Typer av transducer

Transducers: Definisjon, funksjoner og klassifisering

En transducer er et elektronisk enhet som spiller en viktig rolle i konvertering av fysiske størrelser til elektriske signaler. Den har to grunnleggende funksjoner: deteksjon og transduksjon. Først oppdager den den interessante fysiske størrelsen, som for eksempel temperatur, trykk eller forskyvning. Deretter transformerer den denne fysiske størrelsen enten til mekanisk arbeid eller, oftere, til et elektrisk signal som lett kan måles, prosesseres og analysert.

Transducere kommer i en rekke ulike typer og kan kategoriseres etter flere distinkte kriterier:

• Basert på den brukte transduksjonsmekanismen: Denne klassifiseringen fokuserer på de spesifikke fysiske eller kjemiske prosesser gjennom hvilke transduceren konverterer den inngående fysiske størrelsen til et elektrisk utdata. Forskjellige transduksjonsmekanismer er tilpasset forskjellige typer målinger og anvendelser, noe som muliggjør nøyaktig og pålitelig deteksjon over et bredt spekter av fysiske fenomener.

• Som primære og sekundære transducere: En primær transducer konverterer direkte den målte fysiske størrelsen til et elektrisk signal. I motsetning til dette, jobber en sekundær transducer sammen med en primær transducer, ved å videre modifisere eller prosessere det elektriske signalet generert av den primære enheten for å forbedre dens bruksklarhet eller nøyaktighet.

• Som passive og aktive transducere: Passive transducere er avhengige av en ekstern strømforsyning for å fungere og produsere et utdata-signal som er en funksjon av den inngående fysiske størrelsen og den anvendte effekten. Aktive transducere, derimot, inneholder sin egen strømforsyning og kan generere et utdata-signal uten behov for en ekstern strømforsyning, ofte med større sensitivitet og signalkraft.

• Som analoge og digitale transducere: Analog transducere produserer et utdata-signal som varierer kontinuerlig med den inngående fysiske størrelsen, typisk i form av en spenning eller strøm. Digitale transducere, i motsetning, konverterer den inngående størrelsen til et diskret digitalsignal, som er lettere å prosessere, lagre og overføre ved hjelp av moderne digitale elektronikk- og datasytemer.

• Som transducere og inverse transducere: En standard transducer konverterer en fysisk størrelse til et elektrisk signal. En invers transducer, omvendt, tar et elektrisk signal som inngang og konverterer det tilbake til en fysisk størrelse, effektivt ved å reversere prosessen til en tradisjonell transducer. Dette konseptet er nyttig i applikasjoner hvor elektrisk kontroll kreves for å generere en spesifikk fysisk respons.

I drift mottar en transducer måleværdien – den fysiske størrelsen som måles – og produserer et utdata-signal som er proporsjonalt med størrelsen på inngangen. Dette utdata-signalet sendes deretter til en signalkondisjoneringseenhet. Her undergår signalet en rekke prosesser, inkludert demping (justering av signalamplituden), filtrering (fjerning av uønsket støy eller frekvenser) og modulasjon (koding av signalet for bedre overføring eller prosessering). Disse trinnene sikrer at det endelige signalet er i optimal form for senere analyse, visning eller kontrolloperasjoner.

Inngangsstorrelsen til en transducer er typisk en ikke-elektrisk størrelse, mens det elektriske utdata-signalet kan være i form av strøm, spenning eller frekvens.

1. Klassifisering basert på prinsippet for transduksjon

Transducere kan kategoriseres etter transduksjonsmediumet de bruker. Transduksjonsmediumet kan være resistivt, induktivt eller kapasitivt. Denne klassifiseringen bestemmes av konverteringsprosessen gjennom hvilken den inngående transduceren transformerer det inngående signalet til motstand, induktans eller kapasitans henholdsvis. Hver type transduksjonsmedium har sine egne unike egenskaper og er egnet for forskjellige målingsapplikasjoner, noe som muliggjør nøyaktig konvertering av ulike fysiske størrelser til elektriske signaler.

