Tipus de transductor

Transductors: Definició, Funcions i Classificació

Un transductor és un dispositiu electrònic que desempenya un paper crucial en la conversió de quantitats físiques en senyals elèctrics. Té dues funcions fonamentals: la detecció i la transducció. Primer, detecta la quantitat física d'interès, com ara la temperatura, la pressió o el desplaçament. Després, transforma aquesta quantitat física en treball mecànic o, més sovint, en un senyal elèctric que es pot mesurar, processar i analitzar fàcilment.

Els transductors existeixen en una gran varietat de tipus i es poden classificar segons diversos criteris diferents:

• Segons el Mecanisme de Transducció Utilitzat: Aquesta classificació es centra en els processos físics o químics específics pels quals el transductor converteix la quantitat física d'entrada en una sortida elèctrica. Diferents mecanismes de transducció estan adaptats a diferents tipus de mesuraments i aplicacions, permetent una detecció precisa i fiable a través d'un ampli espectre de fenòmens físics.

• Com a Transductors Primaris i Secundaris: Un transductor primari converteix directament la quantitat física mesurada en un senyal elèctric. En canvi, un transductor secundari treballa en conjunció amb un transductor primari, modificant o processant el senyal elèctric generat pel dispositiu primari per millorar-ne l'ús o la precisió.

• Com a Transductors Passius i Actius: Els transductors passius depenen d'una font d'energia externa per funcionar i produeixen un senyal de sortida que és una funció de la quantitat física d'entrada i la potència aplicada. En canvi, els transductors actius contenen la seva pròpia font d'energia i poden generar un senyal de sortida sense necessitat d'una font d'energia externa, sovint proporcionant una major sensibilitat i força del senyal.

• Com a Transductors Analògics i Digitals: Els transductors analògics produeixen un senyal de sortida que varia de manera contínua amb la quantitat física d'entrada, típicament en forma de tensió o corrent. En canvi, els transductors digitals converteixen la quantitat d'entrada en un senyal digital discret, que és més fàcil de processar, emmagatzemar i transmetre utilitzant sistemes electrònics i informàtics digitals moderns.

• Com a Transductors i Transductors Inversos: Un transductor estàndard converteix una quantitat física en un senyal elèctric. Un transductor invers, en canvi, pren un senyal elèctric com a entrada i el converteix de nou en una quantitat física, revertint efectivament el procés d'un transductor tradicional. Aquest concepte és útil en aplicacions on es requereix control elèctric per generar una resposta física específica.

En operació, un transductor rep el measurand—la quantitat física que s'està mesurant—i produeix un senyal de sortida que és proporcional a la magnitud de la entrada. Aquest senyal de sortida es transmet llavors a un dispositiu de condicionament de senyal. Aquí, el senyal passa per una sèrie de processos, incloent l'atenuació (ajustant l'amplitud del senyal), la filtració (eliminant soroll o freqüències no desitjades) i la modulació (codificant el senyal per una millor transmissió o processament). Aquests passos asseguren que el senyal final estigui en una forma òptima per a anàlisis, visualització o operacions de control posteriors.

La quantitat d'entrada d'un transductor és típicament una quantitat no elèctrica, mentre que el senyal de sortida elèctric pot ser en forma de corrent, tensió o freqüència.

1. Classificació segons el Principi de Transducció

Els transductors es poden classificar segons el mitjà de transducció que utilitzen. El mitjà de transducció pot ser resistiu, inductiu o capacitif. Aquesta classificació es determina pel procés de conversió a través del qual el transductor d'entrada transforma el senyal d'entrada en resistència, inductància o capacitància respectivament. Cada tipus de mitjà de transducció té les seves pròpies característiques úniques i és adequat per a diferents aplicacions de mesura, permetent la conversió precisa de diverses quantitats físiques en senyals elèctrics.

2. Transductors Primaris i Secundaris

• Transductor Primari
  Un transductor sovint inclou components mecànics i elèctrics. La part mecànica del transductor és responsable de convertir les quantitats físiques d'entrada en un senyal mecànic. Aquest component mecànic es coneix com a transductor primari. Actua com a element sensorial inicial, interaccionant directament amb la quantitat física que s'està mesurant, com ara la pressió, la temperatura o el desplaçament, i la converteix en una forma mecànica que es pot processar més endavant.

• Transductor Secundari
  El transductor secundari pren el senyal mecànic generat pel transductor primari i ho converteix en un senyal elèctric. La magnitud del senyal elèctric de sortida està directament relacionada amb les característiques del senyal mecànic d'entrada. D'aquesta manera, el transductor secundari fa de pont entre els dominis mecànic i elèctric, facilitant la mesura i l'anàlisi de la quantitat física original utilitzant tècniques de mesura i processament elèctrics.

Exemple de Transductors Primaris i Secundaris

Prenem com a exemple el Tub de Bourdon, il·lustrat a continuació. El Tub de Bourdon funciona com a transductor primari. Està dissenyat per detectar la pressió i convertir-la en un desplaçament al seu extrem lliure. Quan es li aplica pressió al tub, la seva forma es deforma, causant el moviment de l'extrem lliure. Aquest desplaçament llavors actua com a entrada per a la següent etapa del sistema.

El moviment de l'extrem lliure del Tub de Bourdon fa que el nucli d'un Transformador Lineal de Desplaçament Variable (LVDT) es desplaçi. Com el nucli es mou dins el LVDT, induix una tensió de sortida. Aquesta tensió induïda és directament proporcional al desplaçament de l'extrem lliure del tub, i, per tant, a la pressió original aplicada al Tub de Bourdon.

