Төрлүүд нь Transducer
تبدیل‌کننده‌ها: تعریف، عملکرد و طبقه‌بندی
تبدیل‌کننده یک دستگاه الکترونیکی است که نقش مهمی در تبدیل مقادیر فیزیکی به سیگنال‌های الکتریکی ایفا می‌کند. این دستگاه دو عملکرد اساسی دارد: تشخیص و تبدیل. ابتدا، مقدار فیزیکی مورد نظر مانند دما، فشار یا جابجایی را شناسایی می‌کند. سپس، این مقدار فیزیکی را به کار مکانیکی یا بطور معمول به یک سیگنال الکتریکی که می‌تواند به آسانی اندازه‌گیری، پردازش و تحلیل شود، تبدیل می‌کند.
تبدیل‌کننده‌ها در انواع مختلفی موجود هستند و می‌توانند بر اساس معیارهای مختلف طبقه‌بندی شوند:
براساس مکانیسم تبدیل استفاده شده: این طبقه‌بندی بر روی فرآیندهای فیزیکی یا شیمیایی خاصی که تبدیل‌کننده با آن‌ها مقدار فیزیکی ورودی را به یک خروجی الکتریکی تبدیل می‌کند، تمرکز دارد. مکانیسم‌های تبدیل مختلف برای اندازه‌گیری‌ها و کاربردهای مختلف سفارشی شده‌اند که امکان تشخیص دقیق و قابل اعتماد در طیف گسترده‌ای از پدیده‌های فیزیکی را فراهم می‌کند.
به عنوان تبدیل‌کننده‌های اصلی و ثانویه: یک تبدیل‌کننده اصلی به طور مستقیم مقدار فیزیکی اندازه‌گیری شده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. در مقابل، یک تبدیل‌کننده ثانویه با یک تبدیل‌کننده اصلی همراه کار می‌کند و سیگنال الکتریکی تولید شده توسط دستگاه اصلی را برای افزایش قابلیت استفاده یا دقت آن مجدداً اصلاح یا پردازش می‌کند.
به عنوان تبدیل‌کننده‌های غیرفعال و فعال: تبدیل‌کننده‌های غیرفعال برای کار به منبع تغذیه خارجی نیاز دارند و سیگنال خروجی تولید شده تابعی از مقدار فیزیکی ورودی و توان اعمال شده است. در مقابل، تبدیل‌کننده‌های فعال دارای منبع تغذیه خود هستند و می‌توانند بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی سیگنال خروجی تولید کنند، اغلب حساسیت و قدرت سیگنال بیشتری ارائه می‌دهند.
به عنوان تبدیل‌کننده‌های آنالوگ و دیجیتال: تبدیل‌کننده‌های آنالوگ سیگنال خروجی تولید می‌کنند که به طور مداوم با مقدار فیزیکی ورودی تغییر می‌کند، معمولاً به صورت ولتاژ یا جریان. در مقابل، تبدیل‌کننده‌های دیجیتال مقدار ورودی را به یک سیگنال دیجیتال گسسته تبدیل می‌کنند که با استفاده از الکترونیک و سیستم‌های محاسباتی دیجیتال مدرن به آسانی پردازش، ذخیره و انتقال می‌شود.
به عنوان تبدیل‌کننده‌ها و تبدیل‌کننده‌های معکوس: یک تبدیل‌کننده استاندارد یک مقدار فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. در مقابل، یک تبدیل‌کننده معکوس یک سیگنال الکتریکی را به عنوان ورودی می‌گیرد و آن را به یک مقدار فیزیکی تبدیل می‌کند، به طور موثر فرآیند یک تبدیل‌کننده سنتی را معکوس می‌کند. این مفهوم در کاربردهایی که کنترل الکتریکی برای تولید یک پاسخ فیزیکی خاص لازم است، مفید است.
در عمل، یک تبدیل‌کننده مقدار مورد اندازه‌گیری - مقدار فیزیکی مورد اندازه‌گیری - را دریافت می‌کند و یک سیگنال خروجی تولید می‌کند که متناسب با اندازه ورودی است. سپس این سیگنال خروجی به دستگاه تنظیم سیگنال منتقل می‌شود. در اینجا، سیگنال طی چندین فرآیند شامل تضعیف (تنظیم دامنه سیگنال)، فیلتر (حذف نویز یا فرکانس‌های ناخواسته) و مدولاسیون (رمزگذاری سیگنال برای انتقال یا پردازش بهتر) می‌گذرد. این مراحل اطمینان می‌دهند که سیگنال نهایی به شکل بهینه‌ای برای تحلیل، نمایش یا عملیات کنترل بعدی است.
