Transducēru veidi

Transducēri: Definīcija, Funkcijas un Klasifikācija

Transducērs ir elektronisks ierīce, kas spēlē nozīmīgu lomu, pārveidojot fizikālos lielumus elektroviļņos. Tā veic divas pamatfunkcijas: uztveri un transducēšanu. Pirmkārt, tā izvērš interesi pievelkojošo fizikālo lielumu, piemēram, temperatūru, spiedienu vai nobīdi. Pēc tam tas transformē šo fizisko lielumu par mehānisko darbu vai, biežāk, par elektroviļņu, kas viegli mērāms, apstrādājams un analizējams.

Transducēri ir daudzveidīgi un var tikt kategorizēti atbilstoši vairākiem atšķirīgiem kritērijiem:

• Pamatojoties uz Izmantoto Transducēšanas Mekhanismu: Šis klasifikācijas veids koncentrējas uz konkrētajiem fiziskajiem vai ķīmiskajiem procesiem, ar kuriem transducērs pārveido ievades fizisko lielumu par elektroviļņu. Dažādi transducēšanas mehānismi ir pielāgoti dažādu mērījumu un lietojumu tipiem, ļaujot precīzi un uzticami uztvert plašu spektru no fiziskajiem fenomeniem.

• Kā Primārie un Sekundārie Transducēri: Primārais transducērs tieši pārveido mērāmo fizisko lielumu par elektroviļņu. Savukārt sekundārais transducērs strādā kopā ar primāro transducēru, turpmāk modifējot vai apstrādājot elektroviļņu, ko ģenerēja primārā ierīce, lai palielinātu to izmantojamību vai precizitāti.

• Kā Pasīvie un Aktīvie Transducēri: Pasīvie transducēri balstās uz ārēju enerģijas avotu, lai darbotos, un radīto izvades signālu nosaka ievades fiziskais lielums un piemērotā enerģija. Aktīvie transducēri, savukārt, satur savu enerģijas avotu un var radīt izvades signālu bez nepieciešamības pēc ārējas enerģijas avota, bieži sniedzot lielāku jūtību un signāla stiprumu.

• Kā Analogi un Digitālie Transducēri: Analogi transducēri radīt izvades signālu, kas nemainīgi mainās atkarībā no ievades fiziskā lieluma, parasti formātā sprieguma vai strāvas. Digitālie transducēri, savukārt, pārveido ievades lielumu par diskretu digitālo signālu, kas vieglāk apstrādājams, saglabājams un pārraudzījams, izmantojot modernas digitālās elektronikas un datoru sistēmas.

• Kā Transducēri un Inversie Transducēri: Standarta transducērs pārveido fizisko lielumu par elektroviļņu. Inversais transducērs, otrādi, ņem elektroviļņu kā ievadi un to pārveido atpakaļ par fizisko lielumu, efektīvi atgriežot tradicionālā transducēra procesu. Šis koncepts ir noderīgs lietojumos, kur nepieciešama elektroviļņu kontrolēšana, lai ģenerētu specifisku fizisko reakciju.

Darbā transducērs saņem mērāmo lielumu — fizisko lielumu, kas tiek mērots, — un radīt izvades signālu, kas proporcionāls ievades lieluma mērā. Šis izvades signāls tika pārsūtīts signāla kondicionēšanas ierīcei. Tur vien notiek vairāki procesi, ieskaitot attēnu (signāla amplitūdas pielāgošanu), filtrēšanu (nevēlamu troksni vai frekvences noņemšanu) un modulāciju (signāla kodēšanu labākai pārraidīšanai vai apstrādei). Šie soļi nodrošina, ka galīgais signāls ir optimālā formā nākamajām analīzes, rādīšanas vai kontroles operācijām.

Transducēra ievades lielums parasti ir neelektriskais lielums, savukārt izvades elektroviļņu var būt formā strāva, spriegums vai frekvence.

1. Klasifikācija atbilstoši Transducēšanas Principam

Transducēri var tikt kategorizēti atbilstoši izmantotajam transducēšanas vidum. Transducēšanas vide var būt rezistīvā, induktīvā vai kapacitīvā. Šī klasifikācija ir noteikta pārveidošanas procesa caur, kuru ievades transducērs pārveido ievades signālu par rezistenci, indukciju vai kapacitāti attiecīgi. Katrs transducēšanas vidējs tips ir savas unikālas īpašības un ir piemērots dažādiem mērījumu lietojumiem, ļaujot precīzi pārveidot dažādus fiziskos lielumus par elektroviļņiem.

