Sensore: Migliorare la percezione robotica e l'interazione con l'ambiente

By Fouad Sabry

Nel campo in rapida evoluzione della robotica, i sensori svolgono un ruolo fondamentale nel consentire alle macchine di percepire e interagire con l'ambiente. Il libro "Sensor", parte della serie "Robotics Science" di Fouad Sabry, approfondisce i diversi tipi di sensori che sono parte integrante della robotica moderna. Questa guida completa è progettata per professionisti, studenti universitari e laureati e appassionati che desiderano approfondire la propria comprensione dei sensori e delle loro applicazioni nella robotica.

Breve panoramica dei capitoli:

1: Sensor: un'introduzione al ruolo dei sensori nella robotica, ai loro tipi e alle funzioni essenziali.

2: Transistor: esplora come i transistor servano da componenti essenziali nella tecnologia dei sensori e nella robotica.

3: MOSFET: descrive in dettaglio l'importanza dei transistor a effetto di campo MetalOxideSemiconductor nelle applicazioni dei sensori.

4: Photodiode: esamina l'uso dei fotodiodi nei sistemi di rilevamento della luce e di visione robotica.

5: Biosensore: esamina i biosensori e il loro utilizzo in robotica, in particolare nei campi medico e bioingegneristico.

6: Nanosensore: si concentra sulle applicazioni dei nanosensori nei sistemi robotici miniaturizzati.

7: Risonanza plasmonica di superficie: spiega il concetto di risonanza plasmonica di superficie e il suo ruolo nella tecnologia dei sensori.

8: ISFET: introduce i transistor a effetto di campo sensibili agli ioni e le loro applicazioni in robotica.

9: Transistor a effetto di campo chimico: descrive la funzione dei FET chimici nel rilevamento di cambiamenti chimici in robotica.

10: Sensore di immagine: evidenzia l'importanza dei sensori di immagine nei sistemi di visione e imaging robotici.

11: Sensore Activepixel: esplora il ruolo del sensore Activepixel nella tecnologia di imaging per la robotica.

12: MOSFET Floatinggate: discute il MOSFET Floatinggate e il suo impatto sulla tecnologia e l'archiviazione dei sensori.

13: Sensore in fibra ottica: esamina i sensori in fibra ottica e le loro capacità uniche nella robotica e nell'automazione.

14: Massimo Grattarola: un focus sui contributi di Massimo Grattarola alla tecnologia dei sensori e alla robotica.

15: Biotrasduttore: esplora l'intersezione tra sensori biologici e trasduttori nella robotica avanzata.

16: Transistor a effetto di campo: spiegazione dettagliata dei transistor a effetto di campo e del loro uso critico nei sensori robotici.

17: BioFET: discute i BioFET e la loro crescente rilevanza nelle applicazioni biotecnologiche e robotiche.

18: Immunoanalisi basata su CD/DVD: esamina l'uso della tecnologia basata su CD/DVD negli immunoanalisi all'interno della robotica.

19: Piet Bergveld: uno sguardo dettagliato al lavoro di Piet Bergveld e al suo profondo impatto sulla tecnologia dei sensori.

20: Matrice di sensori chimici: descrive la funzionalità e le applicazioni delle matrici di sensori chimici nella robotica.

21: Dispositivo semiconduttore: tratta dei dispositivi semiconduttori e del loro ruolo fondamentale nella tecnologia dei sensori e nella robotica.

Questo libro è una risorsa imprescindibile per chiunque sia coinvolto nel campo della robotica o della tecnologia dei sensori. Con spiegazioni chiare, approfondimenti dettagliati dei capitoli e un'ampia esplorazione dei numerosi sensori integrati nella robotica, "Sensor" aiuterà i lettori ad acquisire le conoscenze necessarie per avere successo sia negli sforzi accademici che in quelli professionali.

• Language: Italiano
• Publisher: Un Miliardo Di Ben Informato [Italian]
• Release date: Dec 29, 2024

Book preview

Capitolo 1 : Sensore

Nel contesto del rilevamento di un fenomeno fisico, un sensore è un dispositivo che genera un segnale di uscita allo scopo del suo rilevamento.