مقدار ورودی یک تبدیل‌کننده معمولاً یک مقدار غیر الکتریکی است، در حالی که سیگنال خروجی الکتریکی می‌تواند به صورت جریان، ولتاژ یا فرکانس باشد.
1. طبقه‌بندی براساس اصل تبدیل
تبدیل‌کننده‌ها می‌توانند بر اساس میانگیر تبدیل که استفاده می‌کنند طبقه‌بندی شوند. میانگیر تبدیل می‌تواند مقاومتی، القایی یا ظرفیتی باشد. این طبقه‌بندی بر اساس فرآیند تبدیل که تبدیل‌کننده ورودی سیگنال را به مقاومت، القای یا ظرفیت تبدیل می‌کند تعیین می‌شود. هر نوع میانگیر تبدیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارد و برای کاربردهای مختلف اندازه‌گیری مناسب است که امکان تبدیل دقیق انواع مختلف مقادیر فیزیکی به سیگنال‌های الکتریکی را فراهم می‌کند.
2. تبدیل‌کننده‌های اصلی و ثانویه
تبدیل‌کننده اصلی
یک تبدیل‌کننده معمولاً شامل مؤلفه‌های مکانیکی و الکتریکی است. بخش مکانیکی تبدیل‌کننده مسئول تبدیل مقادیر فیزیکی ورودی به یک سیگنال مکانیکی است. این مؤلفه مکانیکی به عنوان تبدیل‌کننده اصلی شناخته می‌شود. این مؤلفه به عنوان عنصر تشخیص اولیه عمل می‌کند، به طور مستقیم با مقدار فیزیکی مورد اندازه‌گیری مانند فشار، دما یا جابجایی تعامل می‌کند و آن را به یک شکل مکانیکی تبدیل می‌کند که می‌تواند مورد پردازش قرار گیرد.تبدیل‌کننده ثانویه
تبدیل‌کننده ثانویه سیگنال مکانیکی تولید شده توسط تبدیل‌کننده اصلی را می‌گیرد و آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. مقدار سیگنال خروجی الکتریکی به طور مستقیم مرتبط با ویژگی‌های سیگنال مکانیکی ورودی است. به این ترتیب، تبدیل‌کننده ثانویه شکاف بین دامنه‌های مکانیکی و الکتریکی را پوشش می‌دهد و امکان اندازه‌گیری و تحلیل مقدار فیزیکی اصلی را با استفاده از تکنیک‌های اندازه‌گیری و پردازش الکتریکی فراهم می‌کند.
مثال از تبدیل‌کننده‌های اصلی و ثانویه
به عنوان مثال، لوله بوردون را که در شکل زیر نشان داده شده است، در نظر بگیرید. لوله بوردون به عنوان یک تبدیل‌کننده اصلی عمل می‌کند. این لوله طراحی شده است تا فشار را تشخیص دهد و آن را به یک جابجایی در انتهای آزاد خود تبدیل کند. وقتی فشار به لوله اعمال می‌شود، شکل آن تغییر می‌کند و انتهای آزاد آن حرکت می‌کند. این جابجایی سپس به عنوان ورودی مرحله بعدی سیستم عمل می‌کند.
حرکت انتهای آزاد لوله بوردون باعث جابجایی هسته یک تبدیل‌کننده جابجایی خطی متغیر (LVDT) می‌شود. هنگامی که هسته در LVDT حرکت می‌کند، ولتاژ خروجی القای می‌شود. این ولتاژ القایی به طور مستقیم متناسب با جابجایی انتهای آزاد لوله و بنابراین با فشار اولیه اعمال شده به لوله بوردون است.