2. Primārie un Sekundārie Transducēri

• Primārais Transducēris
  Transducērs bieži sastāv gan no mehāniskajām, gan elektroniskajām komponentēm. Mehāniskā daļa no transducēra ir atbildīga par fiziskā ievades lieluma pārveidošanu par mehānisko signālu. Šo mehānisko komponentu sauc par primāro transducēru. Tas darbojas kā sākotnējais uztverētājs, tieši sadarbojoties ar mērāmo fizisko lielumu, piemēram, spiedienu, temperatūru vai nobīdi, un to pārveidojot par mehānisko formu, kas var tikt turpmāk apstrādāta.

• Sekundārais Transducēris
  Sekundārais transducēris ņem mehānisko signālu, ko ģenerēja primārais transducēris, un to pārveido par elektroviļņu. Izvades elektroviļņa mērs tieši saistīts ar ievades mehānisko signāla raksturojumiem. Šādā veidā sekundārais transducēris savieno mehānisko un elektronisko domēnus, padarot iespējamu mērīt un analizēt sākotnējo fizisko lielumu, izmantojot elektroniskos mērījumu un apstrādes metodes.

Primārie un Sekundārie Transducēri Piemērs

Lūk, piemērs Burdonas cepturi, kā redzams zemāk esošajā attēlā. Burdonas cepture darbojas kā primārais transducēris. Tā ir izstrādāta, lai detektētu spiedienu un to pārveidotu par nobīdi savā brīvajā beigā. Kad spiediens tiek piemērots cepturai, tās forma deformējas, izraisojot brīvās beigu kustību. Šī nobīde tad kļūst par nākamā sistēmas posma ievadi.

Burdonas ceptura brīvās beigu kustība izraisa Lineārā Mainīgā Nobīdes Transformatora (LVDT) kodolu nobīdi. Kad LVDT kodols kustās, tas izraisa izvades spriegumu. Šis izvades spriegums tieši proporcionāls cepturas brīvās beigu nobīdei un, tādējādi, sākotnējam spiedienam, kas tika piemērots Burdonas cepturai.

Burdonas ceptures un LVDT sistēmā notiek divi atsevišķi transducēšanas procesi. Pirmkārt, notiek primārā transducēšana, kad Burdonas cepture pārveido spiedienu par nobīdi. Pēc tam, notiek sekundārā transducēšana, kad LVDT pārveido šo nobīdi par elektroviļņu. Šis piemērs skaidri demonstrē, kā primārie un sekundārie transducēri strādā kopā, lai precīzi mērītu un pārveidotu fizisko lielumu par elektroviļņu, lai to turpmāk analizētu un izmantotu.

Burdonas cepture darbojas kā primārais transducēris, savukārt L.V.D.T. (Lineārā Mainīgā Nobīdes Transformators) darbojas kā sekundārais transducēris.

3. Pasīvie un Aktīvie Transducēri

Transducēri var tikt arī kategorizēti kā aktīvie un pasīvie, katrai no kām ir atsevišķas darbības īpašības.

Pasīvie Transducēri

Pasīvais transducēris ir tāds, kas balstās uz ārēju enerģijas avotu, lai darbotos, tāpēc to arī sauc par ārēji apgādinātu transducēru. Kapacitīvie, rezistīvie un induktīvie transducēri ir tipiski pasīvie transducēri. Šie transducēri darbojas, mainot elektrisko īpašību (piemēram, rezistenci, kapacitāti vai indukciju) atkarībā no ievades fiziskā lieluma. Tomēr, viņi nerada savu elektrisko enerģiju; gan viņiem nepieciešams ārējs enerģijas avots, lai radītu mērāmu izvades signālu, kas atspoguļo ievades fiziskā lieluma maiņu.

Aktīvie Transducēri

Otrādi, aktīvais transducēris nav nepieciešama ārēja enerģijas avota darbībai. Šie transducēri ir pašdarbināmi, tas nozīmē, ka viņi var radīt savu spriegumu vai strāvas izvades signālu. Aktīvā transducēra izvades signāls tieši izriet no ievades fiziskā lieluma. Aktīvie transducēri spēj pārveidot dažādus fiziskos fenomenus, piemēram, ātrumu, temperatūru, spēku un gāzes intensitāti, par elektroviļņiem, nebalstoties uz ārējo enerģijas avotu. Aktīvie transducēru piemēri ietver piezoelektriskus kristālus, fotovoltājos elementus, takogenerātorus un termopārus.

