Typer af transducer

Transducere: Definition, Funktioner og Klassifikation

En transducer er en elektronisk enhed, der spiller en afgørende rolle i at konvertere fysiske størrelser til elektriske signaler. Den har to grundlæggende funktioner: sensorik og transduktion. Først detekterer den den ønskede fysiske størrelse, såsom temperatur, tryk eller forskydning. Derefter omdanner den denne fysiske størrelse enten til mekanisk arbejde eller, mere almindeligt, til et elektrisk signal, der kan måles, bearbejdes og analyseres med let.

Transducere kommer i mange forskellige typer og kan inddeles efter flere forskellige kriterier:

• Baseret på den anvendte transduktionsmekanisme: Denne klassificering fokuserer på de specifikke fysiske eller kemiske processer, som transduceren bruger til at konvertere den indgående fysiske størrelse til et elektrisk output. Forskellige transduktionsmekanismer er tilpasset forskellige typer målinger og anvendelser, hvilket gør præcis og pålidelig sensorik mulig over et bredt spektrum af fysiske fænomener.

• Som primære og sekundære transducere: En primær transducer konverterer direkte den målte fysiske størrelse til et elektrisk signal. I modsætning hertil arbejder en sekundær transducer sammen med en primær transducer, yderligere modificerer eller behandler det elektriske signal, der genereres af den primære enhed, for at forbedre dets anvendelighed eller præcision.

• Som passive og aktive transducere: Passive transducere er afhængige af en ekstern strømforsyning for at fungere og producerer et outputsignal, der er en funktion af den indgående fysiske størrelse og den anvendte strøm. Aktive transducere, derimod, indeholder deres egen strømforsyning og kan generere et outputsignal uden behov for en ekstern strømforsyning, ofte med større følsomhed og signalkraft.

• Som analoge og digitale transducere: Analog transducere producerer et outputsignal, der varierer kontinuerligt med den indgående fysiske størrelse, typisk i form af en spænding eller strøm. Digitale transducere, derimod, konverterer den indgående størrelse til et diskret digitalt signal, hvilket er lettere at bearbejde, gemme og sende ved hjælp af moderne digitale elektronik og computersystemer.

• Som transducere og inverse transducere: En standard transducer konverterer en fysisk størrelse til et elektrisk signal. En invers transducer, omvendt, tager et elektrisk signal som input og konverterer det tilbage til en fysisk størrelse, effektivt reverserer processen for en traditionel transducer. Dette koncept er nyttigt i applikationer, hvor elektrisk kontrol er nødvendig for at generere en bestemt fysisk respons.

I drift modtager en transducer den mæssurand - den fysiske størrelse, der måles - og producerer et outputsignal, der er proportional med inputmagnituden. Dette outputsignal transmitteres derefter til en signalbetingelsesenhed. Her undergår signalet en række processer, herunder dæmpning (justering af signalets amplitud), filtrering (fjernelse af uønsket støj eller frekvenser) og modulation (kodning af signalet for bedre transmission eller bearbejdning). Disse trin sikrer, at det endelige signal er i optimal form til efterfølgende analyse, visning eller kontroloperationer.

Den indgående størrelse for en transducer er typisk en ikke-elektrisk størrelse, mens det elektriske outputsignal kan være i form af strøm, spænding eller frekvens.

1. Klassifikation baseret på transduktionsprincippet

Transducere kan inddeles ifølge den transduktionsmedium, de anvender. Transduktionsmediumet kan være resistivt, induktivt eller kapacitivt. Denne klassificering fastsættes af konverteringsprocessen, gennem hvilken den indgående transducer omdanner inputsignalet til resistance, induktance eller kapacitance henholdsvis. Hver type transduktionsmedium har sine egne unikke karakteristika og er egnet til forskellige målingsapplikationer, hvilket gør det muligt at konvertere forskellige fysiske størrelser til elektriske signaler præcist.