2. Primære og sekundære transducere

• Primær Transducer
  En transducer består ofte av både mekaniske og elektriske komponenter. Den mekaniske delen av transduceren er ansvarlig for å konvertere fysiske inngangs-størrelser til et mekanisk signal. Denne mekaniske komponenten refereres til som den primære transduceren. Den fungerer som den initielle sensor-elementet, som direkte interagerer med den målte fysiske størrelsen, slik som trykk, temperatur eller forskyvning, og konverterer den til en mekanisk form som kan videre prosesseres.

• Sekundær Transducer
  Sekundærtransduceren tar det mekaniske signalet generert av den primære transduceren og konverterer det til et elektrisk signal. Størrelsen på det utgående elektriske signalet er direkte relatert til egenskapene til det inngående mekaniske signalet. På denne måten danner den sekundære transduceren broen mellom de mekaniske og elektriske domenene, noe som gjør det mulig å måle og analysere den opprinnelige fysiske størrelsen ved hjelp av elektriske måling og prosesseringsmetoder.

Eksempel på primære og sekundære transducere

Ta Bourdon-røret, som illustrert i figuren nedenfor, som eksempel. Bourdon-røret fungerer som en primær transducer. Det er designet for å oppdage trykk og konvertere det til en forskyvning ved sitt frie ende. Når trykk blir påført røret, fordeformer dess form, noe som fører til at det frie enden beveger seg. Denne forskyvningen virker som inngang til neste fase i systemet.

Bevegelsen av det frie enden av Bourdon-røret føre til at kjernen i en Lineær Variabel Forflytnings-transformator (LVDT) flytter seg. Når kjernen beveger seg inni LVDT, inducerer det et utgangsspenning. Denne induerte spenningen er direkte proporsjonal med forflytningen av rørets frie ende, og dermed, til det opprinnelige trykket som ble påført Bourdon-røret.

I tilfellet Bourdon-røret - LVDT-systemet, skjer to distinkte transduksjonsprosesser. Først skjer den primære transduksjonen når Bourdon-røret konverterer trykk til forflytning. Deretter skjer den sekundære transduksjonen som LVDT konverterer denne forflytningen til et elektrisk spenningssignal. Dette eksemplet demonstrerer klart hvordan primære og sekundære transducere samarbeider for å nøyaktig måle og konvertere en fysisk størrelse til et elektrisk utdata for videre analyse og bruk.

Bourdon-røret fungerer som den primære transduceren, mens L.V.D.T. (Lineær Variabel Forflytnings-transformator) fungerer som den sekundære transduceren.

3. Passive og aktive transducere

Transducere kan også kategoriseres i aktive og passive typer, hver med sine distinkte driftsegenskaper.

Passive Transducere

En passiv transducer er en som er avhengig av en ekstern strømforsyning for å fungere, derfor kalles den også for eksternt strømforsynt transducer. Kapasitive, resistive og induktive transducere er typiske eksempler på passive transducere. Disse transducere fungerer ved å endre en elektrisk egenskap (som motstand, kapasitans eller induktans) i respons til den inngående fysiske størrelsen. De genererer imidlertid ikke sin egen elektriske energi; istedet krever de en ekstern kraftkilde for å produsere et målbart utdata-signal som reflekterer endringen i den målte fysiske størrelsen.

Aktive Transducere

I motsetning til dette trenger en aktiv transducer ikke en ekstern strømforsyning for å fungere. Disse transducere er selv-genererende, noe som betyr at de kan produsere sin egen spenning eller strøm-utdata. Utdata-signalet fra en aktiv transducer er direkte avledet fra den inngående fysiske størrelsen. Aktive transducere er i stand til å konvertere ulike fysiske fenomener, som hastighet, temperatur, kraft og lysintensitet, til elektriske signaler uten å stole på en ekstern strømforsyning. Eksempler på aktive transducere inkluderer piezoelektriske krystaller, fotovoltaiske celler, tachogeneratører og termokopler.

