Il metodo di collaudo non avrebbe funzionato. Lo abbiamo scoperto prima di costruirlo

Il contesto

Il cliente produce un sensore di campo elettrico che lavora immerso. In produzione serviva un test rapido per dire se ogni sensore funziona, senza immergerlo e senza dipendere dall’elettronica del prodotto finale. In aria, però, le grandezze in gioco sono minuscole: capacità di pochi picofarad. Il sensore è destinato a un sistema mission critical, e per questo il banco doveva rispettare tolleranze strette.

Il problema

Il metodo previsto nell’offerta iniziale sembrava ragionevole sulla carta: usare la catena di misura esistente e confrontare la risposta con una soglia. Prima di progettare qualsiasi scheda abbiamo fatto una campagna di misure con strumenti commerciali, costruito un modello circuitale del sensore e analizzato i modi di guasto.

Il risultato era chiaro: quel metodo non avrebbe distinto in modo affidabile un sensore buono da uno guasto. Le capacità parassite del cavo erano dello stesso ordine di grandezza del segnale da misurare. Lo abbiamo detto subito al cliente, con i dati.

Le scelte tecniche, e perché

Un ponte auto-bilanciato con amplificatore a transimpedenza. È la stessa architettura dei misuratori LCR da laboratorio: mantiene il sensore a massa virtuale e misura la corrente che lo attraversa. Per capacità così piccole è molto più stabile di un amplificatore di carica.

Cavo triassiale con active guard. Lo schermo intermedio è pilotato alla stessa tensione del conduttore centrale, quindi la capacità del cavo non porta corrente e sparisce dalla misura. È questo che rende ripetibile la misura sui picofarad.

Demodulazione I/Q. Separando la componente in fase da quella in quadratura distinguiamo la capacità dalle perdite: un sensore guasto non cambia solo “quanto” misura, ma anche “come”.

Generazione del segnale sul microcontrollore. Un DDS su STM32U5, con interpolazione polifase calcolata dall’acceleratore hardware FMAC, produce una sinusoide pulita a più frequenze senza un generatore esterno e senza caricare la CPU.

Misura su più frequenze. La capacità viene stimata su più frequenze e confrontata: un difetto si riconosce anche dal modo in cui la risposta cambia con la frequenza.

Come l’abbiamo verificato

• Simulazione SPICE del front-end prima del layout.
• Campagne di misura con strumenti di laboratorio pilotati via SCPI, per confrontare metodo e prototipo in modo ripetibile.
• Software desktop con test automatici sull’elaborazione dei dati.

Il risultato

Le prestazioni stimate dall’analisi del circuito sono un’accuratezza di circa 1,4% senza calibrazione, contro il 4,2% richiesto, e una risoluzione di 10 fF o meglio, contro i 50 fF richiesti, con un margine del 42% sulla soglia di accettazione.

Il valore più grande, però, è arrivato all’inizio: il cliente ha investito in un metodo che funziona, invece di scoprire in produzione che il collaudo non distingueva i pezzi buoni da quelli guasti.

Cosa portiamo nei vostri progetti

Front-end analogici di misura, elaborazione del segnale sul microcontrollore, banchi di collaudo automatici, e l’abitudine di verificare un’idea con le misure prima di costruirla.