Un dispositivo, un modulo, una macchina o un sottosistema che rileva eventi o cambiamenti nell'ambiente circostante e trasmette le informazioni ad altri dispositivi elettronici, più comunemente un processore di computer, è indicato come sensore. Questa descrizione conferisce al sensore il significato più ampio possibile.

Esistono innumerevoli applicazioni per i sensori, la maggior parte delle quali non viene mai portata all'attenzione della persona media. Alcuni esempi di sensori utilizzati nei prodotti quotidiani includono pulsanti dell'ascensore sensibili al tocco (sensore tattile) e lampade che si attenuano o si illuminano quando si tocca la base. Come risultato degli sviluppi nelle micromacchine e nelle piattaforme per microcontrollori semplici da utilizzare, le applicazioni dei sensori si sono spostate oltre le discipline tradizionali della misurazione di temperatura, pressione e portata. Un esempio di ciò è lo sviluppo dei misuratori MAREG.

I potenziometri e i resistori di rilevamento della forza sono due esempi di sensori analogici che sono ancora ampiamente utilizzati oggi. La produzione e i macchinari, gli aeromobili e l'aerospaziale, le automobili, la medicina, la robotica e molti altri aspetti della nostra vita quotidiana sono tutti esempi di aree di applicazione di questi materiali. Esiste un'ampia varietà di sensori aggiuntivi in grado di misurare le proprietà chimiche e fisiche dei materiali. Alcuni esempi di questi sensori includono sensori ottici, che misurano l'indice di rifrazione, sensori vibrazionali, che misurano la viscosità dei fluidi, e sensori elettrochimici, che monitorano il pH dei fluidi.

La sensibilità di un sensore è uguale al grado in cui la sua uscita si sposta in risposta alle variazioni della quantità che misura come input. Ad esempio, se il mercurio in un termometro viaggia di un centimetro ogni volta che la temperatura si sposta di un grado Celsius, allora la sensibilità del termometro è di un centimetro per grado Celsius (è essenzialmente la pendenza dy/dx assumendo una caratteristica lineare). Alcuni sensori possono anche avere un effetto sui dati che raccolgono; Ad esempio, se un termometro impostato a temperatura ambiente viene posizionato all'interno di una tazza di liquido caldo, il termometro raffredderà il liquido mentre il liquido riscalderà il termometro.  La maggior parte delle volte, i sensori hanno lo scopo di avere un impatto minimo sulla cosa che viene monitorata; La riduzione delle dimensioni del sensore in genere migliora questo aspetto e può anche apportare ulteriori vantaggi.

Con l'avanzare della tecnologia, diventa possibile realizzare un numero crescente di sensori su scala minuscola come microsensori utilizzando la tecnologia MEMS. Un microsensore, rispetto ai metodi macroscopici, è in grado di ottenere un tempo di misurazione sostanzialmente più rapido e un livello di sensibilità più elevato nella maggior parte delle situazioni. I sensori monouso, che sono dispositivi a basso costo e facili da usare per il monitoraggio a breve termine o le misurazioni a colpo singolo, hanno recentemente acquisito una notevole rilevanza. Ciò è dovuto principalmente alla crescente domanda di informazioni rapide ed economiche nell'ambiente odierno. Con l'aiuto di questa categoria di sensori, le informazioni analitiche vitali possono essere ricevute da chiunque, in qualsiasi momento, in qualsiasi luogo e senza la necessità di ricalibrazione o la preoccupazione di contaminazione.

