Riassunto analitico
Negli ultimi anni, i sensori elettromagnetici, grazie alla loro alta precisione e basso costo, sono stati sempre più utilizzati in molti campi. In questo lavoro di tesi, l'attenzione è stata focalizzata sullo sviluppo di un sensore capacitivo per il rilevamento del livello e il monitoraggio dello stato di riempimento dei materiali delle colture all'interno delle macchine agricole.
Dopo un'analisi approfondita dello stato dell'arte dei sensori di livello e della possibile soluzione da utilizzare, è stato scelto il sensore capacitivo co-planare interdigitale. In letteratura, questa topologia di rilevamento è stata utilizzata per la caratterizzazione della permittività dielettrica di liquidi, umidità e gas. Tuttavia, il suo principio di funzionamento può essere sfruttato ai fini di questa tesi. In effetti, questo tipo di sensori può essere modellato per soddisfare i requisiti di sensibilità del campione in prova. Inoltre, questa è una soluzione planare che può essere realizzata su un PCB a basso costo pur mantenendo un basso ingombro.
Innanzitutto, è stato condotto uno studio teorico e numerico sulle proprietà elettriche dei materiali campione. Quindi, attraverso simulazioni numeriche, il sensore è stato progettato tenendo conto delle caratteristiche del campione e della sensibilità dell'elettronica front-end.
Infine, è stato realizzato un prototipo e misurazioni sperimentali sono state eseguite in un ambiente realistico. Le misurazioni mostrano risultati soddisfacenti in termini di sensibilità al livello di altezza del campione di colture.
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Abstract
During the last years, electromagnetic sensors, due to their high precision and low cost, have been increasingly used in many fields. In this thesis work, the attention has been focused on the development of a capacitive sensor for level detection and monitoring of the filling status of crop materials within agricultural machines.
After an in-depth analysis of the state of the art of level sensors and the possible solution to be employed, the interdigital co-planar capacitive sensor has been chosen. In literature, this sensing topology has been used for dielectric permittivity characterization of liquids, moistures, and gasses. Nevertheless, its working principle can be exploited for the purpose of this thesis. In fact, this type of sensors can be shaped to fulfil the sensitivity requirements of the sample under test. Furthermore, this is a planar solution that can be realized on a low-cost PCB while maintaining a low encumbrance.
First, a theoretical and numerical study on the electrical properties of the sample materials has been conducted. Then, through numerical simulations, the sensor has been designed by taking into account the sample characteristics and the front-end electronics sensitivity.
Finally, a prototype has been realized and experimental measurements have been carried out in a realistic environment. The measurements show satisfactory results in term of height level sensitivity of the crop sample.
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