Soorten transducer

Transducers: Definitie, Functies en Classificatie

Een transducer is een elektronisch apparaat dat een cruciale rol speelt bij het omzetten van fysieke grootheden in elektrische signalen. Het vervult twee fundamentele functies: detecteren en transduceren. Eerst detecteert het de te meten fysieke grootheid, zoals temperatuur, druk of verplaatsing. Vervolgens transformeert het deze fysieke grootheid in mechanisch werk of, vaker, in een elektrisch signaal dat gemakkelijk kan worden gemeten, verwerkt en geanalyseerd.

Transducers komen in vele verschillende types voor en kunnen op verschillende manieren worden geclassificeerd:

• Op basis van het gebruikte Transductiemechanisme: Deze classificatie richt zich op de specifieke fysische of chemische processen waarmee de transducer de ingangsfysieke grootheid omzet in een elektrische uitgang. Verschillende transductiemechanismen zijn aangepast aan verschillende soorten metingen en toepassingen, waardoor nauwkeurig en betrouwbaar detecteren over een breed spectrum van fysische verschijnselen mogelijk wordt.

• Als Primair en Secundair Transducers: Een primaire transducer zet de gemeten fysieke grootheid direct om in een elektrisch signaal. Daarentegen werkt een secundaire transducer samen met een primaire transducer, waarbij het de elektrische signalen die door het primaire apparaat worden gegenereerd, verder wijzigt of verwerkt om de bruikbaarheid of nauwkeurigheid te verhogen.

• Als Passieve en Actieve Transducers: Passieve transducers zijn afhankelijk van een externe energiebron om te functioneren en produceren een uitgangssignaal dat een functie is van de ingangsfysieke grootheid en de toegepaste kracht. Actieve transducers daarentegen bevatten hun eigen energiebron en kunnen een uitgangssignaal genereren zonder behoefte aan een externe energievoorziening, vaak met grotere gevoeligheid en signaalsterkte.

• Als Analogische en Digitale Transducers: Analogische transducers produceren een uitgangssignaal dat continu varieert met de ingangsfysieke grootheid, meestal in de vorm van spanning of stroom. Digitale transducers daarentegen zetten de ingangs grootheid om in een discrete digitale signalen, die gemakkelijker te verwerken, op te slaan en te verzenden zijn met moderne digitale elektronica en rekenkundige systemen.

• Als Transducers en Inverse Transducers: Een standaard transducer zet een fysieke grootheid om in een elektrisch signaal. Een inverse transducer neemt daarentegen een elektrisch signaal als ingang en zet het terug om in een fysieke grootheid, waardoor het proces van een traditionele transducer effectief wordt omgekeerd. Dit concept is nuttig in toepassingen waar elektrische bediening nodig is om een specifiek fysiek antwoord te genereren.

Bij de werking ontvangt een transducer de meetgrootte - de fysieke grootheid die wordt gemeten - en produceert een uitgangssignaal dat evenredig is met de grootte van de ingang. Dit uitgangssignaal wordt vervolgens doorgestuurd naar een signaalconditioneringapparaat. Hier ondergaat het signaal een reeks processen, waaronder demping (aanpassen van de amplitude van het signaal), filtering (verwijderen van ongewenste ruis of frequenties) en modulatie (coderen van het signaal voor betere overdracht of verwerking). Deze stappen zorgen ervoor dat het eindsignaal in een optimale vorm is voor latere analyse, weergave of besturing.

De ingangsgrootheid van een transducer is meestal een niet-elektrische grootheid, terwijl het uitgangselectrische signaal in de vorm van stroom, spanning of frequentie kan zijn.

1. Classificatie op basis van het Principe van Transductie

Transducers kunnen worden geclassificeerd op basis van het transductiemedium dat ze gebruiken. Het transductiemedium kan resistentief, inductief of capaciteitsgebonden zijn. Deze classificatie wordt bepaald door het conversieproces waarmee de ingangstransducer de ingangssignalen omzet in weerstand, inductie of capaciteit. Elk type transductiemedium heeft zijn eigen unieke kenmerken en is geschikt voor verschillende meettoepassingen, waardoor een accurate omzetting van verschillende fysieke grootheden in elektrische signalen mogelijk wordt.

