Przewodnikowy przetwornik

Definicja i funkcja przetworników oporowych

Definicja: Przetwornik oporowy to rodzaj przetwornika, w którym opór zmienia się w odpowiedzi na wpływy środowiskowe. Zmiana oporu może być mierzona za pomocą urządzeń pomiarowych prądu zmiennego (AC) lub stałego (DC). Ten uniwersalny przetwornik jest wykorzystywany do pomiaru różnych wielkości fizycznych, takich jak temperatura, przemieszczenie i drgania.

Dokładne pomiar wielkości fizycznych może być skomplikowanym zadaniem. Przetworniki oporowe upraszczają ten proces, konwertując wielkości fizyczne na zmienne opory, które mogą być łatwo zmierzone przez urządzenia elektryczne. Zasada zmiany oporu znalazła szerokie zastosowanie w licznych ustawieniach przemysłowych, umożliwiając precyzyjne monitorowanie i kontrolę różnorodnych parametrów.

Przetworniki oporowe mogą działać jako przetworniki podstawowe lub wtórne. Jako przetwornik podstawowy przekształcają wielkości fizyczne w sygnały mechaniczne. W roli przetwornika wtórnego bezpośrednio przekształcają te sygnały mechaniczne lub inne sygnały wejściowe w sygnały elektryczne, ułatwiając dalszą obróbkę i analizę.

Przykład: Przetwornik oporowy suwakowy

Rozważmy obwód przetwornika oporowego suwakowego, jak pokazano na poniższym rysunku. W tym układzie kontakty suwakowe są umieszczone na elementzie oporowym. Suwak jest zaprojektowany do poziomego przesuwania. Gdy suwak się porusza, modyfikuje wartość oporu elementu oporowego przetwornika. Ta zmiana oporu jest następnie wykrywana i mierzona przez źródło napięcia oznaczone jako E. Ten prosty, ale skuteczny mechanizm pokazuje, jak przetworniki oporowe mogą przekształcać ruch mechaniczny (formę przemieszczenia) w sygnał elektryczny, który można zmierzyć i wykorzystać do różnych celów, takich jak czujniki pozycji w automatyce lub systemach sterowania.

Przetworniki oporowe: Konwersja sygnałów, zalety i zasada działania
Konwersja sygnałów

W przetworniku oporowym przemieszczenie suwaka jest efektywnie przekształcane w sygnał elektryczny. Ten proces konwersji pozwala na kwantyfikację i analizę fizycznych ruchów, co sprawia, że przetworniki oporowe są bardzo przydatne w szerokim zakresie zastosowań pomiarowych.

Zalety przetworników oporowych

Przetworniki oporowe oferują wiele znaczących korzyści, które przyczyniają się do ich szerokiego zastosowania w różnych branżach:

• Uniwersalna zdolność pomiarowa: Systemy prądu zmiennego (AC) i stałego (DC), zarówno wykorzystujące prąd, jak i napięcie, są dobrze przystosowane do pomiaru zmiennej wartości oporu tych przetworników. Ta elastyczność umożliwia łatwe integrowanie z różnorodnymi układami elektrycznymi, ułatwiając łatwe wdrożenie do istniejących systemów pomiarowych i sterujących.

• Szybka reakcja: Przetworniki oporowe charakteryzują się szybkimi czasami reakcji. Mogą szybko wykrywać i reagować na zmiany mierzonej wielkości fizycznej, dostarczając niemal natychmiastowej informacji zwrotnej. Ta szybkość jest kluczowa w zastosowaniach, gdzie ważne są dokładne i szybkie pomiary, takich jak systemy dynamicznego monitorowania i sterowania.

• Szeroki zakres opcji: Dostępne w szerokim asortymencie rozmiarów, przetworniki oporowe mogą być dostosowane do różnych ograniczeń przestrzennych i wymagań aplikacyjnych. Ponadto oferują szeroki zakres oporów, co pozwala na pomiar szerokiego spektrum wielkości fizycznych o różnych wielkościach. Ta elastyczność w rozmiarze i zakresie oporów sprawia, że są one elastycznym wyborem dla wielu zastosowań inżynieryjnych i naukowych.

Zasada działania przetworników oporowych

Zasada działania elementów przetwornikowych oporowych opiera się na fundamentalnym związku między oporem elektrycznym, długością przewodnika i jego przekrojem poprzecznym. Dokładniej, opór elementu przetwornikowego jest proporcjonalny do długości przewodnika i odwrotnie proporcjonalny do jego przekroju poprzecznego. Gdy na przetwornik działają zmiany fizyczne, takie jak przemieszczenie lub wahania temperatury, powodują one odpowiadające im zmiany w długości lub przekroju poprzecznym elementu oporowego. Te zmiany, z kolei, powodują modyfikacje wartości oporu, które mogą być zmierzone i skorelowane z oryginalną mierzoną wielkością fizyczną.

