Преобразуватели са електронни устройства, които се използват за преобразуване на енергия от една форма в друга. Те се използват в различни приложения, от индустриална автоматизация до медицински изображения.
В тази статия ще предоставим преглед на това какво представляват трансдюсерите и как се използват. Ще покрием различните видове преобразуватели, техните приложения и как се използват:
Дефиниция на преобразувател
Преобразувател е устройство, което преобразува енергията от една форма в друга. Повечето преобразуватели конвертират акустична или механична енергия (т.е. звукови вълни или вибрации) в електрически сигнали или обратно, въпреки че има и такива, които могат да преобразуват енергия от светлина, температура, налягане, магнитно поле и променливи на позицията в измерими електрически стойности.
Примери за често използвани преобразуватели включват:
- микрофони които преобразуват акустичната енергия в електрически сигнали;
- високоговорители които преобразуват електрическите сигнали в акустични вълни;
- термистори които преобразуват температурните колебания в измерими напрежения;
- пиезоелектрични кристали които могат да генерират електрически сигнали в отговор на механична деформация;
- тензодатчици за откриване на малки вариации във физическото изместване като сила или въртящ момент.
Преобразувателите се използват широко в ежедневни приложения, като напр телефони, медицински изображения и системи за диагностика на машини както и специализирани системи за наблюдение като сеизмографи и оптични мрежи за пренос на сигнали. Трансдюсерите позволяват улавянето на фини промени във физическото поведение на системата чрез използване на техники за количествено измерване, като напр. измерване на потока и мониторинг на работни скорости/температури и т.н.
Видове преобразуватели
Преобразуватели са устройства, които преобразуват енергията от една форма в друга. В контекста на акустичните системи преобразувателите обикновено се използват за преобразуване на физическата енергия в електрически сигнали или обратното – електричеството в звукови вълни. Въпреки че днес на пазара има много видове трансдюсери, всички те работят в съответствие с няколко прости принципа.
Най-основният тип преобразувател е a пиезоелектричен датчик, известен още като контактен микрофон или пиезо на кратко. Пиезо преобразувателите преобразуват механичните вибрации в електрически сигнали с помощта на пиезоелектричен ефект; електрически заряд се генерира чрез компресия или вибрация, когато определени диелектрични материали (като кварц) са подложени на механично напрежение. След това този електрически заряд може да бъде усилен и преобразуван в звуков звук чрез високоговорители или слушалки.
Друг популярен тип трансдюсер е преобразувател с електромагнитна намотка – понякога се нарича просто a MIC. Те се състоят от електромагнит, обвит с намотка от тел; когато е изложена на звукови вълни, тази бобина ще създаде свой собствен електрически ток, който след това може да бъде усилен и предаден през високоговорители или слушалки. Тъй като те са склонни да реагират с по-голяма точност в честотните диапазони, отколкото пиезо-базираните устройства, микрофоните обикновено се използват в звукозаписни студия и изпълнения на живо.
И накрая, има преобразуватели на кутия за цифров преобразувател (DAC).; те работят чрез обработка на цифрова информация и преобразуването й в аналогови сигнали (или обратното). Тези устройства са от съществено значение за предаване на аудио сигнали през цифрови мрежи като Bluetooth връзки; в този случай DAC ще се използва за филтриране на части от сигнала, които могат да попречат на възпроизвеждането на качествено аудио преди предаване през безжични връзки.
Принцип на работа
Преобразувател е устройство, използвано за преобразуване на енергия от една форма в друга. Той работи, като приема входяща енергия, като напр електричество или светлина, и преобразуването му в механично движение или звук.
Най-често срещаното приложение на преобразувателите е преобразуването на електрически сигнали в звукови вълни. Този тип трансдюсер се използва в различни приложения, включително аудио системи, медицински инструменти и военни устройства.
Сега нека проучим как работи преобразувателят и различните му приложения.
Как работят трансдюсерите
Преобразувател е електрическо устройство, което обикновено се използва за преобразуване на електрически сигнал във физическа величина като звук, топлина или движение. Това преобразуване се извършва чрез използване на сензор за генериране на аналогов или цифров сигнал. След това аналоговият сигнал се преобразува в четлива форма на напрежение или ток. Предлагат се различни видове преобразуватели за откриване на различни видове енергийни сигнали, като напр механични вибрации и налягане.
