Le grandezze da misurare con i sensori variano a seconda delle applicazioni e delle diverse tecnologie. Per questo motivo l’offerta di sensori sul mercato è particolarmente ampia e variegata. I sensori destinati ad applicazioni consumer sono nettamente diversi da quelli pensati per le applicazioni industriali. Per i primi, la scena è già dominata dai grandi produttori, mentre il settore dell’industria è per noi molto più interessante, con diverse nicchie in cui la progettazione dei sensori dedicati non è stata aggiornata negli anni.

L’intero mercato della sensoristica ammonta a diverse centinaia di miliardi e ha una crescita annua tra il 5 e il 10 percento. La grande quantità di applicazioni e le innumerevoli grandezze da misurare lo rendono tuttavia estremamente segmentato e disomogeneo.
 

Sensori per la misura della forza
La forza è una delle grandezze fisiche da misurare più importanti e diffuse. In linea di principio ogni sensore di forza può misurare anche un peso, che viene calcolato in base alla forza e all’accelerazione di gravità.

Tuttavia, trattandosi di due vettori, è necessario tenere in considerazione anche l’angolo tra di essi.

Nella pratica questo fattore può rappresentare un problema in molti settori, poiché l’applicazione non perfettamente perpendicolare di una forza sulla cella di carico può influenzare la misurazione. Basti pensare a una bilancia pesapersone, dove lo spostamento del peso modifica il valore rilevato, come chiunque avrà sicuramente notato almeno una volta. Per determinare con precisione un peso o una massa, è quindi necessario tenere in considerazione anche i rapporti vettoriali. Per quanto chiara sia la teoria, la realizzazione pratica non è sempre immediata e spesso richiede un considerevole sforzo di progettazione. Prendiamo ad esempio una delle tecnologie sensoristiche più vecchie e diffuse, concretizzata nell’estensimetro elettrico a resistenza.

Sviluppato nel 1938, questo strumento si basa su una resistenza elettrica, il cui valore varia quando subisce un allungamento o un accorciamento. Grazie alla semplicità di questo principio e ai ridotti costi di fabbricazione, l’estensimetro si è affermato sul mercato, diventando oggi uno dei sensori più utilizzati, anche se nel tempo è stato affiancato da altri sistemi per la misurazione della forza. Lo svantaggio principale dell’estensimetro è il suddetto rapporto vettoriale. A seconda dell’applicazione, la “deviazione” corretta della forza da misurare, in modo da ottenere un allungamento della resistenza può rivelarsi molto complessa da realizzare.

Non è il caso delle comuni bilance pesapersone, che già dal prezzo lasciano intendere come la massima affidabilità del risultato non sia il criterio determinante. I modelli ad alta precisione comunemente si basano su altri principi, ad esempio su un circuito di regolazione induttivo, come i principali sistemi di pesatura ad alta precisione della rinomata azienda americana con sede in Svizzera. In altre applicazioni, in cui la deviazione della forza non è facilmente ottenibile, gli oneri di produzione della parte meccanica superano di gran lunga quelli del sensore vero e proprio. In questi casi è necessario ricorrere ad altri principi di misurazione, poiché i costi legati alla realizzazione di strutture così complesse sono difficili da contenere anche con volumi elevati.

 

«I nuovi sensori per applicazioni specifiche, efficaci in termini di costo, sono la chiave per realizzare la crescita esponenziale prevista per l’Internet delle cose.» Philipp Kistler, Product Manager Pewatron

 

Meno componenti meccanici, maggiore convenienza

Tra gli apparecchi d’uso comune troviamo il valido esempio del buon vecchio videoregistratore: nonostante i milioni di pezzi prodotti, anche nel periodo di massima diffusione, era difficile trovare un modello a meno di 100 USD nei negozi specializzati. I lettori DVD, al contrario, scesero sotto i 50 USD a distanza di poco tempo dal loro lancio, poiché composti da un numero nettamente inferiore di componenti meccanici. Risulta chiaro il vantaggio delle soluzioni elettroniche, che nel tempo diventano sempre più convenienti da produrre o più sofisticate. La spiegazione risiede nella Legge di Moore (raddoppiamento del numero di transistor per chip ogni 1-2 anni), non applicabile alla produzione meccanica, ma in grado di illustrare molto bene il fulmineo sviluppo dell’elettronica degli ultimi decenni. In altre parole: i sensori meccanicamente meno complessi hanno il grande potenziale di un contenimento dei costi di produzione.