Le regole che un buon sensore deve rispettare sono le seguenti:

La maggior parte dei sensori ha una funzione di trasferimento lineare.  Successivamente, la sensibilità viene valutata determinando il rapporto tra il segnale di uscita e la proprietà che è stata misurata. Ad esempio, se un sensore è in grado di rilevare la temperatura e produrre contemporaneamente un'uscita di tensione, la sensibilità rimane la stessa indipendentemente dalle unità [V/K].  La pendenza della funzione di trasferimento è ciò che chiamiamo sensibilità.  Pertanto, per convertire la potenza elettrica del sensore (ad esempio, V) nelle unità di misura (ad esempio, K), è necessario dividere la potenza elettrica per la pendenza (o moltiplicarla per la sua funzione reciproca).  Inoltre, un offset viene in genere aggiunto o sottratto nell'equazione.  A titolo illustrativo, se l'uscita è 0 V e l'ingresso è -40 C, è necessario aggiungere il valore extra di -40 all'uscita.

Utilizzando un convertitore analogico-digitale, il segnale di un sensore analogico deve essere trasformato in un segnale digitale prima di poter essere elaborato o utilizzato in apparecchiature digitali. Ciò è necessario per utilizzare il segnale.

A causa del fatto che i sensori non sono in grado di ricreare una funzione di trasferimento ideale, la loro precisione può essere limitata da una serie di diversi tipi di deviazioni, tra cui:

Gli errori casuali e gli errori sistematici sono due categorie che possono essere utilizzate per descrivere tutte queste discrepanze. Quando si tratta di compensare gli errori sistematici, ci sono casi in cui può rendersi necessaria una tecnica di calibrazione di qualche tipo. Le tecniche di elaborazione del segnale, come il filtraggio, possono essere utilizzate per ridurre il rumore, che è un tipo di errore casuale. Tuttavia, ciò si ottiene in genere al prezzo del comportamento dinamico del sensore.

La risoluzione del sensore, nota anche come risoluzione di misurazione, si riferisce alla più piccola variazione che può essere notata nella quantità che viene misurata con precisione. Nella maggior parte dei casi, la risoluzione numerica dell'uscita digitale è quella che viene considerata la risoluzione di un sensore che ha una trasmissione digitale. D'altra parte, la risoluzione e la precisione con cui viene effettuata la misurazione non sono la stessa cosa. La risoluzione è correlata alla precisione. È possibile che la precisione di un sensore sia di gran lunga inferiore alla sua risoluzione.

Il termine sensore chimico si riferisce a un'apparecchiatura analitica autonoma e in grado di offrire informazioni sulla composizione chimica dell'ambiente circostante, che può essere un ambiente liquido o gassoso. Queste informazioni sono presentate sotto forma di un segnale fisico rilevabile collegato alla concentrazione di una particolare specie chimica, che viene definita analita. Ci sono due processi principali che sono coinvolti nel funzionamento di un sensore chimico. Questi processi sono noti come riconoscimento e trasduzione. Durante il processo di riconoscimento, le molecole dell'analita si impegnano in interazioni selettive con molecole o siti recettoriali che sono incorporati nella struttura dell'elemento di riconoscimento del sensore. Di conseguenza, un parametro fisico caratteristico subisce una modifica, e questa variazione viene comunicata attraverso l'utilizzo di un trasduttore integrato che è responsabile della produzione del segnale di uscita.

Il termine biosensore si riferisce a un sensore chimico che si basa sul materiale di riconoscimento di origine biologica. Inoltre, poiché i materiali biomimetici sintetici sostituiranno in una certa misura i biomateriali di riconoscimento, non è necessario fare una chiara distinzione tra un biosensore e un sensore chimico convenzionale. Gli aptameri e i polimeri a impronta molecolare sono due esempi di materiali biomimetici tipicamente utilizzati nella produzione di sensori.

Nei campi della biomedicina e delle biotecnologie, il termine biosensore si riferisce a sensori in grado di rilevare analiti utilizzando un componente biologico. Esempi di tali componenti includono cellule, proteine, acido nucleico e polimeri biomimetici.

D'altra parte, un sensore o nanosensore viene utilizzato per riferirsi a un sensore non biologico, anche organico (chimica del carbonio), quando viene utilizzato per rilevare biomarcatori biologici. Sia le applicazioni in vitro che quelle in vivo utilizzano questa frase nei rispettivi