2. Primære og sekundære transducere

• Primær Transducer
  En transducer indeholder ofte både mekaniske og elektriske komponenter. Den mekaniske del af transduceren er ansvarlig for at konvertere fysiske inputstørrelser til et mekanisk signal. Denne mekaniske komponent kaldes den primære transducer. Den fungerer som den initielle sensor, interagerer direkte med den fysiske størrelse, der måles, såsom tryk, temperatur eller forskydning, og konverterer det til en mekanisk form, der kan viderebearbejdes.

• Sekundær Transducer
  Den sekundære transducer tager det mekaniske signal, der genereres af den primære transducer, og konverterer det til et elektrisk signal. Magnituden af det udgående elektriske signal er direkte relateret til karakteristikkerne af det indgående mekaniske signal. På denne måde danner den sekundære transducer bro mellem de mekaniske og elektriske domæner, gør det muligt at måle og analysere den originale fysiske størrelse ved hjælp af elektriske målings- og bearbejdningsteknikker.

Eksempel på primære og sekundære transducere

Tag Bourdon's Rør, som vist på figuren nedenfor, som eksempel. Bourdon's Rør fungerer som en primær transducer. Det er designet til at opdage tryk og konvertere det til en forskydning ved sin frie ende. Når tryk påføres røret, ændrer det form, hvilket får den frie ende til at bevæge sig. Denne forskydning virker som input til næste fase i systemet.

Bevægelsen af den frie ende af Bourdon's Rør forårsager, at kernen i en Lineær Variabel Forskydnings Transformer (LVDT) skifter. Da kernen bevæger sig inden for LVDT, inducerer det en udgangsspænding. Denne inducerede spænding er direkte proportional med forskydningen af rørets frie ende, og dermed, med det oprindelige tryk, der blev påført Bourdon's Rør.

I tilfældet Bourdon's Rør - LVDT-system forekommer der to distinkte transduktionsprocesser. Først finder den primære transduktion sted, når Bourdon's Rør konverterer tryk til forskydning. Derefter finder den sekundære transduktion sted, da LVDT konverterer denne forskydning til et elektrisk spændningssignal. Dette eksempel demonstrerer klart, hvordan primære og sekundære transducere samarbejder for at præcist måle og konvertere en fysisk størrelse til et elektrisk output til yderligere analyse og brug.

Bourdon's Rør fungerer som den primære transducer, mens L.V.D.T. (Lineær Variabel Forskydnings Transformer) fungerer som den sekundære transducer.

3. Passive og aktive transducere

Transducere kan også inddeles i aktive og passive typer, hver med deres egne operationelle karakteristika.

Passive Transducere

En passiv transducer er en, der er afhængig af en ekstern strømforsyning for at fungere, hvilket er grunden til, at den også kaldes en eksternt-strømforsynet transducer. Kapacitive, resistive og induktive transducere er typiske eksempler på passive transducere. Disse transducere fungerer ved at ændre en elektrisk egenskab (som resistance, kapacitance eller induktance) i respons på den indgående fysiske størrelse. De genererer imidlertid ikke deres egen elektriske energi; i stedet kræver de en ekstern strømforsyning for at producere et målbart outputsignal, der afspejler ændringen i den fysiske størrelse, der måles.

Aktive Transducere

I modsætning hertil kræver en aktiv transducer ikke en ekstern strømforsyning for at fungere. Disse transducere er selvgenererende, hvilket betyder, at de kan producere deres egen spænding eller strømoutput. Outputsignalet fra en aktiv transducer er direkte afledt fra den indgående fysiske størrelse. Aktive transducere er i stand til at konvertere forskellige fysiske fænomener, såsom hastighed, temperatur, kraft og lysintensitet, til elektriske signaler uden at være afhængige af en ekstern strømforsyning. Eksempler på aktive transducere inkluderer piezoelektriske kristaller, fotovoltaiske celler, tachogeneratører og termopar.

