Các loại biến đổi

Bộ chuyển đổi: Định nghĩa, Chức năng và Phân loại

Bộ chuyển đổi là thiết bị điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện. Nó thực hiện hai chức năng cơ bản: cảm biến và chuyển đổi. Đầu tiên, nó phát hiện đại lượng vật lý cần quan tâm, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất hoặc dịch chuyển. Sau đó, nó chuyển đổi đại lượng vật lý này thành công việc cơ học hoặc, phổ biến hơn, thành tín hiệu điện có thể dễ dàng đo lường, xử lý và phân tích.

Có nhiều loại bộ chuyển đổi khác nhau và chúng có thể được phân loại theo một số tiêu chí riêng biệt:

• Dựa trên Cơ chế Chuyển đổi Được Sử dụng: Phân loại này tập trung vào các quá trình vật lý hoặc hóa học cụ thể mà bộ chuyển đổi sử dụng để chuyển đổi đại lượng vật lý đầu vào thành tín hiệu điện đầu ra. Các cơ chế chuyển đổi khác nhau được thiết kế cho các loại đo lường và ứng dụng khác nhau, cho phép cảm biến chính xác và đáng tin cậy trên một loạt các hiện tượng vật lý.

• Là Bộ chuyển đổi Chính và Phụ: Bộ chuyển đổi chính trực tiếp chuyển đổi đại lượng vật lý được đo thành tín hiệu điện. Ngược lại, bộ chuyển đổi phụ hoạt động cùng với bộ chuyển đổi chính, sửa đổi hoặc xử lý thêm tín hiệu điện do thiết bị chính tạo ra để tăng tính khả dụng hoặc độ chính xác của nó.

• Là Bộ chuyển đổi Bị động và Chủ động: Bộ chuyển đổi bị động phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài để hoạt động và tạo ra tín hiệu đầu ra là hàm của đại lượng vật lý đầu vào và nguồn điện được áp dụng. Trong khi đó, bộ chuyển đổi chủ động chứa nguồn điện của riêng mình và có thể tạo ra tín hiệu đầu ra mà không cần nguồn điện bên ngoài, thường cung cấp độ nhạy và cường độ tín hiệu lớn hơn.

• Là Bộ chuyển đổi Analog và Kỹ thuật số: Bộ chuyển đổi analog tạo ra tín hiệu đầu ra thay đổi liên tục theo đại lượng vật lý đầu vào, thường dưới dạng điện áp hoặc dòng điện. Ngược lại, bộ chuyển đổi kỹ thuật số chuyển đổi đại lượng đầu vào thành tín hiệu kỹ thuật số rời rạc, dễ dàng xử lý, lưu trữ và truyền tải bằng hệ thống điện tử và máy tính kỹ thuật số hiện đại.

• Là Bộ chuyển đổi và Bộ chuyển đổi Ngược: Bộ chuyển đổi tiêu chuẩn chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện. Ngược lại, bộ chuyển đổi ngược lấy tín hiệu điện làm đầu vào và chuyển đổi nó trở lại thành đại lượng vật lý, thực chất đảo ngược quá trình của bộ chuyển đổi truyền thống. Khái niệm này hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu kiểm soát điện để tạo ra phản ứng vật lý cụ thể.

Trong quá trình hoạt động, bộ chuyển đổi nhận được đại lượng cần đo—đại lượng vật lý đang được đo—and tạo ra tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với mức độ của đầu vào. Tín hiệu đầu ra này sau đó được truyền đến thiết bị điều chỉnh tín hiệu. Tại đây, tín hiệu trải qua một loạt các quá trình, bao gồm giảm âm (điều chỉnh biên độ tín hiệu), lọc (loại bỏ nhiễu hoặc tần số không mong muốn) và điều chế (mã hóa tín hiệu để truyền tải hoặc xử lý tốt hơn). Những bước này đảm bảo rằng tín hiệu cuối cùng ở dạng tối ưu cho các hoạt động phân tích, hiển thị hoặc kiểm soát tiếp theo.

Đại lượng đầu vào của bộ chuyển đổi thường là đại lượng không điện, trong khi tín hiệu điện đầu ra có thể ở dạng dòng điện, điện áp hoặc tần số.

1. Phân loại dựa trên Nguyên lý Chuyển đổi

Bộ chuyển đổi có thể được phân loại theo môi trường chuyển đổi mà chúng sử dụng. Môi trường chuyển đổi có thể là điện trở, cảm ứng hoặc dung lượng. Phân loại này được xác định bởi quá trình chuyển đổi mà bộ chuyển đổi đầu vào biến đổi tín hiệu đầu vào thành điện trở, cảm ứng hoặc dung lượng tương ứng. Mỗi loại môi trường chuyển đổi có những đặc điểm độc đáo riêng và phù hợp cho các ứng dụng đo lường khác nhau, cho phép chuyển đổi chính xác các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện.