2. Primaire en Secundaire Transducers

• Primaire Transducer
  Een transducer bestaat vaak uit zowel mechanische als elektrische componenten. Het mechanische deel van de transducer is verantwoordelijk voor het omzetten van fysieke ingangsgrootheden in een mechanisch signaal. Dit mechanische component wordt de primaire transducer genoemd. Het fungeert als het initiële sensorelement, dat direct interacteert met de gemeten fysieke grootheid, zoals druk, temperatuur of verplaatsing, en deze omzet in een mechanische vorm die verder kan worden verwerkt.

• Secundaire Transducer
  De secundaire transducer neemt het mechanische signaal dat door de primaire transducer wordt gegenereerd en zet het om in een elektrisch signaal. De grootte van het uitgangselectrische signaal staat direct in verband met de eigenschappen van het ingangsmechanische signaal. Op deze manier sluit de secundaire transducer de kloof tussen de mechanische en elektrische domeinen, waardoor het mogelijk wordt de oorspronkelijke fysieke grootheid te meten en te analyseren met behulp van elektrische meet- en verwerkingsmethoden.

Voorbeeld van Primaire en Secundaire Transducers

Neem de Bourdon's Tube, zoals in de figuur hieronder getoond, als voorbeeld. De Bourdon's Tube fungeert als een primaire transducer. Het is ontworpen om druk te detecteren en om te zetten in een verplaatsing aan zijn vrije einde. Wanneer er druk op de buis wordt uitgeoefend, verandert de vorm, waardoor het vrije einde beweegt. Deze verplaatsing dient dan als ingang voor de volgende fase van het systeem.

De beweging van het vrije einde van de Bourdon's Tube veroorzaakt een verschuiving van de kern van een Lineaire Variabele Verplaatsingstransformer (LVDT). Terwijl de kern zich binnen de LVDT verplaatst, wordt een uitgangsspanning geïnduceerd. Deze geïnduceerde spanning is direct evenredig met de verplaatsing van het vrije einde van de buis, en dus ook met de oorspronkelijke druk die op de Bourdon's Tube werd uitgeoefend.

In het geval van het Bourdon's Tube-LVDT-systeem vinden twee afzonderlijke transductieprocessen plaats. Eerst vindt de primaire transductie plaats wanneer de Bourdon's Tube druk omzet in verplaatsing. Vervolgens vindt de secundaire transductie plaats wanneer de LVDT deze verplaatsing omzet in een elektrisch spanningssignaal. Dit voorbeeld laat duidelijk zien hoe primaire en secundaire transducers samenwerken om een fysieke grootheid nauwkeurig te meten en om te zetten in een elektrische uitgang voor verdere analyse en gebruik.

De Bourdon's Tube fungeert als de primaire transducer, terwijl de L.V.D.T. (Lineaire Variabele Verplaatsingstransformer) als de secundaire transducer werkt.

3. Passieve en Actieve Transducers

Transducers kunnen ook worden ingedeeld in actieve en passieve types, elk met eigen operationele kenmerken.

Passieve Transducers

Een passieve transducer is een die afhankelijk is van een externe energiebron om te functioneren, daarom ook wel externaangedreven transducer genoemd. Capacitieve, resistieve en inductieve transducers zijn typische voorbeelden van passieve transducers. Deze transducers werken door een elektrisch eigenschap (zoals weerstand, capaciteit of inductie) te wijzigen in reactie op de ingangsfysieke grootheid. Ze genereren echter geen eigen elektrische energie; in plaats daarvan hebben ze een externe energiebron nodig om een meetbaar uitgangssignaal te produceren dat de verandering in de gemeten fysieke grootheid weerspiegelt.

Actieve Transducers

Daarentegen heeft een actieve transducer geen externe energiebron nodig om te functioneren. Deze transducers zijn zelf-genererend, wat betekent dat ze hun eigen spanning of stroomuitgang kunnen produceren. Het uitgangssignaal van een actieve transducer is direct afkomstig van de ingangsfysieke grootheid. Actieve transducers kunnen verschillende fysische verschijnselen, zoals snelheid, temperatuur, kracht en lichtintensiteit, omzetten in elektrische signalen zonder afhankelijk te zijn van een externe energie-invoer. Voorbeelden van actieve transducers zijn piezoelektrische kristallen, fotovoltaïsche cellen, tachogeneratoren en thermokoppels.

