Facciamo luce sui sensori di posizione induttivi: 12 miti da sfatare

Negli ultimi anni l'intelligenza artificiale (IA) è entrata sempre più nella nostra vita quotidiana, anche se a volte non ce ne rendiamo conto.

Pensiamo, ad esempio, alle nuove auto che si guidano da sole o ai robot che assomigliano sempre più a noi umani. In breve, l'IA si sta imponendo sempre più nelle nostre vite. Ciò è reso possibile dal fatto che l'IA possiede informazioni sul mondo reale attraverso l'uso di sensori che le consentono di prendere decisioni in base alle condizioni dell'ambiente circostante. Un tipo di sensori molto utilizzato è quello di posizione e di movimento, che fornisce informazioni indispensabili, ad esempio, per il controllo di motori e attuatori. Questi tipi di sensori sono quindi indispensabili all'IA per interagire con il mondo reale. In questo scenario, una nuova tecnologia emergente si è dimostrata vincente: i sensori di posizione induttivi.

Sono sensori di posizione molto accurati, precisi e affidabili. Un sensore di posizione è un sensore che misura con precisione una posizione meccanica. È costituito da una parte fissa e da una parte che può muoversi rispetto alla parte fissa. La parte mobile è chiamata target. 

Il sensore di posizione misura quindi la distanza tra un punto di riferimento preso sulla parte fissa e la posizione effettiva del target. Il movimento del target può essere lineare oppure può ruotare se si vuole misurare una posizione angolare.

I sensori utilizzano l'induzione elettromagnetica di un campo magnetico in un target metallico. Misurano il disturbo (o perturbazione) che un target conduttivo ha su un campo magnetico sorgente utilizzando la legge di Faraday-Neumann. Si può pensare al sensore come a un trasformatore in aria in cui la bobina di trasmissione TX è il primario, mentre il target forma il circuito secondario.

Oltre alla bobina di trasmissione TX e al target, vengono utilizzate due bobine secondarie (dette anche bobine di ricezione RXSIN e RXCOS) che sono collocate in posizioni fisiche diverse per rilevare il campo magnetico presente. I percorsi sono realizzati in modo da avere un sensore differenziale. Per determinare la posizione del target, si calcola il rapporto tra le tensioni delle due bobine. L'arcotangente di questo rapporto fornisce un angolo elettrico che è correlato all'angolo da misurare per i sensori rotanti, mentre nel caso di un sensore lineare l'angolo ottenuto deve essere correlato alla lunghezza lineare da misurare. 

Il fatto di utilizzare il rapporto rende il sensore raziometrico (oltre che differenziale). Questo fatto è molto positivo in quanto eventuali variazioni nella geometria del sensore (ad esempio, dovute alla dilatazione termica) tendono a compensarsi quando si considera il rapporto tra due grandezze entrambe interessate dalla stessa variazione. Il principale vantaggio dei sensori di posizione induttivi è che possono essere utilizzati in ambienti ostili, cioè contenenti polvere o liquidi, e in ambienti in cui sono presenti campi elettromagnetici. Infatti, sono particolarmente apprezzati per la loro immunità ai campi magnetici statici o elettromagnetici. Inoltre, uno stesso sensore può essere montato in diversi modi, ad esempio all'estremità dell'albero (end-of-shaft) o con l'albero che lo attraversa (through-shaft).

Ma, come spesso accade, il più grande ostacolo all'adozione di massa di questi sensori è il fatto che le aziende hanno notoriamente una grande inerzia nell'adottare nuove tecnologie, preferendo rifugiarsi nella sicurezza di una tecnologia già utilizzata e testata. Vogliamo quindi fare un po' di chiarezza. Cercheremo di rispondere ai dubbi più comuni sul loro funzionamento e vi presenteremo le numerose possibilità che questi nuovi sensori offrono. In particolare, confronteremo i sensori di posizione induttivi con i più comuni sensori a effetto Hall, i sensori magnetoresistivi, gli encoder ottici e i resolver.

Un sensore di prossimità è un sensore in grado di rilevare la presenza di oggetti vicini senza alcun contatto fisico, emettendo un campo elettromagnetico o un fascio di radiazioni elettromagnetiche come gli infrarossi e, contemporaneamente, misurando le variazioni del campo o del segnale di ritorno. A seconda del principio fisico di rilevamento degli oggetti, esistono quattro tipi di sensori di prossimità ampiamente utilizzati: induttivi, capacitivi, a ultrasuoni e a raggi ultravioletti. 