Трансдюсерите съдържат три ключови елемента: източник (вход), междинен елемент (усилвател) и детектор (изход). Източникът прилага енергия под формата на налягане, звукови вълни, електрически ток и т.н., които могат да бъдат открити от междинния елемент и усилени, ако е необходимо, преди да бъдат изпратени за детектиране. Когато междинният елемент получи входната енергия, той също така открива всякакви предварително определени свойства, като напр честота и амплитуда. Детекторът открива тези свойства и след това ги преобразува обратно в измеримо физическо свойство като напрежение или ток на изходния етап за по-нататъшна употреба.
В процесите на автоматизация се интегрират операционни модули като роботи мощност преобразуватели, така че да могат да откриват външни сили, които действат върху ръката на робота, и да гарантират, че движението му остава безопасно в границите на работа. Преобразувателите на мощност се използват и в промишлени системи за управление, където токовете и напреженията трябва да бъдат точно наблюдавани за дългосрочна стабилност и прецизност в автоматизирани процеси. В системите за домашна автоматизация ключалките на вратите обикновено използват сензори, за да включете светлини, когато някой се приближи до врата или отворете прозорци, когато се усетят движения в домашна среда.
Видове преобразувателни сигнали
Преобразуватели са компонентите на система, използвана за преобразуване на една форма на енергия в друга. Те измерват, усещат и предават различни видове сигнали като електрически, механични, термични и оптични. Сигналите на трансдюсерите се разделят основно на две основни категории: аналог намлява дигитално.
Аналоговите преобразуватели измерват различна физическа информация от околната среда, за да генерират аналогови сигнали, които представят такава информация в електрически формат. Данни като налягане, температура, скорост и ускорение могат да бъдат преобразувани в аналогови сигнали с помощта на преобразуватели за измерване или контрол. Примерите за аналогови преобразуватели включват микрофони, които преобразуват звуковите вълни в електрическо напрежение; пиезоелектрични акселерометри, които преобразуват механичните вибрации в електрически ток; термодвойки, които отчитат температури; и т.н.
Цифровите преобразуватели преобразуват сигнал от физически параметри (като светлина или звук) в цифрови представяния, които могат да бъдат генерирани само след завършване на обработката в цифровия сигнален процесор, прикрепен към самия преобразувател. За разлика от аналоговите сигнали, цифровите сигнали се състоят от дискретни нива като 0s и 1s, съответстващи на някакво предварително дефинирано състояние, а не непрекъснато ниво на напрежение или ток в случай на аналогови. Цифровата обработка на сигнали се използва широко в телекомуникационни системи като мобилни телефони, сензори като LED светлини, слънчеви панели и т.н., където цифровите данни протичат през мрежите с по-високи скорости в сравнение с аналоговите им данни. Това е така, защото цената за формиране на вериги за еднобитово предаване е много по-малка от тази, свързана с формирането на вериги за изпращане на аудио вълна част по част в определен честотен диапазон на разстояние.
Приложения
Преобразувател се използва широко в различни приложения, като напр медицински устройства за изображения, автомобилни сензори и системи за контрол на индустриални процеси. Това е устройство, което преобразува енергия от една форма, аналогова или цифрова, в друга форма. Освен това преобразувателите са в основата на всяка съвременна система за автоматизация, тъй като се използват за преобразуване и кондициониране на сигнала.
Нека проучим различните приложения на преобразувателите:
Автомобилни новини
Автомобилни преобразуватели се използват широко в автомобилната индустрия за различни приложения поради тяхната прецизна производителност, малък размер и ефективност на разходите. Те са изключително важни инструменти, използвани в системите за наблюдение и контрол на превозни средства за измерване на различни параметри, като напр температура, налягане и позиция.
Преобразувателите обикновено се използват в автомобилните двигатели за измерване скорост, позиция на компонентите като бутала или разпределителни валове, налягане на отработените газове или замърсители, температура или дебит. Преобразувателите могат да помогнат при идентифицирането на непредвидени проблеми, които обикновените методи за проверка биха пропуснали. Например, преобразувател на скоростта на въртене може да се използва за измерване на всякакви колебания в оборотите на двигателя, които биха могли да показват общо износване, необичайно горене или проблеми с неправилното центриране.
В електрическата система на превозното средство те могат да се използват за откриване на електронни сигнали и предоставяне на обратна информация дали е в рамките на спецификациите на производителя и подпомагане при отстраняване на неизправности на електрическите системи в автомобила. Типичните приложения включват измерване ток на батерията и нива на напрежение (за управление на нивата на зареждане), сензор за нивото на горивото (за наблюдение на точността на нивото), както и откриване на момента на запалване както на дизелови, така и на бензинови двигатели (за осигуряване на оптимално горене). Те също така често се използват във вентилационни системи, включително контролиране на скоростта на обмен на въздух между външния въздух и вътрешните кабини за целите на контрола на комфорта.