Voorbeeld: Piezoelektrisch Kristal

Om de werking van een actieve transducer te illustreren, nemen we een piezoelektrisch kristal als voorbeeld. Een piezoelektrisch kristal wordt meestal ingesloten tussen twee metalen elektroden, en de hele assemblage is stevig vastgezet aan een basis. Er wordt dan een massa bovenop deze gesandwichde structuur geplaatst.

Piezoelektrische kristallen hebben een unieke eigenschap: wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend, genereren ze een elektrische spanning. In de beschreven opstelling ervaart de basis een versnelling, waardoor de massa een kracht uitoefent op het kristal. Deze kracht induceert vervolgens een uitgangsspanning over het kristal. De grootte van deze uitgangsspanning is direct evenredig met de versnelling die de basis ervaart, waardoor mechanische versnelling effectief wordt omgezet in een elektrisch signaal. Dit voorbeeld illustreert duidelijk hoe actieve transducers zelf elektrische uitgangen kunnen genereren op basis van fysieke invoer, waardoor hun unieke functionaliteit ten opzichte van passieve transducers wordt benadrukt.

De bovenstaande transducer wordt een accelerometer genoemd, die is ontworpen om versnelling om te zetten in een elektrische spanning. Merk op dat dit type transducer tijdens de omzetting van de fysieke grootheid in een elektrisch signaal geen hulpkrachtbron nodig heeft, wat zijn zelfvoorzienende natuur bij signaalgeneratie benadrukt.

4. Analogische en Digitale Transducers

Transducers kunnen ook worden ingedeeld op basis van de aard van hun uitgangssignalen, die continu of discreet kunnen zijn.

Analogische Transducers

Een analogische transducer transformeert de ingangsgrootheid in een continue functie. Dit betekent dat het uitgangssignaal glad en continu varieert in reactie op veranderingen in de ingang. Voorbeelden van analogische transducers zijn spanningsdempers, Lineaire Variabele Verplaatsingstransformers (LVDT's), thermokoppels en thermistoren. Deze apparaten worden breed toegepast in verschillende toepassingen waar een proportionele en continue weergave van de gemeten fysieke grootheid vereist is, zoals in precisie-meetsystemen en industriële procescontrole.

Digitale Transducers

Digitale transducers daarentegen zetten de ingangsgrootheid om in een digitaal signaal, meestal in de vorm van pulsen. Digitale signalen werken op basis van binaire staten, informatie representeerend als "hoog" of "laag" vermogensniveaus. Dit digitale uitgangsformaat biedt verschillende voordelen, waaronder verbeterde geluidsdemping, eenvoudigere integratie met digitale elektronica en computersystemen, en meer eenvoudige dataverwerking en -opslag. Digitale transducers worden steeds vaker toegepast in moderne meetsystemen en besturingssystemen vanwege de prevalentie van digitale technologieën.

5. Transducers en Inverse Transducers

Transducers

Een transducer wordt gedefinieerd als een apparaat dat niet-elektrische grootheden omzet in elektrische grootheden. Dit conversieproces maakt het mogelijk om diverse fysische verschijnselen, zoals temperatuur, druk, verplaatsing en kracht, te meten, te monitoren en te besturen met behulp van elektrische meet- en verwerkingsmethoden. Transducers spelen een cruciale rol in een breed scala aan toepassingen, van industriële automatisering tot wetenschappelijk onderzoek en consumentenelektronica.

Inverse Transducers

Inverse transducers vervullen de tegenovergestelde functie van traditionele transducers. Ze zetten elektrische grootheden om in fysieke grootheden. Deze transducers hebben meestal een hoge elektrische ingang en een overeenkomstige lage niet-elektrische uitgang. Inverse transducers worden gebruikt in toepassingen waar elektrische signalen moeten worden vertaald in fysieke acties of reacties, zoals in bepaalde soorten actuators en besturingssystemen. Het concept van inverse transducers biedt een manier om de lus te sluiten tussen elektrische besturing en fysieke operatie, waardoor complexere en nauwkeurigere besturing van mechanische en fysieke systemen mogelijk wordt.