2. Bộ chuyển đổi Chính và Phụ

• Bộ chuyển đổi Chính
  Bộ chuyển đổi thường bao gồm cả phần cơ khí và phần điện. Phần cơ khí của bộ chuyển đổi chịu trách nhiệm chuyển đổi các đại lượng đầu vào thành tín hiệu cơ khí. Phần cơ khí này được gọi là bộ chuyển đổi chính. Nó hoạt động như yếu tố cảm biến ban đầu, tương tác trực tiếp với đại lượng vật lý đang được đo, chẳng hạn như áp suất, nhiệt độ hoặc dịch chuyển, và chuyển đổi nó thành dạng cơ khí có thể được xử lý thêm.

• Bộ chuyển đổi Phụ
  Bộ chuyển đổi phụ lấy tín hiệu cơ khí do bộ chuyển đổi chính tạo ra và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Độ lớn của tín hiệu điện đầu ra có mối quan hệ trực tiếp với đặc điểm của tín hiệu cơ khí đầu vào. Theo cách này, bộ chuyển đổi phụ nối liền khoảng cách giữa lĩnh vực cơ khí và điện, làm cho việc đo lường và phân tích đại lượng vật lý ban đầu bằng kỹ thuật đo lường và xử lý điện trở nên có thể.

Ví dụ về Bộ chuyển đổi Chính và Phụ

Chẳng hạn, ống Bourdon, như được minh họa trong hình dưới đây, hoạt động như bộ chuyển đổi chính. Nó được thiết kế để phát hiện áp suất và chuyển đổi nó thành dịch chuyển ở đầu tự do. Khi áp suất được áp dụng lên ống, hình dạng của ống biến dạng, khiến đầu tự do di chuyển. Dịch chuyển này sau đó hoạt động như đầu vào cho giai đoạn tiếp theo của hệ thống.

Di chuyển của đầu tự do của ống Bourdon gây ra sự dịch chuyển lõi của biến đổi tuyến tính dịch chuyển biến đổi (LVDT). Khi lõi di chuyển trong LVDT, nó tạo ra điện áp đầu ra. Điện áp này tỷ lệ thuận với dịch chuyển của đầu tự do của ống, và do đó, với áp suất ban đầu được áp dụng lên ống Bourdon.

Trong trường hợp hệ thống ống Bourdon - LVDT, hai quá trình chuyển đổi riêng biệt diễn ra. Đầu tiên, quá trình chuyển đổi chính xảy ra khi ống Bourdon chuyển đổi áp suất thành dịch chuyển. Sau đó, quá trình chuyển đổi phụ diễn ra khi LVDT chuyển đổi dịch chuyển này thành tín hiệu điện áp. Ví dụ này minh họa rõ ràng cách bộ chuyển đổi chính và phụ hoạt động cùng nhau để đo lường và chuyển đổi chính xác một đại lượng vật lý thành tín hiệu điện đầu ra cho phân tích và sử dụng tiếp theo.

Ống Bourdon đóng vai trò là bộ chuyển đổi chính, trong khi L.V.D.T. (Linear Variable Displacement Transformer) hoạt động như bộ chuyển đổi phụ.

3. Bộ chuyển đổi Bị động và Chủ động

Bộ chuyển đổi cũng có thể được phân loại thành loại chủ động và bị động, mỗi loại có các đặc trưng hoạt động riêng biệt.

Bộ chuyển đổi Bị động

Bộ chuyển đổi bị động là bộ chuyển đổi phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài để hoạt động, vì vậy nó còn được gọi là bộ chuyển đổi được cung cấp điện từ bên ngoài. Các bộ chuyển đổi điện trở, điện dung và cảm ứng là ví dụ điển hình của bộ chuyển đổi bị động. Các bộ chuyển đổi này hoạt động bằng cách thay đổi một thuộc tính điện (như điện trở, điện dung hoặc cảm ứng) theo đại lượng vật lý đầu vào. Tuy nhiên, chúng không tạo ra năng lượng điện của riêng mình; thay vào đó, chúng cần một nguồn điện bên ngoài để tạo ra tín hiệu đầu ra có thể đo lường, phản ánh sự thay đổi của đại lượng vật lý đang được đo.

Bộ chuyển đổi Chủ động

Ngược lại, bộ chuyển đổi chủ động không cần nguồn điện bên ngoài để hoạt động. Các bộ chuyển đổi này tự tạo, có nghĩa là chúng có thể tạo ra điện áp hoặc dòng điện đầu ra của riêng mình. Tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi chủ động được dẫn xuất trực tiếp từ đại lượng vật lý đầu vào. Bộ chuyển đổi chủ động có khả năng chuyển đổi các hiện tượng vật lý khác nhau, như vận tốc, nhiệt độ, lực và cường độ ánh sáng, thành tín hiệu điện mà không cần dựa vào nguồn điện bên ngoài. Các ví dụ về bộ chuyển đổi chủ động bao gồm tinh thể piezoelectric, pin quang điện, tachogenerator và cặp nhiệt điện.

