STRUMENTAZIONE FISICA

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA SPERIMENTALE (FIS/01)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il Corso si propone di fornire le conoscenze teoriche di base e le competenze pratiche necessarie alla progettazione e realizzazione di semplici esperienze di laboratorio in cui sia possibile misurare e condizionare, mediante opportune retroazioni, una grandezza fisica. Lo studente verrà costantemente seguito nell’attività progettuale fino a portarlo ad una sufficiente autonomia nell’utilizzo e interfacciamento dei più comuni strumenti di laboratorio e ad una maggiore consapevolezza nello svolgimento della misura, nell’acquisizione dei dati e nella loro elaborazione ed interpretazione.

Prerequisiti

Conoscenze di metodologia della misura e di teoria degli errori che lo studente dovrebbe avere acquisito durante il primo anno nel corso del Laboratorio di Fisica 1. Conoscenza dei fondamenti di algebra, calcolo differenziale ed integrale, algebra in campo complesso.

Contenuti dell'insegnamento

Nella parte di corso con lezione frontale (4 CFU equivalenti a 28 ore) si tratteranno argomenti di interesse nella Fisica Sperimentale ai fini della progettazione e realizzazione di un semplice esperimento in cui si misura e si controlla una grandezza fisica. Si presenteranno i fondamenti dell’elettronica, le basi di acquisizione/condizionamento/analisi dei segnali e varie tipologie di strumenti di misura e loro funzionamento (sorgenti di eccitazione, sensori, oscilloscopio, ecc.). Nella parte di Esercitazioni (2 CFU equivalenti a 24 ore di esercitazioni in laboratorio) gli studenti verranno guidati alla progettazione e realizzazione di un sistema di misura e controllo di una o più grandezze fisiche. Si farà uso di strumentazione comunemente utilizzata in un laboratorio didattico di Fisica ma che può trovare applicazione anche in un Laboratorio di Ricerca o in un Laboratorio R&D aziendale. Inoltre si proporrà l’utilizzo della scheda open source Arduino con cui si possono realizzare, in maniera relativamente semplice, piccoli dispositivi come controllori di velocità per motori, sensori di luce, temperatura e umidità e molti altri progetti che utilizzano sensori, attuatori e comunicazione con altri dispositivi.

Programma esteso

Introduzione al Corso
Misura di un grandezza fisica, sensori e sorgenti di eccitazione, segnale e sua acquisizione, controllo dei parametri ambientali. Eventuali cenni ai contenuti base di elettricità (corrente, tensione, resistenza, capacità, induttanza, leggi di Ohm e Kirchoff).

Elementi di Elettronica Analogica
Generatori di tensione e di corrente, impedenza DC e AC (in campo complesso, fasori), filtri in frequenza, componenti non lineari (diodo, transistor), amplificatore operazionale e applicazioni, controllore PID (Proportional-Integral-Derivative). Cenni al concetto di funzione di trasferimento.

Acquisizione ed elaborazione dei segnali
Condizionamento e campionamento del segnale, rumore, amplificatore lock-in. Amplificazione e attenuazione, filtraggio, somma e differenza con segnale di riferimento, integrazione e linearizzazione, conversione di una corrente/tensione in un segnale in tensione/corrente, conversione di una frequenza in un segnale di tensione. Cenni di elettronica digitale, Analog to Digital Converter (ADC). Schede di acquisizione e controllo di uso più comune. La scheda open source Arduino (verrà utilizzata per la realizzazione del progetto di Laboratorio) e la programmazione del microcontroller.

Strumentazione Fisica
Descrizione e cenni al funzionamento dei principali strumenti utilizzati in un laboratorio di Fisica Sperimentale come sorgenti di eccitazione, sensori passivi e attivi (termometri, estensimetri, sensori capacitivi, sensori induttivi, termocoppie, sensori fotoelettrici e fotovoltaici, sensori piezoelettrici, sensori a effetto Hall, ecc.) e trasduttori, oscilloscopio, filtri ottici e monocromatori, sistemi per il vuoto e il freddo, ecc. Nel Corso si presenterà una selezione di questi argomenti in funzione del progetto che gli studenti dovranno realizzare.

Esercitazioni di Laboratorio
Le prime ore di attività saranno dedicate a mostrare il funzionamento degli strumenti di base (multimetri, oscilloscopio) affinché tutti gli studenti acquisiscano una sufficiente confidenza nel loro impiego. Si passerà poi alla progettazione e realizzazione di un semplice sistema di misura e controllo. L’argomento del progetto potrà essere proposto dal docente o dagli studenti compatibilmente alla strumentazione disponibile nei Laboratori Didattici ed eventualmente nei Laboratori di Ricerca del Dipartimento. Si elencano alcuni esempi di progetto:
• sistema “intelligente” di illuminazione a LED con controllo della corrente e del flusso luminoso sulla base dell’illuminazione e della temperatura ambientali, dello stato di invecchiamento del LED, ecc.;
• sistema di pilotaggio in corrente per l’accensione di un diodo laser con onda quadra e segnale impulsato
• sistema di monitoraggio e controllo della temperatura in un ambiente chiuso;
• sistema TAC;
• campionamento in frequenza (risonanza)

Bibliografia

G.V. Pallottino, “Appunti di elettronica” (http://www.phys.uniroma1.it/DipWeb/web_disp/d2/CD2a_web.html)
P. Horowitz, W. Hill "The Art of Electronics", Cambridge University Press, 2011
A. S. Sedra, K. C. Smith, “Circuiti per la Microelettronica”, EdiSES, Napoli, 2005
R.C. Jaeger, “Microelettronica”, Mc Graw-Hill, 2013
M. Banzi, "Arduino: La guida ufficiale", Tecniche Nuove, 2009
Dispense e materiale cartaceo ed elettronico forniti dal docente.

Per quanto riguarda la strumentazione da utilizzare per le esercitazioni si farà riferimento al materiale e ai manuali presenti nei Laboratori Didatti e, occasionalmente, nei Laboratori di Ricerca del Dipartimento.

Metodi didattici

Le lezioni frontali (4 CFU equivalenti a 28 ore di lezione frontale) serviranno ad introdurre gli argomenti indispensabili alla progettazione di un esperimento che verrà poi realizzato nei Laboratori Didattici (2CFU equivalenti a 24 ore di attività di esercitazione in laboratorio). L’attività di Laboratorio sarà svolta in gruppi di 2-3 persone e si concluderà con la stesura di una relazione.

Modalità verifica apprendimento

Il singolo studente verrà valutato al termine del corso mediante un colloquio che avrà come argomenti i contenuti esposti durante il corso e la presentazione del progetto realizzato in Laboratorio. Durante la prova orale lo studente presenterà la relazione conclusiva sull’attività di laboratorio che dovrà contenere:
• la descrizione dell’obiettivo dell’esperimento;
• la fase progettuale e lo schema a blocchi;
• elencare la strumentazione utilizzata e motivarne la scelta;
• descrivere le modalità di acquisizione dati;
• grafici e tabelle riportanti i risultati salienti dell’esperimento con relativi errori di misura;
• discussione dei risultati;
• difficoltà riscontrate nella realizzazione del progetto;
• eventuali miglioramenti da apportare al progetto.
Lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito competenze sull’utilizzo della strumentazione e delle tecniche di misura e analisi di Laboratorio.
La valutazione complessiva terrà conto dei risultati del colloquio e dell’attività effettivamente svolta dal singolo studente nella realizzazione del progetto all’interno del suo gruppo di lavoro.

Altre informazioni

Possibilità di ampliamento del programma in base alle esigenze specifiche degli studenti.