I sensori di prossimità sono disponibili nella maggior parte dei casi con un'uscita formata da un interruttore, in quanto vengono solitamente utilizzati come finecorsa senza contatto. In questo caso, l'interruttore si attiva quando l'oggetto si trova a una certa distanza dal sensore. Il campo di rilevamento è quindi una caratteristica del sensore. L'uscita in configurazione NPN è un'uscita con un interruttore che commuta il polo comune o negativo dell'alimentazione al carico, collegato tra l'uscita del sensore e il positivo dell'alimentazione. 

Un'altra famiglia di sensori di prossimità emette un segnale analogico (tensione o corrente) proporzionale alla distanza tra l'oggetto in movimento e il sensore. Va detto che di solito l'errore di linearità di questo sensore è molto grande, quindi di solito è necessaria una linearizzazione, che può essere interna al sensore o effettuata dall'elettronica a valle del sensore.

Nel caso dei sensori di prossimità induttivi, l'oggetto in movimento deve necessariamente essere conduttivo per essere rilevato. In questo caso, sia per le configurazioni NPN/PNP che per le uscite analogiche, la lettura del sensore dipende fortemente dalla conduttività del materiale di cui è fatto l'oggetto in movimento. Ad esempio, se l'oggetto è in rame, la misura sarà maggiore rispetto a quella di un oggetto in acciaio, anche se la distanza di questi due oggetti dal sensore è la stessa. 

Il sensore di posizione induttivo (IPS), invece, è un sensore che misura con precisione la distanza tra un punto di riferimento preso sulla scheda di circuito rispetto al sensore e la posizione del bersaglio in movimento. Pertanto, dovrebbe essere facile capire che i sensori di prossimità induttivi e i sensori di posizione induttivi sono due dispositivi completamente diversi. Sono entrambi realizzati in modo diverso, ma misurano anche cose diverse. L'unica cosa che hanno in comune è che entrambi utilizzano il fenomeno fisico dell'induzione elettromagnetica e delle correnti parassite, descritto dalla legge di Faraday-Neumann.

Fino a pochi anni fa, per ottenere risultati accettabili era necessario avere una vasta esperienza nei campi elettromagnetici e la capacità di eseguire simulazioni agli elementi finiti molto accurate, solo per citare alcune difficoltà. Oggi non è più così. Innanzitutto, i fornitori di circuiti integrati per sensori IPS offrono solitamente schede e kit di valutazione. Ad esempio, la nostra azienda EMC Gems ha contribuito alla progettazione del kit di sensori di Renesas Electronics per i chip ZMID520X e IPS2550.

Inoltre, le stime degli errori di linearità dei sensori possono essere ottenute grazie ai risultati delle simulazioni, ancor prima che il PCB venga testato nel mondo reale. I produttori di chip si stanno organizzando per mettere a disposizione dei loro clienti questi strumenti di automazione della progettazione elettronica (EDA). Pioniere di questa possibilità è stata Integrated Design Technology (IDT), oggi Renesas Electronics, che, grazie alla collaborazione con la nostra azienda, ha reso disponibile per la prima volta uno strumento EDA per IPS chiamato ICOT (Inductive Coil Optimization Tool). La nostra azienda, in particolare, ha fornito il software per la simulazione elettromagnetica e ha sviluppato la tecnologia per l'ottimizzazione dei sensori IPS per ridurne l'errore di linearità. Si vedano i dettagli in [1].

Stiamo sviluppando un nuovo strumento chiamato IPSmagic che, grazie alle sue caratteristiche uniche, stabilirà nuovi standard nella progettazione automatica di IPS. Lo strumento può essere eseguito utilizzando un ambiente di cloud-coumputing proprietario, oppure personalizzato per essere installato sui server dei clienti. Vi terremo informati quando sarà disponibile la versione finale. La release finale è prevista per giugno 2023.

I sensori di posizione induttivi sono molto precisi, soprattutto alle alte temperature, mentre altri sistemi che si basano su magneti sono molto meno precisi. L'algoritmo è stato progettato in modo che la variazione di temperatura abbia un impatto minimo. Innanzitutto, il sensore è di tipo raziometrico. Inoltre, l'oscillatore primario crea sì una demodulazione sincrona nei canali di ricezione secondari, ma questo non avrà alcun impatto sull'ampiezza dei segnali ricevuti.