Gdzie R – opór w omach.

• A – przekrój poprzeczny przewodnika w metrach kwadratowych.

• L – Długość przewodnika w metrach.

• ρ – rezystywność materiału przewodnika w om metrach.

Przetwornik oporowy jest zaprojektowany, biorąc pod uwagę zmiany długości, przekroju i rezystywności metalu.

Zastosowania przetworników oporowych

Przetworniki oporowe odgrywają kluczową rolę w różnych dziedzinach dzięki swojej zdolności konwertowania wielkości fizycznych na sygnały elektryczne, wykorzystując zmiany oporu. Oto niektóre z ich kluczowych zastosowań:

Potencjometry

Oba typy potencjometrów, translacyjne i rotacyjne, są przykładami przetworników oporowych. W tych urządzeniach, gdy zmienia się pozycja styka (kontaktu suwakowego), efektywna długość elementu oporowego, którą przepływa prąd elektryczny, również się zmienia. Ponieważ opór jest proporcjonalny do długości przewodnika (zgodnie ze wzorem R =ρL/A), ta zmiana długości powoduje odpowiadającą jej zmianę oporu. Ta cecha sprawia, że potencjometry są bardzo skuteczne w pomiarach przemieszczenia, czy to ruch liniowy w przypadku potencjometrów translacyjnych, czy ruch obrotowy w przypadku potencjometrów rotacyjnych. Są szeroko stosowane w zastosowaniach, takich jak joy-sticki do konsoli gier, czujniki pozycji w ramionach robotycznych i regulatory głośności w sprzęcie audio.

Czujniki odkształcenia

Czujniki odkształcenia wykorzystują efekt piezorezystywny, w którym opór półprzewodnika lub materiału metalicznego w czujniku zmienia się, gdy zostanie na niego nałożone naprężenie mechaniczne. Gdy siła zewnętrzna powoduje deformację lub naprężenie materiału czujnika, modyfikuje on strukturę fizyczną na poziomie atomowym, co z kolei zmienia opór elektryczny. Dokładne pomiar tej zmiany oporu pozwala inżynierom dokładnie określić parametry, takie jak ciśnienie, siła i przemieszczenie. Czujniki odkształcenia są szeroko stosowane w branżach, takich jak lotnictwo do monitorowania kondycji konstrukcyjnej samolotów, w inżynierii motoryzacyjnej do pomiaru sił działających na komponenty silników, oraz w inżynierii budowlanej do oceny naprężeń na mostach i budynkach.

Termometry oporowe

Nazywane również Detektorami Temperatury Oporności (RTD), termometry oporowe działają na zasadzie, że opór elektryczny metali zmienia się predykowalnie w zależności od zmian temperatury. Różne metale mają specyficzne charakterystyki temperatury-oporu, a kalibracja tego związku pozwala na dokładne pomiary temperatury. RTD są preferowane w zastosowaniach, gdzie niezbędna jest precyzyjna kontrola temperatury, takich jak procesy produkcyjne w przemyśle, laboratoria badawcze i środowiska klimatyzowane. Ofiarują one doskonałą stabilność, powtarzalność i szeroki zakres pomiarowy, co czyni je niezawodnym wyborem do zadań pomiaru temperatury.

Termistory

Termistory opierają się na zasadzie, że współczynnik temperaturowy ich materiału znacznie się zmienia w zależności od temperatury. W przeciwieństwie do wielu metali, termistory zwykle mają ujemny współczynnik temperaturowy (NTC). Oznacza to, że w miarę wzrostu temperatury, opór termistora maleje w sposób odwrotnie proporcjonalny. Termistory są ekstremalnie wrażliwe na zmiany temperatury, co pozwala na szybkie i dokładne pomiary temperatury. Są szeroko stosowane w zastosowaniach, gdzie wymagane są małe rozmiary, wysoka wrażliwość i krótkie czasy reakcji, takich jak termostaty w sprzęcie domowym, czujniki temperatury w systemach chłodzenia komputerów i urządzenia medyczne do monitorowania temperatury ciała.

Podsumowując, różne sposoby, w jakie opór metali i innych materiałów zmienia się w odpowiedzi na zjawiska fizyczne, stanowią podstawę zastosowań przetworników oporowych. Ta unikalna właściwość umożliwia dokładne pomiary i monitorowanie szerokiego zakresu wielkości fizycznych, co sprawia, że przetworniki oporowe są niezwykle ważnymi elementami w nowoczesnych systemach pomiarowych i sterujących.