Typer av transducer

Transducers: Definition, Functions, and Classification

En transducer är en elektronisk enhet som spelar en viktig roll i att omvandla fysiska mängder till elektriska signaler. Den har två grundläggande funktioner: uppskattning och omvandling. Först upptäcker den den fysiska mängd som intresserar, såsom temperatur, tryck eller förskjutning. Sedan omvandlar den denna fysiska mängd antingen till mekaniskt arbete eller, mer vanligt, till en elektrisk signal som lätt kan mätas, bearbetas och analyseras.

Transducers finns i en mängd olika typer och kan kategoriseras enligt flera olika kriterier:

• Baserat på den använda omvandlingsmekanismen: Denna klassificering fokuserar på de specifika fysiska eller kemiska processerna genom vilka transducern omvandlar den inkommande fysiska mängden till en elektrisk utgång. Olika omvandlingsmekanismer är anpassade för olika typer av mätningar och tillämpningar, vilket möjliggör exakt och tillförlitlig uppskattning över ett brett spektrum av fysiska fenomen.

• Som primär och sekundär transducer: En primär transducer omvandlar direkt den mätta fysiska mängden till en elektrisk signal. I kontrast fungerar en sekundär transducer tillsammans med en primär transducer, vidare modifierar eller bearbetar den elektriska signalen genererad av den primära enheten för att förbättra dess användbarhet eller precision.

• Som passiva och aktiva transducers: Passiva transducers beror på en extern strömkälla för att fungera och producerar en utgångssignal som är en funktion av den inkommande fysiska mängden och den applicerade effekten. Aktiva transducers, å andra sidan, innehåller sin egen strömkälla och kan generera en utgångssignal utan behov av en extern strömförsörjning, vilket ofta ger större känslighet och signalstyrka.

• Som analoga och digitala transducers: Analog transducers producerar en utgångssignal som varierar kontinuerligt med den inkommande fysiska mängden, vanligtvis i form av spänning eller ström. Digitala transducers, i kontrast, omvandlar den inkommande mängden till en diskret digital signal, vilket gör det enklare att bearbeta, lagra och skicka med moderna digitala elektronik och datorsystem.

• Som transducers och inversa transducers: En standardtransducer omvandlar en fysisk mängd till en elektrisk signal. En invers transducer, å andra sidan, tar en elektrisk signal som indata och omvandlar den tillbaka till en fysisk mängd, vilket effektivt vänder på processen för en traditionell transducer. Detta begrepp är användbart i tillämpningar där elektrisk styrning krävs för att generera en specifik fysisk respons.

I drift tar en transducer emot måttmängden - den fysiska mängd som mäts - och producerar en utgångssignal som är proportionell mot storleken på inmatningen. Denna utgångssignal skickas sedan till en signalskalningsenhet. Här undergår signalen en serie processer, inklusive dämpning (justering av signalens amplitud), filtrering (avlägsnar oönskad brus eller frekvenser) och modulering (kodar signalen för bättre transmission eller bearbetning). Dessa steg säkerställer att den slutliga signalen är i optimal form för efterföljande analys, visning eller styrningsoperationer.

Den inkommande mängden för en transducer är vanligtvis en icke-elektrisk mängd, medan den utgående elektriska signalen kan vara i form av ström, spänning eller frekvens.

1. Klassificering baserad på omvandlingsprincipen

Transducers kan kategoriseras enligt den omvandlingsmedium de använder. Omvandlingsmediumet kan vara resistivt, induktivt eller kapacitivt. Denna klassificering bestäms av omvandlingsprocessen genom vilken den inkommande transducern omvandlar indata till resistans, induktans eller kapacitans respektive. Varje typ av omvandlingsmedium har sina egna unika egenskaper och är lämplig för olika mätningstillämpningar, vilket möjliggör exakt omvandling av olika fysiska mängder till elektriska signaler.

2. Primär och sekundär transducer

• Primär transducer
  En transducer består ofta både av mekaniska och elektriska komponenter. Den mekaniska delen av transducern ansvarar för att omvandla fysiska indatamängder till en mekanisk signal. Denna mekaniska komponent kallas för den primära transducern. Den fungerar som den inledande sensoriska elementet, interagerar direkt med den mätta fysiska mängden, såsom tryck, temperatur eller förskjutning, och omvandlar den till en mekanisk form som kan vidarebearbetas.

• Sekundär transducer
  Den sekundära transducern tar den mekaniska signalen genererad av den primära transducern och omvandlar den till en elektrisk signal. Storleken på den utgående elektriska signalen är direkt relaterad till karaktären hos den inkommande mekaniska signalen. På detta sätt bygger den sekundära transducern bro mellan den mekaniska och den elektriska domänen, vilket gör det möjligt att mäta och analysera den ursprungliga fysiska mängden med hjälp av elektriska mät- och bearbetningstekniker.

Exempel på primär och sekundär transducer

Ta Bourdon-rören, som illustreras nedan, som exempel. Bourdon-röret fungerar som en primär transducer. Det är utformat för att upptäcka tryck och omvandla det till en förskjutning vid dess fria ände. När tryck appliceras på röret deformeras dess form, vilket orsakar att det fria änden flyttar sig. Denna förskjutning fungerar sedan som indata till nästa etapp i systemet.

Rörelsens av det fria ändet av Bourdon-röret orsakar att kärnan i en linjär variabel förskjutningstransformator (LVDT) flyttar sig. När kärnan flyttar sig inuti LVDT induceras en utgångsspänning. Denna inducerade spänning är direkt proportionell till förskjutningen av rörets fria ände, och därmed till det ursprungliga trycket som applicerats på Bourdon-röret.