Piemērs: Piezoelektriskais Kristāls

Lai ilustrētu aktīvā transducēra darbību, aplūkosim piezoelektrisko kristālu. Parasti piezoelektriskais kristāls ir iestrādāts starp diviem metāla elektrodām, un visu montāžu droši fiksē uz bāzes. Pēc tam uz šīs montāžas novieto masu.

Piezoelektriskie kristāli ir ar unikālu īpašību: kad uz tiem tiek piemērots spēks, tie ģenerē elektrospriegumu. Aprakstītajā montāžā, bāze var pieredzēt paātrinājumu, kas izraisa masu, kas uzliesmo pie kristāla. Šis spēks, savukārt, izraisa izvades spriegumu uz kristāla. Izvades sprieguma mērs tieši proporcionāls bāzes pieredzētajam paātrinājumam, efektīvi pārveidojot mehānisko paātrinājumu par elektroviļņu. Šis piemērs skaidri demonstrē, kā aktīvie transducēri var paši ģenerēt elektroviļņus, balstoties uz fiziskajiem ievades signāliem, atklājot to atšķirīgo funkcionalitāti salīdzinājumā ar pasīvajiem transducēriem.

Minētais transducēris pazīstams kā paātrinājuma mērītājs, kas izstrādāts, lai pārveidotu paātrinājumu par elektrospriegumu. Vērts atzīmēt, ka šis transducērs darbojas bez nekāda papildu enerģijas avota, pārveidojot fizisko lielumu par elektroviļņu, demonstrējot tā pašnodrošinošo raksturu signālu ģenerēšanā.

4. Analogi un Digitālie Transducēri

Transducēri var tikt arī kategorizēti atbilstoši to izvades signālu dabai, kas var būt gan nemainīga, gan diskrēta.

Analogi Transducēri

Analogais transducēris pārveido ievades lielumu par nemainīgu funkciju. Tas nozīmē, ka izvades signāls gludi un nemainīgi mainās atkarībā no ievades mainīgumiem. Analogā transducēru piemēri ietver deformācijas gauges, Lineārā Mainīgā Nobīdes Transformatorus (LVDT), termopārus un termistorus. Šīs ierīces plaši izmanto dažādos lietojumos, kur nepieciešama proporcionala un nemainīga mērāmā fiziskā lieluma atspoguļojums, piemēram, precīzos mērījumu sistēmās un rūpnieciskajā procesu kontrolē.

Digitālie Transducēri

Otrādi, digitālie transducēri pārveido ievades lielumu par digitālo signālu, parasti formātā impulsiem. Digitālie signāli darbojas, balstoties uz binārām stāvokļiem, atspoguļojot informāciju kā "augstu" vai "zemu" enerģijas līmeni. Šis digitālais izvades formāts piedāvā vairākas priekšrocības, ieskaitot palielinātu trokšņa imunitāti, vieglāku integrāciju ar digitālajām elektronikas un datoru sistēmām, un vieglāku datu apstrādi un saglabāšanu. Digitālie transducēri tiek aizvien biežāk izmantoti modernajās mērījumu un kontrolēšanas sistēmās, tāpat kā digitālās tehnoloģijas.

5. Transducēri un Inversie Transducēri

Transducēri

Transducērs definēts kā ierīce, kas pārveido neelektriskus lielumus par elektroviļņiem. Šis pārveidošanas process ļauj mērīt, monitorēt un kontrolēt dažādus fiziskos fenomenus, piemēram, temperatūru, spiedienu, nobīdi un spēku, izmantojot elektroniskos mērījumu un apstrādes metodes. Transducēri spēlē nozīmīgu lomu plašā spektra lietojumos, no rūpnieciskās automatizācijas līdz zinātniskajiem pētījumiem un patērētāju elektronikai.

Inversie Transducēri

Inversie transducēri veic pretējo funkciju, salīdzinājumā ar tradicionālajiem transducēriem. Viņi pārveido elektroviļņus atpakaļ par fiziskiem lielumiem. Šie transducēri parasti ir ar augstu elektroviļņu ievadi un atbilstošu zemu neelektrisko izvadi. Inversie transducēri izmanto lietojumos, kur elektroviļņi jāpārveido par fiziskiem darbībām vai reakcijām, piemēram, dažādos aktuatoros un kontrolēšanas sistēmās. Inversie transducēru koncepts nodrošina iespēju slēgt ciklu starp elektronisko kontrolēšanu un fizisko darbību, palīdzot veidot sarežģītākus un precīzākus mehānisko un fizisko sistēmu kontrolēšanas mehānismus.