Transzducerek típusai

Transzducerek: Definíció, Függvények és Osztályozás

A transzduker egy elektromos eszköz, amely alapvető szerepet játszik fizikai mennyiségek átalakításában elektrikus jelre. Két alapvető függvényt lát el: érzékelést és transzdukciót. Először is, észleli az érdeklődésre méltó fizikai mennyiséget, például a hőmérsékletet, nyomást vagy elmozdulást. Ezután ezt a fizikai mennyiséget átalakítja mechanikai munkává, de gyakrabban elektrikus jelre, amely könnyen mérhető, feldolgozható és elemzhető.

A transzducerek sokféle típusúak, és több különböző kritérium szerint oszthatók csoportokba:

• A Transzdukciós Mechanizmus Alapján: Ez az osztályozás a transzduker által használt konkrét fizikai vagy kémiai folyamatokra összpontosít, amelyekkel a bemeneti fizikai mennyiséget elektrikus kimenetre alakítja. A különböző transzdukciós mechanizmusok különböző típusú mérésekhez és alkalmazásokhoz igazodnak, lehetővé téve a pontos és megbízható érzékelést széles spektrumú fizikai jelenségeknél.

• Prím és Szekundáris Transzducerek: A prím transzduker közvetlenül a mérni kívánt fizikai mennyiséget elektrikus jelre alakítja. Ellenben a szekundáris transzduker együttműködik a prím transzdukerrel, tovább módosítva vagy feldolgozva a prím eszköz által generált elektrikus jelet, hogy növelje a használhatóságát vagy a pontosságát.

• Passzív és Aktív Transzducerek: A passzív transzducerek külső energiaforrást használnak a működéshez, és olyan kimeneti jelet állítanak elő, ami a bemeneti fizikai mennyiség és az alkalmazott energia függvénye. Az aktív transzducerek, másrészről, saját energiaforrásukat tartalmazzák, és anélkül, hogy külső energiaforrást használnának, képesek elektromos jel kimenetet előállítani, gyakran nagyobb érzékenységgel és jel erejével.

• Analog és Digitális Transzducerek: Az analog transzducerek olyan kimeneti jelet állítanak elő, ami folyamatosan változik a bemeneti fizikai mennyiséggel, általában feszültség vagy áram formájában. A digitális transzducerek, ellenben, a bemeneti mennyiséget diszkrét digitális jellé alakítják, ami könnyebb feldolgozását, tárolását és továbbítását teszi lehetővé modern digitális elektronika és számítógépes rendszerekkel.

• Transzducerek és Inverz Transzducerek: A standard transzduker fizikai mennyiséget alakít át elektrikus jelre. Az inverz transzduker, ellenben, elektrikus jelből indul ki, és visszaalakítja azt fizikai mennyiséggé, hatással a hagyományos transzduker folyamatának megfordítására. Ez a fogalom hasznos olyan alkalmazásokban, ahol elektromos irányítás szükséges a bizonyos fizikai válasz generálásához.

A működés során a transzduker a mérőt, a mérni kívánt fizikai mennyiséget kapja, és arányos kimeneti jelet állít elő a bemenet nagyságával. Ez a kimeneti jel ezután továbbítódik egy jelkondicionáló eszközre. Itt a jel átesik egy sor folyamaton, beleértve a csillapítást (a jel amplitúdójának beállítása), a szűrését (a nem kívánt zaj vagy frekvenciák eltávolítása) és a modulációt (a jel kódolása jobb továbbítás vagy feldolgozás érdekében). Ezek a lépések garantálják, hogy a végső jel optimális formában legyen a további elemzés, megjelenítés vagy irányítási műveletekhez.

A transzduker bemeneti mennyisége általában nem-elektromos, míg a kimeneti elektromos jel áram, feszültség vagy frekvencia formájában adódhat.

1. Osztályozás a Transzdukciós Elv Alapján

A transzducerek osztályozhatók a használt transzdukciós médium alapján. A transzdukciós médium rezisztív, induktív vagy kapacitív lehet. Ez az osztályozás a bemeneti transzduker általi bemeneti jel átalakításának folyamatán alapul, amely rezisztancia, induktancia vagy kapacitancia formájában történik. Minden transzdukciós médiumnak saját unikális jellemzői vannak, és különböző mérési alkalmazásokhoz alkalmas, lehetővé téve a különböző fizikai mennyiségek pontos átalakítását elektrikus jelekbe.