Eksempel: Piezoelektrisk Krystall

For å illustrere drift av en aktiv transducer, betrakt et piezoelektrisk krystall. Et piezoelektrisk krystall er typisk innsandwichet mellom to metalliske elektroder, og hele monteringen er sikker fastgjort til en base. En masse plasseres deretter på toppen av denne sandwich-strukturen.

Piezoelektriske krystaller har en unik egenskap: når en kraft påføres dem, genererer de en elektrisk spenning. I den beskrevne oppsettet kan basen oppleve akselerasjon, noe som fører til at massen utøver en kraft på krystallet. Denne kraften inducerer deretter en utgangsspenning over krystallet. Størrelsen på denne utgangsspenningen er direkte proporsjonal med akselerasjonen som basen opplever, effektivt konverterer mekanisk akselerasjon til et elektrisk signal. Dette eksemplet viser klart hvordan aktive transducere kan selv-generere elektriske utdata basert på fysiske innganger, fremhever deres distinkte funksjonalitet sammenlignet med passive transducere.

Den nevnte transducer er kjent som en akselerometer, som er designet for å konvertere akselerasjon til en elektrisk spenning. Merkelig nok, denne typen transducer fungerer uten behov for noen hjelpeskaps strømforsyning under konverteringen av den fysiske størrelsen til et elektrisk signal, som viser dens selvstendige natur i signalgenerering.

4. Analog og Digitale Transducere

Transducere kan også kategoriseres basert på naturen av deres utdata-signaler, som kan være enten kontinuerlige eller diskrete.

Analoge Transducere

En analog transducer transformerer inngangs-størrelsen til en kontinuerlig funksjon. Dette betyr at utdata-signalet varierer jevnt og kontinuerlig i respons til endringer i inngangen. Eksempler på analoge transducere inkluderer belastningsfelt, Lineære Variabel Forflytnings-transformatorer (LVDTs), termokopler og termistorer. Disse enhetene brukes vidt i ulike applikasjoner der en proporsjonal og kontinuerlig representasjon av den målte fysiske størrelsen er nødvendig, som i presis målesystemer og industriell prosesskontroll.

Digitale Transducere

Digitale transducere, derimot, konverterer inngangs-størrelsen til et digitalsignal, typisk i form av pulser. Digitale signaler opererer basert på binære tilstander, som representerer informasjon som enten "høy" eller "lav" effektnivå. Denne digitale utdata-formatet gir flere fordeler, inkludert forbedret støyimmunitet, enklere integrasjon med digitale elektronikk og databehandlingssystemer, og mer enkel data-prosessering og -lagring. Digitale transducere blir stadig mer populære i moderne måling og kontrollsystemer på grunn av forekomsten av digitale teknologier.

5. Transducere og Inverse Transducere

Transducere

En transducer defineres som en enhet som konverterer ikke-elektriske størrelser til elektriske størrelser. Denne konverteringsprosessen muliggjør måling, overvåking og kontroll av ulike fysiske fenomener, som temperatur, trykk, forskyvning og kraft, ved hjelp av elektriske måling og prosesseringsteknikker. Transducere spiller en avgjørende rolle i en rekke anvendelser, fra industriell automatisering til vitenskapelig forskning og forbrukerelektronikk.

Inverse Transducere

Inverse transducere utfører motsatt funksjon av tradisjonelle transducere. De konverterer elektriske størrelser tilbake til fysiske størrelser. Disse transducere har vanligvis et høyt elektrisk inngang og et tilsvarende lavt ikke-elektrisk utgang. Inverse transducere brukes i applikasjoner der elektriske signaler må oversettes til fysiske handlinger eller responser, som i visse typer aktuatorer og kontrollsystemer. Konseptet om inverse transducere gir en metode for å lukke løkken mellom elektrisk kontroll og fysisk drift, noe som muliggjør mer kompleks og nøyaktig kontroll av mekaniske og fysiske systemer.