Ví dụ: Tinh thể Piezoelectric

Để minh họa hoạt động của bộ chuyển đổi chủ động, hãy xem xét tinh thể piezoelectric. Tinh thể piezoelectric thường được kẹp giữa hai điện cực kim loại, và toàn bộ cấu trúc được cố định chắc chắn vào một đế. Một khối lượng sau đó được đặt lên trên cấu trúc này.

Tinh thể piezoelectric có một đặc tính độc đáo: khi một lực được áp dụng lên chúng, chúng tạo ra điện áp. Trong cấu trúc đã mô tả, đế có thể trải qua gia tốc, gây ra khối lượng này tạo ra lực lên tinh thể. Lực này, lần lượt, tạo ra điện áp đầu ra trên tinh thể. Độ lớn của điện áp đầu ra này tỷ lệ thuận với gia tốc mà đế trải qua, hiệu quả chuyển đổi gia tốc cơ học thành tín hiệu điện. Ví dụ này minh họa rõ ràng cách bộ chuyển đổi chủ động có thể tự tạo tín hiệu điện dựa trên đầu vào vật lý, nhấn mạnh chức năng riêng biệt của chúng so với bộ chuyển đổi bị động.

Bộ chuyển đổi được đề cập ở trên được gọi là gia tốc kế, được thiết kế để chuyển đổi gia tốc thành điện áp. Đáng chú ý, loại bộ chuyển đổi này hoạt động mà không cần bất kỳ nguồn điện phụ trợ nào trong quá trình chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, thể hiện tính tự túc trong việc tạo tín hiệu.

4. Bộ chuyển đổi Analog và Kỹ thuật số

Bộ chuyển đổi cũng có thể được phân loại dựa trên bản chất của tín hiệu đầu ra, có thể là liên tục hoặc rời rạc.

Bộ chuyển đổi Analog

Bộ chuyển đổi analog chuyển đổi đại lượng đầu vào thành hàm liên tục. Điều này có nghĩa là tín hiệu đầu ra thay đổi mượt mà và liên tục theo sự thay đổi của đầu vào. Các ví dụ về bộ chuyển đổi analog bao gồm đồng hồ căng, biến đổi tuyến tính dịch chuyển biến đổi (LVDT), cặp nhiệt điện và nhiệt điện trở. Các thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau nơi cần biểu diễn tỷ lệ và liên tục của đại lượng vật lý được đo, chẳng hạn như trong các hệ thống đo lường chính xác và kiểm soát quy trình công nghiệp.

Bộ chuyển đổi Kỹ thuật số

Ngược lại, bộ chuyển đổi kỹ thuật số chuyển đổi đại lượng đầu vào thành tín hiệu kỹ thuật số, thường dưới dạng xung. Tín hiệu kỹ thuật số hoạt động dựa trên các trạng thái nhị phân, đại diện thông tin dưới dạng "cao" hoặc "thấp". Định dạng tín hiệu kỹ thuật số đầu ra này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng chống nhiễu cao hơn, dễ dàng tích hợp với điện tử và hệ thống máy tính kỹ thuật số, và xử lý và lưu trữ dữ liệu đơn giản hơn. Bộ chuyển đổi kỹ thuật số ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống đo lường và kiểm soát hiện đại do sự phổ biến của công nghệ kỹ thuật số.

5. Bộ chuyển đổi và Bộ chuyển đổi Ngược

Bộ chuyển đổi

Bộ chuyển đổi được định nghĩa là thiết bị chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện. Quá trình chuyển đổi này cho phép đo lường, giám sát và kiểm soát các hiện tượng vật lý khác nhau, như nhiệt độ, áp suất, dịch chuyển và lực, bằng các kỹ thuật đo lường và xử lý điện. Bộ chuyển đổi đóng vai trò quan trọng trong một loạt các ứng dụng, từ tự động hóa công nghiệp đến nghiên cứu khoa học và điện tử tiêu dùng.

Bộ chuyển đổi Ngược

Bộ chuyển đổi ngược thực hiện chức năng ngược lại của bộ chuyển đổi truyền thống. Chúng chuyển đổi các đại lượng điện trở lại thành các đại lượng vật lý. Các bộ chuyển đổi này thường có đầu vào điện cao và đầu ra không điện tương ứng thấp. Bộ chuyển đổi ngược được sử dụng trong các ứng dụng cần dịch chuyển tín hiệu điện thành các hành động hoặc phản ứng vật lý, như trong một số loại bộ chấp hành và hệ thống kiểm soát. Khái niệm về bộ chuyển đổi ngược cung cấp phương tiện để đóng vòng giữa kiểm soát điện và hoạt động vật lý, giúp kiểm soát phức tạp và chính xác hơn các hệ thống cơ khí và vật lý.