Muundurid on elektroonilised seadmed, mida kasutatakse energia muundamiseks ühest vormist teise. Neid kasutatakse mitmesugustes rakendustes, alates tööstusautomaatika kuni meditsiinilise pildistamiseni.
Selles artiklis anname ülevaate, mis on andurid ja kuidas neid kasutatakse. Me käsitleme erinevaid andurite tüübid, nende rakendused ja kasutusviis:
Anduri definitsioon
Andur on seade, mis muundab energia ühest vormist teise. Enamik andureid teisendab akustiline või mehaaniline energia (st helilained või vibratsioon) elektrilisteks signaalideks või vastupidi, kuigi on ka selliseid, mis suudavad valgusest, temperatuurist, rõhust, magnetväljast ja asendimuutujatest saadava energia muundada mõõdetavateks elektrilisteks väärtusteks.
Tavaliselt kasutatavate andurite näited on järgmised:
- mikrofonid mis muudavad akustilise energia elektrilisteks signaalideks;
- valjuhääldid mis muudavad elektrilised signaalid akustilisteks laineteks;
- termistorid mis muudavad temperatuurikõikumised mõõdetavateks pingeteks;
- piesoelektrilised kristallid mis võivad tekitada elektrilisi signaale vastuseks mehaanilisele deformatsioonile;
- pingutusmõõturid füüsilise nihke (nt jõu või pöördemomendi) väikeste kõikumiste tuvastamiseks.
Andureid kasutatakse laialdaselt igapäevastes rakendustes, näiteks telefonid, meditsiinilise pildistamise ja masinate diagnostikasüsteemid samuti spetsiaalsed seiresüsteemid nagu seismograafid ja kiudoptilised signaaliedastusvõrgud. Andurid võimaldavad tabada peeneid muutusi süsteemi füüsilises käitumises, kasutades kvantitatiivseid mõõtmismeetodeid, nagu vooluhulga mõõtmine ja töökiiruste/temperatuuride jälgimine ja nii edasi
Andurite tüübid
Muundurid on seadmed, mis muundavad energiat ühest vormist teise. Akustiliste süsteemide kontekstis kasutatakse tavaliselt muundureid füüsilise energia muundamiseks elektrilisteks signaalideks või vastupidi – elektri muundamiseks helilaineteks. Kuigi tänapäeval on turul saadaval mitut tüüpi andureid, töötavad need kõik mõne lihtsa põhimõtte kohaselt.
Kõige elementaarsem muunduri tüüp on a piesoelektriline andur, tuntud ka kui kontaktmikrofon või pieso lühidalt. Piesomuundurid muudavad mehaanilised vibratsioonid elektrilisteks signaalideks, kasutades piesoelektriline efekt; elektrilaeng tekib kokkusurumise või vibratsiooni teel, kui teatud dielektrilised materjalid (nt kvarts) on allutatud mehaanilisele pingele. Seda elektrilaengut saab seejärel võimendada ja muuta kõlarite või kõrvaklappide kaudu kuuldavaks heliks.
Teine populaarne anduri tüüp on elektromagnetilise mähise muundur – mõnikord nimetatakse seda lihtsalt a mic. Need koosnevad traadipooliga mähitud elektromagnetist; helilainetega kokku puutudes tekitab see mähis oma elektrivoolu, mida saab seejärel võimendada ja kõlarite või kõrvaklappide kaudu edastada. Kuna need kipuvad reageerima sagedusvahemikes suurema täpsusega kui piesopõhised seadmed, kasutatakse mikrofone tavaliselt nii salvestusstuudiotes kui ka live-esitustes.
Lõpuks on olemas digitaalmuunduri kasti (DAC) muundurid; need töötavad digitaalse teabe töötlemise ja selle analoogsignaalideks teisendamise teel (või vastupidi). Need seadmed on olulised helisignaalide edastamiseks digitaalsete võrkude (nt Bluetoothi) kaudu; sel juhul kasutatakse DAC-i, et enne traadita ühenduse kaudu edastamist välja filtreerida signaali osad, mis võivad häirida kvaliteetset heliesitust.