La semplicità porta sì molteplici vantaggi, ma anche un aspetto negativo: i sistemi semplici sono facili da copiare. Nell’ambito della sensoristica, tuttavia, questa legge non è assoluta; ciò che fa davvero la differenza è il know-how legato agli algoritmi di compensazione, alle caratteristiche dei materiali e ai processi di produzione e calibrazione. L’aspetto della riproducibilità deve comunque essere tenuto in considerazione in fase di sviluppo del prodotto. Il principio di misura capacitivo è semplice da concepire, ma richiede un know-how molto specifico per essere sviluppato.
 

Sensori capacitivi: la tecnologia del futuro

Una forza viene applicata su due piastre elettroconduttive, causando una riduzione della distanza tra esse e il conseguente aumento della capacità. Questo principio è noto già da molti anni, ma i sensori capacitivi non erano finora riusciti ad affermarsi e a surclassare quelli resistivi: se paragonata al semplice collegamento a ponte, l’elettronica per la misurazione capacitiva risultava nettamente più costosa, imprecisa e dispendiosa. Negli ultimi anni la situazione è cambiata e l’inserimento del touch screen in tutta una serie di prodotti per consumatori ha dato impulso a un rapido avanzamento tecnologico, che ha aperto la strada a sensori capacitivi precisi e convenienti. La domanda ora è: quali sono i componenti essenziali di questo tipo di sensori? Il primo è il materiale che separa gli elettrodi (le piastre del condensatore) e costituisce sia l’elemento elastico che quello dielettrico. Altri componenti importanti sono gli algoritmi per la compensazione di temperatura, umidità, non linearità, deterioramento e altri effetti indesiderati. Una compensazione semplice ed efficace è assicurata dalla maggiore resistenza delle proprietà del materiale alle condizioni ambientali.
 

Il know-how decisivo per lo sviluppo di LoadSensor: Pewatron porta l’esperienza e la competenza nell’elettronica e la sensoristica; Angst+Pfister mette a disposizione un ampio know-how nell’ingegneria e nella scienza dei materiali.

Innovativo, versatile e orientato al futuro: LoadSensor di Pewatron

 

Collaborazione in-house per soluzioni innovative

La sinergia tra il know-how di Pewatron per la sensoristica e di Angst+Pfister per i materiali ha permesso di sfruttare al meglio le competenze specifiche di tutte le discipline alla base dello sviluppo del nuovo LoadSensor di Pewatron. Questa unione di forze è stata decisiva soprattutto per l’elastomero, che forma l’elemento elastico / dielettrico. La combinazione di competenze così ampie e specifiche in una sola azienda è un esempio piuttosto raro. Quasi tutte le imprese del settore dispongono di approfondite conoscenze nel campo dell’elettronica e dei materiali più usati per i sensori, come il silicio, la ceramica e, al massimo, l’acciaio inossidabile, senza però poter contare sulle stesse risorse per gli elastomeri. Lo stesso accade per le aziende che si muovono nell’ambito dei materiali e degli elastomeri, alle quali manca il know-how interno per l’elettronica e la sensoristica.

Nel nostro caso entrambe le realtà sono state unite sotto lo stesso tetto, permettendoci di sviluppare LoadSensor in tempi ridotti e garantire l’aggiornamento di questa tecnologia negli anni a venire. Nato per rispondere alle richieste dei clienti principali di Pewatron, il sensore viene già ottimizzato e prodotto per singole applicazioni specifiche.

La gamma di applicazioni di LoadSensor verrà ulteriormente ampliata. Decisivo è il valore aggiunto per il cliente, derivante dai vantaggi principali: lo spessore ridotto, il «supporto integrato», la progettazione personalizzata e soprattutto i costi contenuti a fronte di alti volumi di produzione fanno la differenza rispetto ai più tradizionali estensimetri o celle di carico.

Quante e quali applicazioni amplieranno l’offerta, lo si vedrà in futuro: il mercato dei sensori è enorme e il trend nel settore dell’Internet delle cose lascia prevedere una forte crescita nei prossimi anni. Verosimilmente saranno molteplici le nuove applicazioni che adesso non siamo nemmeno in grado di immaginare. Il futuro saprà dircelo. 

 

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published: 1 set 2020, 13:34:00  by: Angst+Pfister Group