La nuova tecnologia innovativa LoadSensor
8 marzo 2023
Su misura per le esigenze industriali
Rendere i prodotti intelligenti
I sensori sono uno dei componenti chiave dell'Internet of Things (IoT): le informazioni dei sensori sono essenziali per rendere i prodotti più intelligenti. Soprattutto nel mercato industriale, è fondamentale progettare i sensori in modo personalizzato, in base alle esigenze specifiche del cliente. La tecnologia LoadSensor di Angst+Pfister Sensors and Power e Angst+Pfister ne è un ottimo esempio.
Le variabili misurate da un sensore dipendono dalle applicazioni e dalle varie tecnologie. La gamma di sensori presenti sul mercato è altrettanto vasta e diversificata. I sensori per le applicazioni consumer sono solitamente molto diversi da quelli per le applicazioni industriali. Il mercato consumer è dominato dai grandi produttori di sensori. Per noi, il settore industriale è molto più interessante: offre numerose nicchie interessanti in cui i sensori giusti rimangono solitamente in un progetto per diversi anni. L'intero mercato dei sensori vale centinaia di miliardi e cresce del 5-10% ogni anno. Tuttavia, è anche disomogeneo e segmentato, poiché esistono centinaia di variabili di misura e innumerevoli applicazioni.
Sensori per la misurazione della forza
La forza è una delle più importanti e comuni variabili fisiche misurate. In linea di principio, ogni sensore di forza può essere utilizzato anche per misurare il peso. Il peso può essere calcolato tramite la forza e la gravità.
Tuttavia, è necessario notare che la forza e la gravità sono vettori. Ciò significa che è necessario tenere conto anche degli angoli. In pratica, questo è un problema per numerose applicazioni. Se il carico non viene trasmesso al 100% in verticale alla cella di carico, ciò influisce sulla misurazione. Questo può essere illustrato con una bilancia da bagno: se si sposta il peso sulla bilancia, il valore misurato cambia - un effetto che probabilmente tutti abbiamo osservato. Se si vuole determinare con precisione un peso o una massa, è necessario considerare anche le relazioni vettoriali. Questo sembra chiaro, ma nella pratica non è sempre facile e l'esecuzione richiede spesso un grande lavoro di progettazione.
Una delle più comuni e antiche tecnologie di sensori analizzabili elettronicamente
L'estensimetro, sviluppato nel 1938, si basa su una resistenza elettrica che cambia valore quando viene allungata o compressa. Grazie a questo principio semplice e alla produzione economica, l'estensimetro si è affermato commercialmente ed è oggi uno dei sensori più utilizzati. Tuttavia, oltre all'estensimetro, sono stati sviluppati altri principi per la misurazione del carico. Uno dei principali svantaggi dell'estensimetro è la già citata relazione vettoriale. A seconda dell'applicazione, garantire che il carico da misurare sia correttamente 'reindirizzato' per ottenere un'espansione della resistenza può comportare un lavoro di progettazione molto complesso. Nel caso delle bilance da bagno, ad esempio, la cosa è molto semplice. Ciò si riflette sul prezzo di una bilancia di consumo, soprattutto se l'alta precisione non è un criterio cruciale. Le bilance ad alta precisione si basano solitamente su altri principi, come ad esempio un circuito di controllo induttivo. La maggior parte dei sistemi di pesatura ad alta precisione della rinomata azienda americana con sede in Svizzera si basa su questo principio. In altre applicazioni, dove il reindirizzamento del carico non è così facile da realizzare, i costi di produzione della struttura meccanica spesso superano di gran lunga il costo del sensore vero e proprio. In questo caso sono necessari principi di misura diversi, poiché i costi di produzione di progetti complessi possono essere ridotti solo in misura limitata, anche in caso di volumi elevati.