در مورد سیستم لوله بوردون - LVDT، دو فرآیند تبدیل مجزا رخ می‌دهد. ابتدا، تبدیل اصلی زمانی رخ می‌دهد که لوله بوردون فشار را به جابجایی تبدیل می‌کند. سپس، تبدیل ثانویه زمانی رخ می‌دهد که LVDT این جابجایی را به یک سیگنال ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کند. این مثال به طور واضح نشان می‌دهد که چگونه تبدیل‌کننده‌های اصلی و ثانویه به طور همزمان برای اندازه‌گیری و تبدیل دقیق یک مقدار فیزیکی به یک خروجی الکتریکی برای تحلیل و استفاده بعدی کار می‌کنند.
لوله بوردون به عنوان تبدیل‌کننده اصلی عمل می‌کند، در حالی که L.V.D.T. (تبدیل‌کننده جابجایی خطی متغیر) به عنوان تبدیل‌کننده ثانویه عمل می‌کند.
3. تبدیل‌کننده‌های غیرفعال و فعال
تبدیل‌کننده‌ها می‌توانند به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم‌بندی شوند، هر کدام با ویژگی‌های عملیاتی متمایز.
تبدیل‌کننده‌های غیرفعال
یک تبدیل‌کننده غیرفعال یک دستگاه است که برای کار به منبع تغذیه خارجی نیاز دارد، به همین دلیل به آن تبدیل‌کننده تغذیه خارجی نیز گفته می‌شود. تبدیل‌کننده‌های ظرفیتی، مقاومتی و القایی نمونه‌هایی از تبدیل‌کننده‌های غیرفعال هستند. این تبدیل‌کننده‌ها با تغییر یک ویژگی الکتریکی (مانند مقاومت، ظرفیت یا القای) در پاسخ به مقدار فیزیکی ورودی کار می‌کنند. اما آن‌ها خود سیگنال الکتریکی تولید نمی‌کنند؛ بلکه به منبع تغذیه خارجی نیاز دارند تا سیگنال خروجی قابل اندازه‌گیری تولید کنند که تغییر در مقدار فیزیکی مورد اندازه‌گیری را نشان می‌دهد.
تبدیل‌کننده‌های فعال
در مقابل، یک تبدیل‌کننده فعال نیازی به منبع تغذیه خارجی برای عملکرد ندارد. این تبدیل‌کننده‌ها خود تولید کننده هستند، یعنی می‌توانند ولتاژ یا جریان خروجی خود تولید کنند. سیگنال خروجی یک تبدیل‌کننده فعال به طور مستقیم از مقدار فیزیکی ورودی مشتق می‌شود. تبدیل‌کننده‌های فعال قادر به تبدیل انواع مختلف پدیده‌های فیزیکی مانند سرعت، دما، نیرو و شدت نور به سیگنال‌های الکتریکی بدون استفاده از تغذیه خارجی هستند. نمونه‌هایی از تبدیل‌کننده‌های فعال شامل بلورهای پیزوئlektrik، سلول‌های فوتولکتریک، تاکوژنراتورها و ترموكوپل‌ها هستند.
مثال: بلور پیزوئlektrik
برای نشان دادن عملکرد یک تبدیل‌کننده فعال، به یک بلور پیزوئlektrik فکر کنید. یک بلور پیزوئlektrik معمولاً بین دو الکترود فلزی قرار می‌گیرد و کل ساختار به یک پایه محکم متصل می‌شود. سپس یک جرم روی این ساختار قرار می‌گیرد.
بلورهای پیزوئlektrik ویژگی منحصر به فردی دارند: هنگامی که نیرویی به آن‌ها اعمال می‌شود، ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند. در ساختار توصیف شده، پایه می‌تواند شتاب ببیند که باعث می‌شود جرم نیرویی را به بلور وارد کند. این نیرو، به نوبه خود، ولتاژ خروجی در بلور القاء می‌کند. مقدار این ولتاژ خروجی به طور مستقیم متناسب با شتاب تجربه شده توسط پایه است، به طور موثر شتاب مکانیکی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این مثال به طور واضح نشان می‌دهد که چگونه تبدیل‌کننده‌های فعال می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی خود را بر اساس ورودی‌های فیزیکی تولید کنند، که ویژگی‌های عملکردی متمایز آن‌ها را نسبت به تبدیل‌کننده‌های غیرفعال برجسته می‌کند.