En el cas del sistema Tub de Bourdon - LVDT, ocorren dos processos de transducció diferents. Primer, la transducció primària ocorre quan el Tub de Bourdon converteix la pressió en desplaçament. Llavors, la transducció secundària ocorre quan el LVDT converteix aquest desplaçament en un senyal de tensió elèctric. Aquest exemple demostra clarament com els transductors primaris i secundaris treballen juntament per mesurar i convertir una quantitat física en una sortida elèctrica per a l'anàlisi i l'ús posteriors.

El Tub de Bourdon serveix com a transductor primari, mentre que el L.V.D.T. (Transformador Lineal de Desplaçament Variable) funciona com a transductor secundari.

3. Transductors Passius i Actius

Els transductors també es poden categoritzar en tipus actius i passius, cadascun amb característiques operatives distintes.

Transductors Passius

Un transductor passiu és aquell que depèn d'una font d'energia externa per funcionar, pel que també es coneix com a transductor alimentat externament. Els transductors capacitius, resistius i inductius són exemples típics de transductors passius. Aquests transductors funcionen modificant una propietat elèctrica (com la resistència, la capacitància o la inductància) en resposta a la quantitat física d'entrada. No obstant això, no generen la seva pròpia energia elèctrica; en lloc d'això, necessiten una font d'energia externa per produir un senyal de sortida mesurable que reflecteixi el canvi en la quantitat física que s'està mesurant.

Transductors Actius

En canvi, un transductor actiu no necessita una font d'energia externa per a la seva operació. Aquests transductors són auto-generadors, és a dir, poden produir la seva pròpia tensió o corrent de sortida. El senyal de sortida d'un transductor actiu es deriva directament de la quantitat física d'entrada. Els transductors actius són capaços de convertir diversos fenòmens físics, com la velocitat, la temperatura, la força i la intensitat de llum, en senyals elèctrics sense depenir d'una entrada d'energia externa. Exemples de transductors actius inclouen cristalls piezelèctrics, cèl·lules fotovoltàiques, tachogeneradors i termopars.

Exemple: Cristall Piezelèctric

Per il·lustrar el funcionament d'un transductor actiu, considerem un cristall piezelèctric. Un cristall piezelèctric normalment està situat entre dos electrodos metàl·lics, i tot l'ensamblat està fixat segurament a una base. Es col·loca una massa sobre aquesta estructura en sandwich.

Els cristalls piezelèctrics tenen una propietat única: quan es li aplica una força, generen una tensió elèctrica. En la configuració descrita, la base pot experimentar acceleració, provocant que la massa exerça una força sobre el cristall. Aquesta força, a la vegada, induix una tensió de sortida a través del cristall. La magnitud d'aquesta tensió de sortida és directament proporcional a l'acceleració experimentada per la base, convertint efectivament l'acceleració mecànica en un senyal elèctric. Aquest exemple demostra clarament com els transductors actius poden generar senyals elèctrics basats en entrades físiques, ressaltant la seva funcionalitat distinta comparada amb els transductors passius.

El transductor mencionat anteriorment és conegut com a acceleròmetre, que està dissenyat per convertir l'acceleració en una tensió elèctrica. Notablement, aquest tipus de transductor opera sense necessitat de cap font d'energia auxiliar durant la conversió de la quantitat física en un senyal elèctric, mostrant la seva naturalesa autònom en la generació de senyals.

4. Transductors Analògics i Digitals

Els transductors també es poden categoritzar segons la naturalesa dels seus senyals de sortida, que poden ser contínus o discrets.

Transductors Analògics

Un transductor analògic transforma la quantitat d'entrada en una funció contínua. Això significa que el senyal de sortida varia suavement i de manera contínua en resposta a canvis en la entrada. Exemples de transductors analògics inclouen gauges de deformació, Transformadors Lineals de Desplaçament Variable (LVDTs), termopars i termistors. Aquests dispositius s'utilitzen ampliament en diverses aplicacions on es requereix una representació proporcional i contínua de la quantitat física mesurada, com en sistemes de mesura de precisió i control de processos industrials.

Transductors Digitals

En canvi, els transductors digitals converteixen la quantitat d'entrada en un senyal digital, típicament en forma de pulsos. Els senyals digitals operen basant-se en estats binaris, representant informació com "alt" o "baix" nivells de potència. Aquest format de sortida digital ofereix diversos avantatges, incloent una major immunitat al soroll, una integració més fàcil amb electrònica i sistemes informàtics digitals, i un processament i emmagatzematge de dades més straightforward. Els transductors digitals es van adoptant cada cop més en sistemes moderns de mesura i control degut a la prevalença de tecnologies digitals.

5. Transductors i Transductors Inversos

Transductors

Un transductor es defineix com un dispositiu que converteix quantitats no elèctriques en quantitats elèctriques. Aquest procés de conversió permet la mesura, monitorització i control de diversos fenòmens físics, com la temperatura, la pressió, el desplaçament i la força, utilitzant tècniques de mesura i processament elèctriques. Els transductors juguen un paper crucial en una àmplia gamma d'aplicacions, des de l'automatització industrial fins a la recerca científica i la electrònica de consum.

Transductors Inversos

Els transductors inversos realitzen la funció contrària als transductors tradicionals. Converteixen quantitats elèctriques en quantitats físiques. Aquests transductors solen tenir una alta entrada elèctrica i una baixa sortida no elèctrica. S'utilitzen en aplicacions on els senyals elèctrics necessiten ser traduïts en accions o respostes físiques, com en certs tipus d'actuadors i sistemes de control. El concepte de transductors inversos proporciona un mitjà per tancar el bucle entre el control elèctric i l'operació física, facilitant un control més complex i precís de sistemes mecànics i físics.