Освен това технологията на преобразувателите се разработва за използване във фабрични системи за автоматизация, където се разполагат сензори за автоматизирани работни станции за поточна линия, както и за контрол на качеството на части, произведени от машини. Тук данните от преобразувателите могат да бъдат заснети от компютърно контролирани роботи, извършващи не само редовни планирани проверки за поддръжка, но и сложни задачи като диагностициране на проблеми с подравняването или повреди, свързани с изключване в производствените линии.
Промишлен
Индустриални приложения Преобразувателите обикновено се намират във фабричната автоматизация, управлението на процеси и роботиката. Обичайните индустриални сензори са ускорение, движение, вибрация, налягане/сила, температура, преместване/разстояние/позиция и докосване. Тези типове приложения обикновено са еднопосочни комуникационни системи, в които преобразувателят преобразува физически в електрически енергийни сигнали като обратна връзка към процесор за наблюдение или като вход за контролна верига, която влияе на физическия процес чрез задвижващи механизми като двигатели или соленоиди.
Голямото разнообразие от типове сензори позволява преобразувателите да се използват за различни промишлени процеси като рязане и формоване на метали, процеси на сондиране и рафиниране на нефтени находища (SPM), заваръчни системи и машини за сглобяване. В зависимост от типа приложение, за което се използва трансдюсерът, може да е необходимо електрическият изходен сигнал да се преобразува от една форма на енергия в друга подходяща форма (температура в налягане или изместване в скорост).
Трансдюсерите могат дори да бъдат свързани помежду си в сложни мрежи с оптични линии, често свързващи „стратегически“ точки в големи автоматизирани производствени съоръжения. Изходните устройства могат да бъдат свързани по подобен начин обратно от процесорите, за да предприемат действия по обратната връзка от околната среда. Приложенията на индустриалните преобразуватели варират от правене на измервания достъпни за хората (дисплей на терминал за данни) за извършване на изчисления върху позиционни данни спрямо съхранени програми по отношение на приемливи параметри (сервосистеми със затворен контур).
медицински
Преобразувателите се използват в медицинската технология за редица приложения. Едно такова приложение е електрокардиография (ЕКГ) който измерва електрическите импулси на сърцето във времето и ги показва като графика. При този процес електродите се поставят върху части от тялото, като крайниците или гърдите, и ги отвеждат до ЕКГ машина. Електродите откриват електрическата активност на сърцето, за да оценят всички неравномерни удари или всяко друго откриваемо състояние, свързано със сърдечната дейност.
За друго медицинско приложение се използват трансдюсери ултразвуково изображение и сканиране. Това включва използването на устройство, известно като ултразвукова сонда, за излъчване на високочестотни звукови вълни в определени части на тялото за създаване на изображения, които показват меки тъкани и органи като кости, мускули, сухожилия, връзки, хрущяли и кръвоносни съдове. Тези изображения могат да се използват за диагностициране на заболявания в тялото, като диагностициране на тумори или други заболявания като рак.
Освен това преобразувателите се използват в инструменти за наблюдение – устройства, които предоставят информация в реално време за състоянието на пациента от един момент до друг за определен период от време – включително:
- Пулсови оксиметри които измерват нивата на насищане с кислород в кръвта.
- ЕКГ монитори които измерват коронарна сърдечна честота или ритъмни аномалии.
- Монитори за температура, честота на дишане и други жизнени показатели като кръвно налягане и нива на глюкоза.
Потребителска електроника
Потребителската електроника е сред най-честите приложения на преобразуватели. Това е така, защото трансдюсерите могат да преобразуват електрическата енергия в звук, който след това може да се използва от високоговорители в различни видове аудио устройства. Освен това преобразувателите се използват за преобразуване на енергия от една форма в друга, за да се подобри съотношението сигнал/шум в телевизионни и радиоприемници. Те също играят роля в преобразуването на електронни сигнали в акустични вълни, така че да могат да бъдат усилени.
Други примери включват използването им в телефони и слушалки, където помагат за усилване на звука и също намаляване на фоновия шум. Трансдюсерите се използват и в оборудване за видеозапис, като видеокамери и цифрови фотоапарати, за преобразуване на оптични сигнали в електрически, така че след това да могат да бъдат съхранявани цифрово или манипулирани с компютър. И накрая, медицинското оборудване често използва трансдюсерна технология за ултразвуково изображение и други цели.
