Insegnamento SENSORI E ATTUATORI

Nome del corso	Ingegneria elettronica per l'internet-of-things
Codice insegnamento	A003185
Curriculum	Comune a tutti i curricula
Docente responsabile	Giulia Orecchini
Docenti	Giulia Orecchini
Ore	48 ore - Giulia Orecchini
CFU	6
Regolamento	Coorte 2024
Erogato	Erogato nel 2025/26
Attività	Caratterizzante
Ambito	Ingegneria elettronica
Settore	ING-INF/01
Tipo insegnamento	Opzionale (Optional)
Tipo attività	Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento	ITALIANO
Contenuti	Il corso introduce i concetti fondamentali di sensori e attuatori, partendo dalla classificazione basata sul principio fisico (resistenza elettrica, campo elettrico, campo magnetico, radiazione, fenomeni termici e meccanici), fino alle tecnologie più recenti in ambito MEMS e IoT. Viene analizzato il funzionamento interno di sensori come LM35 e l’uso di modelli circuitali (LEM) per interpretare il comportamento. Tra gli argomenti trattati: Sensori resistivi (RTD, NTC, estensimetri) Sensori termici (termocoppie, termopile, celle di Golay) Sensori magnetici (effetto Hall, GMR, TMR) Sensori capacitivi (displacement, accelerometri, attuatori) Sensori ottici e a radiazione (fotodiodi, LED, IR) Sensori piezoelettrici e meccanici Attuatori: motori DC, brushless, stepper, cilindri pneumatici/idraulici Tecnologie MEMS e microfabbricazione Applicazioni IoT e lettura datasheet Standardizzazione e sfide progettuali
Testi di riferimento	Appunti e diapositive del corso (in inglese) ¿ Libri ¿ Sensor and Actuators, Francisco Andre Correa Alegria, World Scientific Pub Co Inc (27 luglio 2021) ¿ Gerard C.M. Mejer (a cura di), “Smart Sensor Systems”, Wiley, 2008 ¿ Charalampos Doukas, Building the Internet of Things with the Arduino, v.1.1, ISBN 1470023431 ¿ Harry N. Norton, Handbook of Transducers, Prentice Hall, 1989 ¿ J. Wilson (a cura di), Sensor Technology Handbook, Elsevier (2005) ¿ G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3ª edizione, Wiley, 2000
Obiettivi formativi	Conoscenze metodologiche: Conoscenza di base dei principi teorici di funzionamento dei più comuni tipi di sensori e attuatori. Capacità professionali: comprensione del foglio di dati (data sheet) e applicazioni pratiche di alcuni comuni tipi di sensori e attuatori presenti in commercio.
Prerequisiti	L’insegnamento non ha propedeuticità dichiarate. Utilizza diversi concetti della Fisica e della chimica ma li introduce dalle basi: trasmissione del calore nei solidi e nei fluidi, irraggiamento elettromagnetico, elasticità dei materiali, piezoresistività, proprietà magnetiche dei materiali, struttura della materia. Si utilizzano inoltre concetti ed equazioni ben note della fisica dei semiconduttori.
Metodi didattici	L’insegnamento è organizzato come segue: - lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti dell’insegnamento.
Altre informazioni	Non sono previste altre informazioni.
Modalità di verifica dell'apprendimento	La valutazione della prova d'esame è basata su una prova orale individuale di circa 30 minuti. La prova orale è basata sugli argomenti teorici trattati a lezione. Sono considerati fondamentali gli aspetti metodologici dell'insegnamento.
