Tipos de Transductor

Transductores: Definición, Funcións e Clasificación

Un transductor é un dispositivo electrónico que xoga un papel crucial na conversión de cantidades físicas en sinais eléctricos. Serve dúas funcións fundamentais: detección e transdución. Primeiro, detecta a cantidade física de interese, como a temperatura, a presión ou o desprazamento. Despois, transforma esta cantidade física en traballo mecánico ou, máis comúnmente, nun sinal eléctrico que pode medirse, procesarse e analizarse facilmente.

Existen moitos tipos de transductores e poden clasificarse segundo varios criterios distintos:

• Segundo o Mecanismo de Transdución Empregado: Esta clasificación centrase nos procesos físicos ou químicos específicos polos que o transductor converte a cantidade física de entrada nunha saída eléctrica. Diferentes mecanismos de transdución están adaptados a diferentes tipos de medidas e aplicacións, permitindo unha detección precisa e fiable a lo largo dun amplo espectro de fenómenos físicos.

• Como Transductores Primarios e Secundarios: Un transductor primario converte directamente a cantidade física medida nun sinal eléctrico. En contraste, un transductor secundario funciona en conxunto cun transductor primario, modificando ou procesando adicionalmente o sinal eléctrico xerado polo dispositivo primario para mellorar a súa utilidade ou precisión.

• Como Transductores Pasivos e Activos: Os transductores pasivos dependen dunha fonte de enerxía externa para funcionar e prodúcen un sinal de saída que é función da cantidade física de entrada e da enerxía aplicada. Os transductores activos, por outro lado, contén a súa propia fonte de enerxía e poden xerar un sinal de saída sen necesidade dunha fonte de enerxía externa, ofrecendo frecuentemente maior sensibilidade e forza do sinal.

• Como Transductores Analóxicos e Digitais: Os transductores analóxicos prodúcen un sinal de saída que varía continuamente coa cantidade física de entrada, xeralmente na forma dun voltaxe ou corrente. Os transductores dixitais, en contraste, converte a cantidade de entrada nun sinal dixital discreto, que é máis fácil de procesar, almacenar e transmitir usando sistemas electrónicos e informáticos dixitais modernos.

• Como Transductores e Transductores Inversos: Un transductor estándar converte unha cantidade física nun sinal eléctrico. Un transductor inverso, ao contrario, toma un sinal eléctrico como entrada e o converte de volta nunha cantidade física, revertindo eficazmente o proceso dun transductor tradicional. Este concepto é útil en aplicacións onde se require control eléctrico para xerar unha resposta física específica.

En operación, un transductor recibe o mensurando —a cantidade física que se mide— e produce un sinal de saída proporcional á magnitude da entrada. Este sinal de saída entón transmite a un dispositivo de condicionamento de sinais. Aquí, o sinal sufre unha serie de procesos, incluíndo atenuación (axustando a amplitud do sinal), filtrado (eliminando ruido ou frecuencias indeseadas) e modulación (codificando o sinal para unha mellor transmisión ou procesamiento). Estes pasos aseguran que o sinal final estea nunha forma óptima para análise, visualización ou operacións de control subsecuentes.

A cantidade de entrada dun transductor é tipicamente unha cantidade non eléctrica, mentres que o sinal eléctrico de saída pode estar na forma de corrente, voltaxe ou frecuencia.

1. Clasificación segundo o Princípio de Transdución

Os transductores poden clasificarse segundo o medio de transdución que utilizan. O medio de transdución pode ser resistivo, inductivo ou capacitivo. Esta clasificación determinase polo proceso de conversión mediante o cal o transductor de entrada transforma o sinal de entrada en resistencia, inductancia ou capacitancia respectivamente. Cada tipo de medio de transdución ten as súas propias características únicas e é axeitado para diferentes aplicacións de medida, permitindo a conversión precisa de varias cantidades físicas en sinais eléctricos.

2. Transductores Primarios e Secundarios

• Transductor Primario
  Un transductor adoita compor tanto componentes mecánicos como eléctricos. A parte mecánica do transductor é responsable de converter as cantidades físicas de entrada nun sinal mecánico. Esta componente mecánica denomínase transductor primario. Actúa como o elemento de detección inicial, interactuando directamente coa cantidade física que se mide, como a presión, a temperatura ou o desprazamento, e convertiéndola nunha forma mecánica que pode procesarse adicionalmente.

• Transductor Secundario
  O transductor secundario toma o sinal mecánico xerado polo transductor primario e o converte nun sinal eléctrico. A magnitude do sinal eléctrico de saída relacionase directamente coas características do sinal mecánico de entrada. De esta forma, o transductor secundario conecta os dominios mecánico e eléctrico, facendo posible medir e analizar a cantidade física orixinal utilizando técnicas de medida e procesamento eléctricas.

Exemplo de Transductores Primarios e Secundarios

Tomemos o Tubo de Bourdon, como se ilustra na figura a seguir, como exemplo. O Tubo de Bourdon funciona como un transductor primario. Está deseñado para detectar presión e convertila en un desprazamento no seu extremo libre. Cando se aplica presión ao tubo, a súa forma deforma, causando que o extremo libre se mova. Este desprazamento actúa como a entrada para a seguinte etapa do sistema.

O movemento do extremo libre do Tubo de Bourdon causa que o núcleo dun Transformador de Desprazamento Variable Linear (LVDT) se desplace. A medida que o núcleo se move dentro do LVDT, induce un voltaxe de saída. Este voltaxe inducido é directamente proporcional ao desprazamento do extremo libre do tubo, e, consecuentemente, á presión orixinal aplicada ao Tubo de Bourdon.