Anche in presenza di variazioni di temperatura e tolleranze di assemblaggio meccanico, i margini di errore si mantengono al di sotto del +/- 0,3%FS. Nel caso dei sensori rotanti assoluti a 360°, gli errori dello 0,1%FS sono ottenuti grazie alle tecniche di ottimizzazione dei sensori sviluppate da EMC Gems. Costruendo le bobine riceventi RXSIN e RXCOS con più periodi, è possibile migliorare ulteriormente la risoluzione del sensore, con l'unico svantaggio che il sensore diventa incrementale e non è più assoluto.

Infine, vale la pena ricordare che la nostra azienda ha sviluppato una metodologia per ottimizzare i sensori IPS al fine di ridurne l'errore di linearità. Questa metodologia è utilizzata, ad esempio, da Renesas Electronics nel suo strumento EDA chiamato ICOT. Stiamo inoltre sviluppando costantemente nuove metodologie per la progettazione ottimizzata dei sensori di posizione induttivi.

I sensori utilizzano l'induzione elettromagnetica di un campo magnetico in un bersaglio metallico. Misurano il disturbo (o perturbazione) che un bersaglio conduttivo ha su un campo magnetico sorgente utilizzando i principi della legge di Faraday-Neumann. Si può pensare al sensore come a un trasformatore in aria in cui la bobina di trasmissione TX è il primario, mentre il bersaglio costituisce il circuito secondario. 

Al contrario, i sensori a effetto Hall e magnetoresistivi si basano su un campo magnetico statico generato da un magnete permanente, mentre i sensori induttivi utilizzano il campo magnetico variabile nel tempo generato dall'avvolgimento primario di un trasformatore (cioè la bobina di trasmissione TX). Di solito viene utilizzata una gamma di frequenze compresa tra 2 MHz e 5 MHz. 

In questo caso, il bersaglio conduttore viene posto nel campo magnetico sorgente, inducendo al suo interno correnti parassite che tendono, per la legge di Faraday-Neumann, ad annullare l'effetto del campo magnetico sorgente, portando così l'intensità del campo magnetico a zero sul bersaglio. Il bersaglio tende quindi a comportarsi come uno scudo elettromagnetico. Come già detto, oltre alla bobina di trasmissione TX e al bersaglio, vengono utilizzate due bobine secondarie (chiamate anche bobine di ricezione RXSIN e RXCOS), che sono collocate in posizioni fisiche diverse per rilevare il campo magnetico e quindi ognuna rileverà una tensione diversa. 

Il rapporto tra le due tensioni delle bobine viene utilizzato per determinare la posizione del bersaglio. Possiamo quindi concludere che l'induttanza non viene affatto utilizzata. Infatti, la misura della posizione viene effettuata mediante due misure di tensione sulle bobine di ricezione RXSIN e RXCOS, che non sono attraversate da corrente.

I sensori di posizione induttivi, invece, funzionano molto meglio quando si utilizzano conduttori come rame, alluminio o acciaio. Questo perché il sensore funziona rilevando una variazione del campo elettromagnetico disturbato da un target metallico, che non deve essere necessariamente un magnete. L'unico requisito fondamentale è che il materiale del target consenta il passaggio di correnti parassite e i migliori conduttori sono, appunto, il rame e l'alluminio.

I sensori di posizione induttivi IPS, per essere immuni ai campi magnetici parassiti sempre più intensi creati da macchine elettriche e schede elettroniche poste nelle loro vicinanze, utilizzano una demodulazione attiva. Ciò consente di filtrare la tensione ai capi delle due bobine riceventi RXSIN e RXCOS per misurare solo la frequenza corrispondente a quella del campo magnetico sorgente creato dalla bobina trasmittente TX. I sensori IPS, a differenza dei sensori a effetto Hall e magnetoresistivi, sono quindi molto robusti rispetto alla presenza di disturbi elettromagnetici esterni. Sono quindi adatti ad ambienti particolarmente difficili o dove l'immunità ai campi elettromagnetici spuri è molto elevata, come ad esempio nell'industria automobilistica. In particolare, non utilizzando alcun materiale magnetico (quando il target è realizzato in conduttori non magnetici come rame, alluminio o acciaio non magnetico), il sensore non è influenzato da alcun campo magnetico statico (CC).