تبدیل‌کننده فوق به عنوان یک شتاب‌سنج شناخته می‌شود که برای تبدیل شتاب به ولتاژ الکتریکی طراحی شده است. باید توجه داشت که این نوع تبدیل‌کننده در تبدیل مقدار فیزیکی به سیگنال الکتریکی بدون نیاز به هیچ منبع تغذیه کمکی عمل می‌کند، که خودکاری آن در تولید سیگنال را نشان می‌دهد.
4. تبدیل‌کننده‌های آنالوگ و دیجیتال
تبدیل‌کننده‌ها می‌توانند بر اساس ماهیت سیگنال‌های خروجی خود، که می‌تواند پیوسته یا گسسته باشد، طبقه‌بندی شوند.
تبدیل‌کننده‌های آنالوگ
یک تبدیل‌کننده آنالوگ مقدار ورودی را به یک تابع پیوسته تبدیل می‌کند. این بدان معناست که سیگنال خروجی به طور نرم و پیوسته در پاسخ به تغییرات مقدار ورودی تغییر می‌کند. نمونه‌هایی از تبدیل‌کننده‌های آنالوگ شامل گیج‌های کششی، تبدیل‌کننده‌های جابجایی خطی متغیر (LVDTs)، ترموكوپل‌ها و ترمیستورها هستند. این دستگاه‌ها در کاربردهای مختلفی که نیاز به نمایش متناسب و پیوسته از مقدار فیزیکی مورد اندازه‌گیری دارند، مانند سیستم‌های اندازه‌گیری دقیق و کنترل فرآیند صنعتی، به طور گسترده استفاده می‌شوند.
تبدیل‌کننده‌های دیجیتال
در مقابل، تبدیل‌کننده‌های دیجیتال مقدار ورودی را به یک سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کنند، معمولاً به صورت پالس‌ها. سیگنال‌های دیجیتال بر اساس حالت‌های دودویی کار می‌کنند، اطلاعات را به صورت "بالا" یا "پایین" نمایش می‌دهند. این فرمت خروجی دیجیتال مزایای مختلفی از جمله مقاومت بیشتر در برابر نویز، ادغام آسان‌تر با الکترونیک و سیستم‌های محاسباتی دیجیتال، و پردازش و ذخیره‌سازی داده‌ها به راحتی ارائه می‌دهد. تبدیل‌کننده‌های دیجیتال به دلیل فراگیری تکنولوژی‌های دیجیتال در سیستم‌های اندازه‌گیری و کنترل مدرن به طور گسترده‌ای پذیرفته شده‌اند.
5. تبدیل‌کننده‌ها و تبدیل‌کننده‌های معکوس
تبدیل‌کننده‌ها
یک تبدیل‌کننده به عنوان یک دستگاه تعریف می‌شود که مقادیر غیر الکتریکی را به مقادیر الکتریکی تبدیل می‌کند. این فرآیند تبدیل امکان اندازه‌گیری، نظارت و کنترل انواع مختلف پدیده‌های فیزیکی مانند دما، فشار، جابجایی و نیرو را با استفاده از تکنیک‌های اندازه‌گیری و پردازش الکتریکی فراهم می‌کند. تبدیل‌کننده‌ها در محدوده گسترده‌ای از کاربردها از اتوماسیون صنعتی تا تحقیقات علمی و الکترونیک مصرف‌کننده نقش مهمی ایفا می‌کنند.
تبدیل‌کننده‌های معکوس
تبدیل‌کننده‌های معکوس عملکرد مخالف تبدیل‌کننده‌های سنتی را انجام می‌دهند. آن‌ها مقادیر الکتریکی را به مقادیر فیزیکی تبدیل می‌کنند. این تبدیل‌کننده‌ها معمولاً دارای ورودی الکتریکی بالا و خروجی غیر الکتریکی پایین هستند. تبدیل‌کننده‌های معکوس در کاربردهایی که نیاز است سیگنال‌های الکتریکی به عملیات یا پاسخ‌های فیزیکی تبدیل شوند، مانند برخی انواع آکچوئیتورها و سیستم‌های کنترل، استفاده می‌شوند. مفهوم تبدیل‌کننده‌های معکوس امکان بستن حلقه بین کنترل الکتریکی و عملیات فیزیکی را فراهم می‌کند که به کنترل پیچیده‌تر و دقیق‌تر سیستم‌های مکانیکی و فیزیکی کمک می‌کند.