2. Prím és Szekundáris Transzducerek

• Prím Transzduker
  A transzduker gyakran tartalmaz mechanikai és elektromos komponenseket is. A transzduker mechanikai része felelős a fizikai bemeneti mennyiségek átalakításáért mechanikus jelre. Ez a mechanikai komponens a prím transzdukernek nevezik. Ő az első érzékelőelem, közvetlenül interakcióba lép a mérni kívánt fizikai mennyiséggel, mint például a nyomás, hőmérséklet vagy elmozdulás, és átalakítja azt mechanikus formába, amit tovább tud feldolgozni.

• Szekundáris Transzduker
  A szekundáris transzduker a prím transzduker által generált mechanikus jelet átalakítja elektrikus jelre. A kimeneti elektromos jel nagysága közvetlenül kapcsolódik a bemeneti mechanikus jel jellemzőihez. Így a szekundáris transzduker kötgeti a mechanikai és elektromos területeket, lehetővé téve a mérni kívánt fizikai mennyiség mérését és elemzését elektromos mérési és feldolgozási technikákkal.

Prím és Szekundáris Transzducerek Példája

Vegyük példaként a Bourdon csövet, ahogy az az alábbi ábrán látható. A Bourdon cső a prím transzduker. Úgy van kialakítva, hogy nyomást érzékel, és átalakítja azt elmozdulásba a szabad végén. Amikor nyomás hat a csőre, az alakja megváltozik, és a szabad vég mozdul. Ez az elmozdulás a rendszer következő szakaszának bemenete lesz.

A Bourdon cső szabad végének mozgása elmozdítja a Lineáris Változó Elmozdulású Transzformátor (LVDT) magját. Ahogy a mag mozog a LVDT-ben, eredő feszültséget indít. Ez a feszültség közvetlenül arányos a cső szabad végének elmozdulásával, és így a Bourdon csőre ható eredeti nyomással is.

A Bourdon cső - LVDT rendszer esetében két különálló transzdukciós folyamat történik. Először, a prím transzdukció akkor történik, amikor a Bourdon cső a nyomást elmozdulássá alakítja. Ezután a szekundáris transzdukció akkor történik, amikor a LVDT ezt az elmozdulást elektrikus feszültség jelévé alakítja. Ez a példa világosan bemutatja, hogyan működnek együtt a prím és szekundáris transzducerek, hogy pontosan mérjék és alakítsák át a fizikai mennyiséget elektrikus kimenetre további elemzés és használat céljából.

A Bourdon cső a prím transzduker, míg a L.V.D.T. (Lineáris Változó Elmozdulású Transzformátor) a szekundáris transzduker funkciót lát el.

3. Passzív és Aktív Transzducerek

A transzducerek passzív és aktív típusokba is oszthatók, mindegyiküknek saját jellegzetes működési jellemzői vannak.

Passzív Transzducerek

A passzív transzduker külső energiaforrást használ a működéshez, ezért néha külsőleg ellátott transzdukernek is nevezik. A kapacitív, rezisztív és induktív transzducerek tipikus példák passzív transzducerekre. Ezek a transzducerek módosítják egy elektromos tulajdonságot (mint például a rezisztancia, kapacitancia vagy induktancia) a bemeneti fizikai mennyiség reakciójára. Azonban nem termelnek saját elektromos energiát; ehelyett külső forrásra szükségük van, hogy mérhető kimeneti jelet állítsanak elő, ami a mérni kívánt fizikai mennyiség változását tükrözi.

Aktív Transzducerek

Ellenben, az aktív transzduker nem igényel külső energiaforrást a működéshez. Ezek a transzducerek önszükségesek, tehát saját feszültség- vagy áramkimenetet tudnak előállítani. Az aktív transzduker kimeneti jele közvetlenül a bemeneti fizikai mennyiség alapján derül ki. Az aktív transzducerek képesek különböző fizikai jelenségeket, mint például a sebességet, hőmérsékletet, erőt és fényintenzitást, elektrikus jelekbe alakítani, anélkül, hogy külső energiaforrást használnának. Példák az aktív transzducerekre: piezoelektromos kristályok, fotovoltaikus cellák, takogenerátorok és termopárak.