Предимства и недостатъци
Преобразувател е устройство, което може да преобразува една форма на енергия в друга форма на енергия. Използва се в голямо разнообразие от приложения като измерване сила, температура, позиция, скорост и други физически променливи.
В тази статия ще обсъдим предимствата и недостатъците на използването на преобразуватели. Като разберете предимствата и недостатъците на даден датчик, можете да вземете информирано решение относно използването му в различни приложения.
Предимства
Преобразувател е устройство, което преобразува енергия от една форма в друга, често с цел измерване на физическа величина. Има много различни видове преобразуватели, всеки от които е подходящ за определена цел. Трансдюсерите предлагат множество предимства по отношение на удобство и точност и са се превърнали в незаменими компоненти в съвременната технология.
Предимствата на преобразувателите включват:
- здравина: Преобразувателите са относително нечувствителни към условията на околната среда и могат да се използват при екстремни температури и други опасни условия. Те обикновено изискват малко поддръжка през целия си живот.
- Висока скорост: Много сензори могат да предоставят показания в рамките на милисекунди, което позволява бързо време за реакция и контрол на обратната връзка, ако е необходимо.
- Гъвкавост: Възможен е широк спектър от приложения благодарение на многобройните сензорни възможности на преобразувателите, от измервания за контрол на процеси до медицинска диагностика.
- Прецизност: Изходният сигнал от сондата обикновено е много прецизен в сравнение с измерванията, направени на ръка или с други по-малко надеждни средства. Грешките при измерване могат да бъдат много по-ниски от тези при ръчни методи.
- Ефективност на разходите: Разходите за трансдюсери намаляха драстично през последните години поради напредъка в технологиите, който сега ги прави достъпни за повечето приложения.
Недостатъци
Преобразуватели имат както предимства, така и недостатъци. Въпреки че са удобен, ефективен и рентабилен начин за преобразуване на енергия от една форма в друга, те имат ограничения.
Най-забележителният недостатък на преобразувателите е тяхната чувствителност към шумови смущения. Това е особено вярно при измерване на нискочестотни показания. Преобразувателите могат да бъдат неблагоприятно повлияни от други електрически сигнали, което води до неточни показания и неточни резултати.
Друг недостатък на преобразувателите е тяхната относителна бавно време за реакция в сравнение с други форми на преобразуване на енергия като механични устройства или алгоритми. В определени приложения, например когато са необходими бързи решения или когато са необходими високи нива на прецизност, традиционните методи може да са по-подходящи от системите от преобразуватели.
Преобразувателите също изискват специализирани умения да ги инсталирате и управлявате правилно, което ги прави неподходящи за много приложения, където има неквалифициран персонал или околната среда изисква бързо разгръщане и лесна работа за оптимална работа.
Заключение
В заключение, преобразуватели са съществен елемент от много индустрии и устройства за начин на живот. Те могат да превърнат електрическата енергия в механична енергия и обратно, позволявайки извършването на важни измервания, които не са били възможни преди. Преобразувателите покриват широк спектър от области на приложение и могат да се използват в комбинация един с друг за получаване на по-точни измервания.
Различните типове се различават по дизайн и употреба; Ултразвукови преобразуватели са особено полезни за неразрушаващо изпитване поради способността им да измерват дебелината на материала, без да се намесват в обекта по никакъв начин. Пиезоелектрични преобразуватели преобразуват механичното напрежение в електрически потенциали, което ги прави подходящи за медицински образи, тъй като осигуряват ясни изображения на вътрешните органи. накрая, резистивни преобразуватели са отлични за измерване на температурни промени, което ги прави подходящи за автомобилни приложения, като например наблюдение на температурите на двигателя.
Като цяло трансдюсерите служат за много цели, както големи, така и малки, и е важно потребителите да разберат как работят тези устройства, така че да могат да изберат правилния тип за своите нужди. С напредването на технологиите ще има повече възможности за хората да използват подобрени сензори, които разчитат на трансдюсерна технология, така че е важно да останете информирани по този въпрос!
Аз съм Joost Nusselder, основател на Neaera и търговец на съдържание, татко и обичам да изпробвам ново оборудване с китара в сърцето на моята страст и заедно с моя екип създавам задълбочени статии в блога от 2020 г. да помогне на лоялните читатели със съвети за запис и китара.