I fallet med Bourdon-röret - LVDT-system uppstår två distinkta omvandlingsprocesser. Först sker den primära omvandlingen när Bourdon-röret omvandlar tryck till förskjutning. Sedan sker den sekundära omvandlingen när LVDT omvandlar denna förskjutning till en elektrisk spänningsignal. Detta exempel visar tydligt hur primär och sekundär transducer samverkar för att exakt mäta och omvandla en fysisk mängd till en elektrisk utgång för vidare analys och användning.

Bourdon-röret fungerar som den primära transducern, medan L.V.D.T. (Linjär Variabel Förskjutningstransformator) fungerar som den sekundära transducern.

3. Passiva och aktiva transducers

Transducers kan också kategoriseras som aktiva och passiva, var och en med distinkta driftsegenskaper.

Passiva transducers

En passiv transducer är en som beror på en extern strömförsörjning för att fungera, därför kallas den också för externt drivet transducer. Kapacitiva, resistiva och induktiva transducers är typiska exempel på passiva transducers. Dessa transducers fungerar genom att modifiera en elektrisk egenskap (som resistans, kapacitans eller induktans) i svar på den inkommande fysiska mängden. De genererar dock inte sin egen elektriska energi; istället kräver de en extern strömkälla för att producera en mätbar utgångssignal som reflekterar förändringen i den mätta fysiska mängden.

Aktiva transducers

I kontrast behöver en aktiv transducer ingen extern strömförsörjning för drift. Dessa transducers är självgenererande, vilket innebär att de kan producera sin egen spänning eller strömutsignal. Utgångssignalen från en aktiv transducer härleds direkt från den inkommande fysiska mängden. Aktiva transducers kan omvandla olika fysiska fenomen, såsom hastighet, temperatur, kraft och ljusintensitet, till elektriska signaler utan att behöva en extern strömförsörjning. Exempel på aktiva transducers inkluderar piezoelektriska kristaller, fotovoltaiska celler, takogeneratorer och termopar.

Exempel: Piezoelektrisk kristall

För att illustrera drift av en aktiv transducer, överväg en piezoelektrisk kristall. En piezoelektrisk kristall är vanligtvis placerad mellan två metalliska elektroder, och hela monteringen är säkert fastspänd till en bas. Ett massor placeras sedan ovanpå denna lagrade struktur.

Piezoelektriska kristaller har en unik egenskap: när en kraft appliceras på dem genererar de en elektrisk spänning. I den beskrivna installationen kan basen erfara acceleration, vilket orsakar att massan utövar en kraft på kristallen. Denna kraft inducerar i sin tur en utgångsspänning över kristallen. Storleken på denna utgångsspänning är direkt proportionell till accelerationen som basen upplever, vilket effektivt omvandlar mekanisk acceleration till en elektrisk signal. Detta exempel visar tydligt hur aktiva transducers kan självgenerera elektriska utgångar baserat på fysiska indata, vilket belyser deras distinkta funktionalitet jämfört med passiva transducers.

Den nämnda transducern kallas för en accelerometer, som är utformad för att omvandla acceleration till en elektrisk spänning. Noterbart är att denna typ av transducer opererar utan någon behov av en auxiliär strömkälla under omvandlingen av den fysiska mängden till en elektrisk signal, vilket visar dess självförsörjande natur i signalgenerering.

4. Analog och digitala transducers

Transducers kan också kategoriseras baserat på naturen av deras utgångssignaler, vilka kan vara antingen kontinuerliga eller diskreta.

Analog transducers

En analog transducer omvandlar indata till en kontinuerlig funktion. Detta betyder att utgångssignalen varierar mjukt och kontinuerligt i svar på förändringar i indata. Exempel på analoga transducers inkluderar spänningsgauger, Linjära Variabla Förskjutningstransformatorer (LVDTs), termopar och termistor. Dessa enheter används bredvid i olika tillämpningar där en proportional och kontinuerlig representation av den mätta fysiska mängden krävs, såsom i precisionsmätningssystem och industriell processkontroll.

Digitala transducers

Digitala transducers, å andra sidan, omvandlar indata till en digital signal, vanligtvis i form av pulser. Digitala signaler fungerar baserat på binära tillstånd, vilket representerar information som antingen "hög" eller "låg" effektnivå. Denna digitala utgångsformat erbjuder flera fördelar, inklusive förbättrad brustolerans, enklare integration med digitala elektronik och datorsystem, samt enklare datahantering och lagring. Digitala transducers används alltmer i moderna mät- och styrsystem på grund av digitalteknologins allmänna spridning.

5. Transducers och inversa transducers

Transducers

En transducer definieras som en enhet som omvandlar icke-elektriska mängder till elektriska mängder. Denna omvandlingsprocess möjliggör mätning, övervakning och styrning av olika fysiska fenomen, såsom temperatur, tryck, förskjutning och kraft, med hjälp av elektriska mät- och bearbetningstekniker. Transducers spelar en viktig roll i en mängd olika tillämpningar, från industriell automatisering till vetenskaplig forskning och konsumentelektronik.

Inversa transducers

Inversa transducers utför motsatt funktion jämfört med traditionella transducers. De omvandlar elektriska mängder tillbaka till fysiska mängder. Dessa transducers har vanligtvis en hög elektrisk indata och en motsvarande låg icke-elektrisk utdata. Inversa transducers används i tillämpningar där elektriska signaler behöver översättas till fysiska åtgärder eller svar, såsom i vissa typer av aktuatorer och styrningssystem. Konceptet med inversa transducers ger en metod för att stänga loopen mellan elektrisk styrning och fysisk drift, vilket underlättar mer komplex och exakt styrning av mekaniska och fysiska system.