sicurezza domestici e commerciali per rilevare le intrusioni.

I sensori di temperatura sotto forma di termocoppie trovano spesso impiego negli impianti di ingegneria chimica, dove possono resistere a temperature molto elevate e monitorare piccole variazioni termiche indicative di reazioni chimiche.

Il nuovo campo della nanotermometria ha consentito di misurare i differenziali di temperatura tra particelle di dimensioni nanometriche.