Programma esteso	INTRODUZIONE AL CORSO: Definizione di Sensore e Attuatore, Ruolo dei Sensori e degli Attuatori, Applicazioni ingegneristiche comuni, Sistema sensoriale umano/robotica, Tipologie di recettori sensoriali, Attuatori nel corpo umano, Trasduzione, Principi di condizionamento del segnale, Elaborazione dell’informazione, Sensori intelligenti e connessione in rete/IoT, Classificazione di sensori e attuatori adottata come linea guida per questo corso: dispositivi basati su resistenza elettrica, campo elettrico, campo magnetico, radiazione elettromagnetica, fenomeni termici, fenomeni meccanici. Approccio alternativo: classificazione in base alla grandezza da trasdurre. SENSORI E ATTUATORI NELL’IoT: esempi di risultati recenti della ricerca. INTRODUZIONE AI CONTENUTI: Classificazione e Parametri, Modello a Elementi Concentrati (LEM), DATASHEET (come leggere una scheda tecnica – esempi), Sfide nella standardizzazione. Micro e Nanotecnologie (MEMS): Sistemi Micro-Elettro-Meccanici, Storia, Accelerometri come esempio rappresentativo, Tecnologie di fabbricazione: microlavorazione superficiale, microlavorazione di volume, materiali, deposizione chimica da vapore (CVD), fotolitografia, microfabbricazione di volume. Sensore Termico IC – LM35: Struttura interna, Generazione di segnale PTAT, Amplificazione e condizionamento del segnale. Dispositivi basati sulla VARIAZIONE DELLA RESISTENZA ELETTRICA: RTD (Rilevatore di Temperatura a Resistenza), Termistori. Metodologie di misura. Estensimetro: principio di funzionamento, architettura, parametri chiave. Piezoresistori: principio di funzionamento e parametri, esempio di sensore piezoresistivo su membrana, circuiti di condizionamento basati su multivibratore astabile. Dispositivi basati su FENOMENI TERMICI: Termocoppie, Effetto Seebeck, Concetti e definizioni sul trasferimento di calore, Dissipazione termica, Generatore Termoelettrico (TEG), Termopile, Effetto Peltier, Refrigeratore Termoelettrico (applicazioni MMRTG). Applicazioni dei sensori termici: Anemometro a filo caldo, Manometri per vuoto (manometri a termocoppia, Pirani – esempio MEMS dalla letteratura). Dispositivi basati sulla VARIAZIONE DEL CAMPO MAGNETICO: Interruttore Reed, Effetti galvanometrici, Sensori ad effetto Hall, Effetto Magnetoresistivo, Effetto di Magnetoresistenza Gigante (GMR), Valvola spintronica, Magnetoresistenza a tunnel (TMR), confronto GMR vs TMR. Motori: Motore DC, H-Bridge & Chopper, Brushless, Stepper Motor, Motore a riluttanza variabile, Motori ibridi. Dispositivi basati sulla VARIAZIONE DEL CAMPO ELETTRICO: Sensori e attuatori capacitivi, Caso studio: disco freno, Sensori capacitivi di spostamento, Esempi da Micro-Epsilon, Accelerometri capacitivi, Considerazioni sulle misure, Vantaggi e svantaggi, Struttura interdigitata a pettine (MEMS), Sensori di velocità angolare, Sensori di impronte digitali (esempio dalla letteratura), Altoparlante elettrostatico, Subwoofer (esempio di classificazione trasversale). Dispositivi basati sulla RADIAZIONE: Definizione e classificazione, Radiazione come onda e come particella, Radiometria e Fotometria, LED/Elettroluminescenza, Processi di innesco, Transizioni radiative e ricombinazione, Effetto fotovoltaico, Emissione spontanea, TLCR5100 di Vishay (esempio), Fotoresistore, Fotodiodo, Pulsossimetro (esempio), Radiazione termica e sensori IR, Radiazione di corpo nero, Legge di Wien, Legge di Stefan-Boltzmann, Formula di Planck, Principi di funzionamento dei sensori, Rivelatore termopneumatico (cella di Golay), termopila (PIR), Rivelatore piroelettrico, Bolometri – Esempi: Perkin-Elmer TPS 1T 013X, Texas Instruments TMP006/B, Melexis MLX90614. Dispositivi basati su FENOMENI MECCANICI: Effetto piezoelettrico, Estensimetri, Confronto delle prestazioni degli estensimetri, Materiali piezoelettrici e modelli (LEM, Meccanico, Matematico – Risposta in frequenza), Accelerometri – modalità operative, pro e contro, Accelerometri Brüel & Kjær Vibro (esempio), Condizionamento del segnale – Amplificatore di carica, Confronto tra accelerometri (capacitivi, piezoelettrici, piezoresistivi). Attuatori fluidici: Principi fisici, Legge di Pascal, Circuito idraulico, Cilindro a semplice e doppio effetto, Circuito pneumatico.