Meno parti meccaniche significa meno costi
Un grande esempio quotidiano è il buon vecchio videoregistratore. Nonostante le vendite di milioni di unità, durante il periodo di massima popolarità del videoregistratore era quasi impossibile trovare nei negozi un dispositivo a meno di 100 dollari. Ma quando i lettori DVD sono arrivati sul mercato, il loro prezzo non ha tardato a scendere sotto i 50 dollari. Ciò è dovuto al fatto che sono costituiti da un numero significativamente inferiore di componenti meccanici. Questo illustra chiaramente il vantaggio delle soluzioni elettroniche, che possono sempre essere prodotte in modo più economico o rese più efficienti nel tempo. Il motivo principale è la Legge di Moore (i transistor raddoppiano ogni uno o due anni). Non può essere applicata alla meccanica, ma spiega brillantemente il rapido sviluppo dell'elettronica negli ultimi decenni. In altre parole, i sensori con la meccanica più semplice possibile hanno il miglior potenziale per i bassi costi di produzione. Sebbene i concetti semplici abbiano molti vantaggi, hanno anche uno svantaggio: di solito sono relativamente facili da copiare. Tuttavia, nel campo della tecnologia dei sensori, l'imitabilità deve essere considerata in termini relativi. La conoscenza chiave risiede negli algoritmi di compensazione, nelle proprietà dei materiali e nel processo di produzione e calibrazione. Ciononostante, la questione dell'imitabilità deve essere presa in considerazione come per qualsiasi sviluppo di prodotto. Il principio di misura capacitivo è concettualmente molto semplice, ma richiede elevate competenze specifiche da parte degli sviluppatori.
Sensori capacitivi: una tecnologia del futuro
I carichi vengono applicati a due strati conduttivi. In questo modo si riduce la distanza - e minore è la distanza, maggiore è la capacità. Questo principio di misura è noto da molti anni. Finora, tuttavia, la tecnologia dei sensori capacitivi è stata piuttosto limitata, soprattutto se confrontata con quella dei sensori resistivi. Infatti, rispetto a un semplice circuito a ponte resistivo, l'elettronica per la misurazione della capacità era molto più complessa, imprecisa o costosa. La situazione è cambiata negli ultimi anni. Grazie allo sviluppo dei touchscreen nei prodotti di consumo più diffusi, questa tecnologia si è evoluta rapidamente. Ora è il momento di sensori capacitivi precisi e dal prezzo interessante. Dobbiamo ora chiederci: quali sono i componenti chiave di un sensore di questo tipo? Il primo componente è il materiale tra i due elettrodi (piastre del condensatore). Questo materiale costituisce sia l'elemento elastico che il dielettrico. Altri componenti importanti sono gli algoritmi per la compensazione di temperatura, umidità, non linearità, invecchiamento e altri effetti indesiderati. Quanto meno le proprietà del materiale cambiano a causa delle condizioni ambientali, tanto più facile e migliore sarà la compensazione.
Collaborazione interna per soluzioni innovative
Grazie a una struttura che combina l'esperienza di Angst+Pfister Sensors and Power nella tecnologia dei sensori e l'esperienza nei materiali di Angst+Pfister, le conoscenze specialistiche di tutte le discipline sono confluite nello sviluppo di Angst+Pfister Sensors and Power LoadSensor. Queste conoscenze si combinano in particolare per l'elastomero, che costituisce il suddetto elemento elastico/dielettrico. Il consolidamento di conoscenze specifiche complete in un'unica azienda è probabilmente unico. Infatti, la maggior parte delle aziende produttrici di sensori possiede una conoscenza approfondita nel campo dell'elettronica e dei materiali tipici utilizzati nei sensori, come il silicio, la ceramica e spesso l'acciaio inossidabile. Mancano invece le conoscenze nel campo degli elastomeri. Al contrario, le aziende che si occupano di materiali ed elastomeri mancano di competenze nel campo dell'elettronica interna e della tecnologia dei sensori.
In questo caso, entrambe le cose sono riunite sotto lo stesso tetto. Questo accordo ci ha permesso di sviluppare il LoadSensor capacitivo in tempi molto brevi e garantisce l'ulteriore sviluppo di questa tecnologia nei prossimi anni. Sotto la spinta dei clienti chiave di Angst+Pfister Sensors and Power, il sensore viene già ottimizzato e prodotto per le applicazioni specifiche dei singoli clienti.
Conclusione
Sono attese ulteriori applicazioni per il LoadSensor. È essenziale che i principali vantaggi apportino un reale valore aggiunto al cliente: beneficiano del basso spessore, del "montaggio integrato", del design specifico per il cliente e, soprattutto, del prezzo interessante in quantità elevate, a differenza delle soluzioni tradizionali con estensimetri o celle di carico. Non si sa ancora quante applicazioni di questo tipo esistano. Il mercato dei sensori è enorme e la tendenza nel campo dell'IoT vedrà una crescita pronunciata nei prossimi anni. Questo porterà sicuramente a innumerevoli nuove applicazioni che oggi non possiamo nemmeno immaginare. Il futuro le svelerà.
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