FISICA

LAUREA TRIENNALE

STRUMENTAZIONE FISICA

Docenti: 
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA SPERIMENTALE (FIS/01)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Anno di corso: 
3
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Al termine del Corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- conoscere i contenuti di base dell'elettronica analogica, il funzionamento dei principali dispositivi elettronici (giunione pn, transistor, MOSFET), elementi di base della fisica dello stato solido;
- saper progettare un sistema di misura e controllo per una grandezza fisica (project work);
- saper realizzare e gestire il prototipo sulla base del progetto;
- saper individuare i punti critici del funzionamento del prototipo;
- saper comunicare le modalità di funzionamento del prototipo.

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 (3 CFU equivalenti a 21 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 Laboratorio (3 CFU equivalenti a 36 ore) 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

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

Lezione: presentazione degli argomenti indispensabili alla progettazione di un prototipo per la misura e il controllo (project work). Parte delle lezioni vengono svolte alla lavagna, parte con proiezione di slide. Verranno caricati su Elly i video riassuntivi con i contenuti principali di ogni lezione. In caso di necessità le lezioni si svolgeranno in modalità a distanza sincrona.

Esercitazione: svolgimento di alcuni esempi numerici finalizzati alla progettazione di parti del prototipo. Verranno caricati su Elly alcuni esempi numerici risolti in formati differenti (testo, foglio excel, video con soluzione di esempi).

Pratica guidata: finalizzata al corretto utilizzo della strumentazione disponibile in laboratorio. Nel caso non fosse possibile effettuare l'attività di laboratorio in presenza si predisporranno attività da svolgere online con la presenza del docente e utilizzando materiale low cost facilmente recuperabile dagli studenti.

Project work: progettazione, realizzazione e test del prototipo. Nel caso non fosse possibile effettuare l'attività di laboratorio in presenza si predisporranno attività da svolgere online con la presenza del docente e utilizzando materiale low cost facilmente recuperabile dagli studenti.

Gli argomenti teorici vengono presentati in aula (fisica o virtuale) e, al termine di ogni lezione, il docente carica le dispense (per quanto riguarda la parte svolta alla lavagna), le slide proiettate a lezione ed eventuale materiale integrativo sulla pagina Elly del corso. Buona parte del materiale è facilmente reperibile in rete o sui testi di riferimento indicati alla voce "Testi di riferimento".
Ogni attività di laboratorio viene svolta secondo la traccia fornita dal docente in forma di scheda guidata all'inizio di ogni sessione di attività (pratica guidata). Ogni gruppo consegna, al termine di ogni sessione di laboratorio, la scheda debitamente compilata.
Il Project Work viene normalmente effettuato in gruppo dopo una discussione di fattibilità con il docente.

Tutto il materiale o parte di esso può essere richiesto direttamente al docente scrivendo a maura.pavesi@unipr.it.

Le attività si svolgeranno in presenza.

Modalità verifica apprendimento

Prova orale: il singolo studente verrà valutato al termine del corso mediante un colloquio che avrà come argomenti i contenuti esposti durante il corso e la discussione critica del project work. 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 sommativa terrà conto dei risultati della prova orale e dell'esercitazione pratica in laboratorio effettivamente svolta dal singolo studente nella realizzazione del progetto all’interno del suo gruppo di lavoro. Nella valutazione finale si adottano i seguenti pesi: 40% padronanza nel controllo del prototipo e nell'esposizione del progetto, 40% padronanza dei contenuti del corso e capacità di utilizzarli in alcuni esempi pratici di progettazione di un esperimento, 20% valutazione del lavoro del gruppo e del contributo dello studente all'interno del gruppo. I risultati della valutazione saranno restituiti al termine della prova orale.

In caso di necessità la prova orale si svolgerà online su piattaforma Teams.

Altre informazioni

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

Alcuni esempi di project work: https://smfi.unipr.it/it/Strumentazione-Fisica