È vero che i sensori induttivi mostrano la migliore precisione quando la lunghezza target è pari alla metà o a un quarto del campo di misura. Tuttavia, ciò non significa che non possano misurare posizioni lineari di lunghezza compresa tra 5 mm e 600 mm e oltre. L'unico fattore limitante per la lunghezza misurabile è la capacità dell'oscillatore di generare il corretto segnale risonante LC. In particolare, bisogna tenere conto degli effetti dovuti alla capacità parassita della bobina di trasmissione TX e di quelli dovuti al fatto che la bobina di trasmissione, data la sua lunghezza, si comporta come una linea di trasmissione. D'altra parte, se utilizziamo sensori a effetto Hall, il magnete deve essere spostato da una posizione all'altra e diversi sensori devono essere multiplexati. Questo rende difficile e complicata la gestione del crossover e lo rende suscettibile alle variazioni di temperatura. Questi problemi non si presentano con i sensori induttivi.

Possono essere utilizzati molto bene per le misure ad arco e rotanti, come i pedali delle auto, la posizione del rotore, le valvole dell'acqua e dell'aria. Un sensore rotante a 360 gradi è di fatto quasi come un sensore lineare le cui estremità sono curvate per incontrarsi. In effetti, i sensori rotanti a 360 gradi offrono di gran lunga le migliori prestazioni in termini di errore di linearità.

I sensori IPS sono molto convenienti rispetto ad altre tecnologie, come gli encoder ottici. Il costo del sensore IPS è costituito principalmente dal chip. Il prezzo del chip è di poco superiore a un dollaro USA per acquisti in migliaia. Al chip va aggiunto il prezzo del circuito stampato e del target (che può essere realizzato anche in tecnologia PCB). Il PCB può essere realizzato nella maggior parte dei casi utilizzando solo due strati. Quindi con poche decine di centesimi si possono produrre sia il target che la parte statica del sensore, che comprende la bobina di trasmissione e le due bobine di ricezione. In conclusione, il costo totale del sensore è compreso tra 1 e 2 dollari USA.

Osserviamo che i sensori di posizione induttivi presentano un nuovo modo di implementare il rilevamento, ma la tecnologia sottostante è ben nota e collaudata. Per quanto ne sappiamo, la prima descrizione di questa tecnologia, insieme a gran parte del suo sviluppo, è stata introdotta in [2]. Il principio che utilizza il rilevamento induttivo della posizione è legato al LVTD, trasformatore differenziale di tensione lineare. I sensori di posizione LVTD utilizzano la stessa tecnica, ovvero il rapporto tra due tensioni indotte dalle perturbazioni del campo magnetico da un elemento conduttore per rilevare la posizione. Tuttavia, mentre l'LVDT utilizza bobine primarie e secondarie, i sensori IPS utilizzano una semplice scheda PCB per realizzare le bobine di trasmissione e ricezione.

Due sensori induttivi ridondanti possono condividere lo stesso spazio (e quindi il campo magnetico) garantendo al contempo l'isolamento galvanico. Anche l'obiettivo sarà condiviso da entrambi i sensori. L'unica differenza è che il sensore ridondante così realizzato necessita di un PCB a 4 strati, un po' più costoso di quello a 2 strati.

I sensori di prossimità induttivi e i sensori LVDT presentano un grande errore di linearità. Pertanto, necessitano di una linearizzazione interna al sensore o esterna al microcontrollore o al computer che gestisce la misura. I sensori IPS nascono già con un errore certamente inferiore agli altri tipi di sensori citati. Inoltre, l'errore può essere ridotto utilizzando una metodologia di ottimizzazione del sensore da noi sviluppata, vedi ad esempio [1]. Pertanto, per la maggior parte delle applicazioni, non è necessaria alcuna post-elaborazione della misura, risparmiando tempo per l'impostazione del prodotto. Nel caso in cui sia necessaria una maggiore accuratezza, la linearizzazione sarà più efficace su un sensore ottimizzato. Inoltre, se è necessaria un'ulteriore precisione, è possibile aggiungere altri periodi e passare da un sensore di posizione assoluto a un sensore di posizione incrementale.