Példa: Piezoelektromos Kristály

Az aktív transzduker működésének illusztrálására vegyünk példaként egy piezoelektromos kristályt. A piezoelektromos kristály általában két fém elektrodával van körülvéve, és az egész rendszer biztonságosan rögzítve van egy alaplapra. Egy tömeg helyezkedik el a rendszer tetején.

A piezoelektromos kristályok egyedi tulajdonságukat mutatják: ha rájuk hat erő, akkor elektromos feszültséget generálnak. A leírt felépítésben az alaplap gyorsulhat, ami a tömeget arra kényszeríti, hogy erőt gyakoroljon a kristályra. Ez az erő, fordítva, feszültséget indukál a kristályon. A kimeneti feszültség nagysága közvetlenül arányos az alaplap által tapasztalt gyorsulással, effektíven a mechanikai gyorsulást elektromos jelre alakítva. Ez a példa világosan bemutatja, hogyan tudnak az aktív transzducerek fizikai bemenetek alapján önállóan elektromos kimeneteket generálni, kiemelve a passzív transzducerekkel szembeni jellemző funkcióikat.

A fenti transzduker gyorsulásmérőnek is nevezik, amely úgy van kialakítva, hogy a gyorsulást elektromos feszültség jelévé alakítja. Megjegyezzük, hogy ez a transzducertípus nem igényel semmilyen segédenergiaforrást a fizikai mennyiség elektromos jelre való átalakítása során, kiemelve önálló jelgeneráló természetét.

4. Analog és Digitális Transzducerek

A transzducerek osztályozhatók a kimeneti jelek természetének, kontinuális vagy diszkrét jellegének alapján is.

Analog Transzducerek

Az analog transzduker a bemeneti mennyiséget folyamatos függvényre alakítja. Ez azt jelenti, hogy a kimeneti jel simán és folyamatosan változik a bemeneti változásokra. Példák az analog transzducerekre: nyomatékmérők, Lineáris Változó Elmozdulású Transzformátorok (LVDT-k), termopárok és termistorok. Ezek a berendezések széles körben használatosak olyan alkalmazásokban, ahol a mérni kívánt fizikai mennyiség arányos és folyamatos reprezentációja szükséges, például a precíziós mérőrendszerekben és az ipari folyamatirányításban.

Digitális Transzducerek

A digitális transzducerek, ellenben, a bemeneti mennyiséget digitális jelre alakítják, általában impulzusok formájában. A digitális jelek bináris állapotokon alapulnak, információt "magas" vagy "alacsony" teljesítményi szintekként reprezentálva. Ez a digitális kimeneti formátum több előnnyel is jár, beleértve a javított zajimmunitást, a könnyebb integrálást a digitális elektronika és számítógépes rendszerekkel, valamint a könnyebb adatfeldolgozást és tárolást. A digitális transzducerek egyre inkább elfogadottak a modern mérési és irányítási rendszerekben a digitális technológiák elterjedése miatt.

5. Transzducerek és Inverz Transzducerek

Transzducerek

A transzduker olyan eszköz, amely nem-elektromos mennyiségeket alakít át elektrikus mennyiségekre. Ez a konverziós folyamat lehetővé teszi a különböző fizikai jelenségek, mint például a hőmérséklet, nyomás, elmozdulás és erő, mérését, figyelését és irányítását elektromos mérési és feldolgozási technikákkal. A transzducerek kulcsfontosságú szerepet játszanak számos alkalmazásban, az ipari automatizáción keresztül a tudományos kutatásig és a fogyasztói elektronikáig.

Inverz Transzducerek

Az inverz transzducerek a hagyományos transzducerek ellenkező függvényét látják el. Elektromos mennyiségeket alakítanak át fizikai mennyiségekre. Ezek a transzducerek általában magas elektromos bemenettel és ennek megfelelő alacsony nem-elektromos kimenettel rendelkeznek. Az inverz transzducerek olyan alkalmazásokban használhatók, ahol elektromos jeleket kell fizikai műveletekbe vagy válaszokba fordítani, mint például bizonyos típusú aktuatorokban és irányítási rendszerekben. Az inverz transzducerek fogalma lehetővé teszi, hogy zárt körben elektromos irányítás és fizikai működés között épüljen kapcsolat, lehetővé téve a komplexebb és pontosabb mechanikai és fizikai rendszerek irányítását.