Eksempel: Piezoelektrisk Kristal

For at illustrere funktionen af en aktiv transducer, betragt et piezoelektrisk kristal. Et piezoelektrisk kristal er typisk placeret mellem to metalliske elektroder, og hele anordningen er solidt fastgjort til en base. Der placeres derefter en masse oven på denne sandwich-struktur.

Piezoelektriske kristaller har en unik egenskab: når der påføres en kraft, genererer de en elektrisk spænding. I den beskrevne opsætning kan basen opleve acceleration, hvilket forårsager, at massen påfører en kraft på kristallet. Denne kraft inducerer derefter en udgangsspænding over kristallet. Magnituden af denne udgangsspænding er direkte proportional med accelerationen, som basen oplever, effektivt konverterer mekanisk acceleration til et elektrisk signal. Dette eksempel demonstrerer klart, hvordan aktive transducere kan selv-generere elektriske outputs baseret på fysiske inputs, fremhæver deres distinkte funktionalitet i forhold til passive transducere.

Den nevnte transducer kaldes en accelerometer, der er designet til at konvertere acceleration til en elektrisk spænding. Bemærkelsesværdigt er, at denne type transducer opererer uden behov for en hjælpestropperingskilde under konverteringen af den fysiske størrelse til et elektrisk signal, demonstrerer dens selvstændige natur i signalgenerering.

4. Analog og Digitale Transducere

Transducere kan også inddeles baseret på naturen af deres outputsignaler, som kan være enten kontinuerte eller diskrete.

Analog Transducere

En analog transducer omdanner inputstørrelsen til en kontinuerlig funktion. Dette betyder, at outputsignalet varierer glat og kontinuerligt i respons til ændringer i inputtet. Eksempler på analoge transducere inkluderer spændingsmåler, Lineære Variable Forskydnings Transformatorer (LVDT'er), termopar og termister. Disse enheder anvendes bredt i forskellige applikationer, hvor en proportional og kontinuerlig repræsentation af den målte fysiske størrelse er nødvendig, såsom i præcisionsmålingssystemer og industrielle proceskontrolsystemer.

Digitale Transducere

Digitale transducere, derimod, konverterer inputstørrelsen til et digitalt signal, typisk i form af pulser. Digitale signaler fungerer baseret på binære tilstande, repræsenterer information som enten "høj" eller "lav" strømniveauer. Denne digitale outputformat tilbyder flere fordele, herunder forbedret immunmodstand mod støj, nemmere integration med digitale elektronik og computersystemer, samt mere retlinjet data behandling og lagring. Digitale transducere bliver stadig mere anvendt i moderne måling og kontrolsystemer på grund af prævalensen af digitale teknologier.

5. Transducere og Inverse Transducere

Transducere

En transducer defineres som en enhed, der konverterer ikke-elektriske størrelser til elektriske størrelser. Denne konverteringsproces gør det muligt at måle, overvåge og kontrollere forskellige fysiske fænomener, såsom temperatur, tryk, forskydning og kraft, ved hjælp af elektriske målings- og bearbejdningsteknikker. Transducere spiller en afgørende rolle i en lang række applikationer, fra industriel automatisering til videnskabelig forskning og forbrugerelektronik.

Inverse Transducere

Inverse transducere udfører den modsatte funktion af traditionelle transducere. De konverterer elektriske størrelser tilbage til fysiske størrelser. Disse transducere har typisk en høj elektrisk input og en tilsvarende lav ikke-elektrisk output. Inverse transducere anvendes i applikationer, hvor elektriske signaler skal oversættes til fysiske handlinger eller respons, såsom i visse typer aktuatorer og kontrolsystemer. Konceptet om inverse transducere giver mulighed for at lukke kredsløbet mellem elektrisk kontrol og fysisk operation, gør det muligt at udføre mere kompleks og præcis kontrol af mekaniske og fysiske systemer.