No caso do sistema Tubo de Bourdon - LVDT, ocorren dous procesos de transdución distintos. Primeiro, a transdución primaria ten lugar cando o Tubo de Bourdon converte a presión en desprazamento. Despois, a transdución secundaria ocorre cando o LVDT converte este desprazamento nun sinal de voltaxe eléctrico. Este exemplo demostra claramente como os transductores primarios e secundarios traballan en conxunto para medir e converter precisamente unha cantidade física nunha saída eléctrica para análise e uso posteriores.

O Tubo de Bourdon serve como o transductor primario, mentres que o L.V.D.T. (Transformador de Desprazamento Variable Linear) funciona como o transductor secundario.

3. Transductores Pasivos e Activos

Os transductores tamén poden categorizarse en tipos activos e pasivos, cada un coas súas propias características operativas.

Transductores Pasivos

Un transductor pasivo é aquel que depende dunha fonte de enerxía externa para funcionar, polo que tamén se chama transductor alimentado externamente. Os transductores capacitivos, resistentivos e inductivos son exemplos típicos de transductores pasivos. Estes transductores funcionan modificando unha propiedade eléctrica (como a resistencia, a capacitancia ou a inductancia) en resposta á cantidade física de entrada. Pero non xeran a súa propia enerxía eléctrica; en cambio, requiren unha fonte de enerxía externa para producir un sinal de saída mensurable que reflicta o cambio na cantidade física que se mide.

Transductores Activos

En contraste, un transductor activo non necesita unha fonte de enerxía externa para funcionar. Estes transductores son autogeneradores, o que significa que poden xerar o seu propio voltaxe ou corrente de saída. O sinal de saída dun transductor activo derívase directamente da cantidade física de entrada. Os transductores activos son capaces de converter diversos fenómenos físicos, como a velocidade, a temperatura, a forza e a intensidade luminosa, en sinais eléctricos sen depender dunha entrada de enerxía externa. Exemplos de transductores activos inclúen cristais piezoeléctricos, células fotovoltaicas, tacx xenadores e termopares.

Exemplo: Cristal Piezoeléctrico

Para ilustrar o funcionamento dun transductor activo, consideremos un cristal piezoeléctrico. Un cristal piezoeléctrico adoita estar sandwichado entre dous electrodos metálicos, e todo o ensamblaxe está seguramente afianzado a unha base. Entón, colócase unha masa sobre esta estrutura sandwichada.

Os cristais piezoeléctricos posúen unha propiedade única: cando se aplica unha forza a eles, xeran un voltaxe eléctrico. No montaxe descrito, a base pode experimentar aceleración, que causa que a masa exerta unha forza sobre o cristal. Esta forza, a súa vez, induce un voltaxe de saída a través do cristal. A magnitude deste voltaxe de saída é directamente proporcional á aceleración experimentada pola base, convirtendo efectivamente a aceleración mecánica nun sinal eléctrico. Este exemplo demostra claramente como os transductores activos poden xerar saídas eléctricas baseándose en entradas físicas, destacando a súa funcionalidade distinta comparada cos transductores pasivos.

O transductor mencionado anteriormente coñécese como un acelerómetro, deseñado para converter a aceleración nun voltaxe eléctrico. Notablemente, este tipo de transductor opera sen necesidade de ningunha fonte de enerxía auxiliar durante a conversión da cantidade física nun sinal eléctrico, destacando a súa natureza autosuficiente na xeración de sinais.

4. Transductores Analóxicos e Digitais

Os transductores tamén poden categorizarse segundo a natureza dos seus sinais de saída, que poden ser continuos ou discretos.

Transductores Analóxicos

Un transductor analóxico transforma a cantidade de entrada nunha función continua. Isto significa que o sinal de saída varía suavemente e continuamente en resposta aos cambios na entrada. Exemplos de transductores analóxicos inclúen extensómetros, Transformadores de Desprazamento Variable Lineal (LVDTs), termopares e termistores. Estes dispositivos son ampliamente utilizados en diversas aplicacións onde se require unha representación proporcional e continua da cantidade física medida, como en sistemas de medida de precisión e control de procesos industriais.

Transductores Digitais

Os transductores dixitais, por outro lado, converte a cantidade de entrada nun sinal dixital, xeralmente na forma de pulsos. Os sinais dixitais funcionan baseándose en estados binarios, representando información como "alto" ou "baixo" niveis de potencia. Este formato de saída dixital ofrece varias vantaxes, incluíndo unha maior inmunidade ao ruido, unha integración máis sinxela con electrónica e sistemas informáticos dixitais, e un procesamento e almacenamento de datos máis straightforward. Os transductores dixitais están sendo cada vez máis adoptados en sistemas modernos de medida e control debido á prevalencia das tecnoloxías dixitais.

5. Transductores e Transductores Inversos

Transductores

Un transductor defineuse como un dispositivo que converte cantidades non eléctricas en cantidades eléctricas. Este proceso de conversión permite a medida, monitorización e control de diversos fenómenos físicos, como a temperatura, a presión, o desprazamento e a forza, utilizando técnicas de medida e procesamento eléctricas. Os transductores xogan un papel crucial en un amplo rango de aplicacións, desde a automatización industrial ata a investigación científica e a electrónica de consumo.

Transductores Inversos

Os transductores inversos realizan a función oposta aos transductores tradicionais. Convertem cantidades eléctricas de volta en cantidades físicas. Estes transductores xeralmente teñen unha alta entrada eléctrica e unha correspondente baixa saída non eléctrica. Os transductores inversos empreganse en aplicacións onde os sinais eléctricos necesitan traducirse en accións ou respostas físicas, como en certos tipos de actuadores e sistemas de control. O concepto de transductores inversos proporciona un medio para pechar o bucle entre o control eléctrico e a operación física, facilitando un control máis complexo e preciso de sistemas mecánicos e físicos.