Tööpõhimõte
Andur on seade, mida kasutatakse energia muundamiseks ühest vormist teise. See toimib võttes sisendenergiat, nt elektrit või valgustja teisendades selle järgmiseks mehaaniline liikumine või heli.
Andurite levinuim rakendus on elektriliste signaalide muundamine helilaineteks. Seda tüüpi andureid kasutatakse mitmesugustes rakendustes, sealhulgas helisüsteemid, meditsiiniinstrumendid ja sõjalised seadmed.
Nüüd uurime kuidas andur töötab ja selle erinevad kasutusalad.
Kuidas andurid töötavad
Andur on elektriseade, mida tavaliselt kasutatakse elektrisignaali teisendamiseks füüsikaliseks suuruseks, nagu heli, soojus või liikumine. See muundamine toimub analoog- või digitaalsignaali tootmiseks anduri abil. Seejärel muundatakse analoogsignaal pinge või voolu loetavaks vormiks. Erinevat tüüpi energiasignaalide tuvastamiseks on saadaval erinevat tüüpi muundurid, näiteks mehaanilised vibratsioonid ja rõhk.
Andurid sisaldavad kolme põhielementi: allikas (sisend), vaheelement (võimendi) ja detektor (väljund). Allikas rakendab energiat rõhu, helilainete, elektrivoolu jms kujul, mida vaheelement suudab tuvastada ja vajadusel võimendada enne tuvastamiseks saatmist. Kui vaheelement saab sisendenergiat, tuvastab see ka kõik etteantud omadused, nagu näiteks sagedus ja amplituud. Detektor tuvastab need omadused ja teisendab need seejärel edasiseks kasutamiseks tagasi mõõdetavaks füüsiliseks omaduseks, nagu pinge või vool väljundfaasis.
Automatiseerimisprotsessides on integreeritud operatsioonimoodulid nagu robotid võim muundurid, et nad suudaksid tuvastada roboti käele mõjuvaid välisjõude ja tagada, et selle liikumine jääb tööpiirangute piiresse ohutuks. Jõumuundureid kasutatakse ka tööstuslikes juhtimissüsteemides, kus voolusid ja pingeid tuleb täpselt jälgida pikaajalise stabiilsuse ja täpsuse tagamiseks automatiseeritud protsessides. Koduautomaatikasüsteemides kasutavad ukselukud tavaliselt andureid lülitage tuled sisse, kui keegi läheneb uksele, või avage aknad, kui tunnete liikumist koduses keskkonnas.
Anduri signaalide tüübid
Muundurid on süsteemi komponendid, mida kasutatakse ühe energialiigi teiseks muundamiseks. Nad mõõdavad, tajuvad ja edastavad erinevat tüüpi signaale, nagu elektrilised, mehaanilised, termilised ja optilised. Anduri signaalid jagunevad peamiselt kahte suurde kategooriasse: analoog ja digitaalne.
Analoogmuundurid mõõdavad keskkonnast erinevat füüsilist teavet, et genereerida analoogsignaale, mis esitavad sellist teavet elektrilises vormingus. Andmeid, nagu rõhk, temperatuur, kiirus ja kiirendus, saab mõõtmise või juhtimise eesmärgil muundurite abil teisendada analoogsignaalideks. Analoogmuundurite näidete hulka kuuluvad mikrofonid, mis muudavad helilained elektripingeks; piesoelektrilised kiirendusmõõturid, mis muudavad mehaanilise vibratsiooni elektrivooluks; termopaarid, mis tuvastavad temperatuuri; jne.
Digitaalsed muundurid muudavad signaali füüsilistest parameetritest (nagu valgus või heli) digitaalseteks esitusteks, mida saab genereerida alles pärast anduri enda külge kinnitatud digitaalse signaaliprotsessori töötlemise lõpetamist. Erinevalt analoogsignaalidest koosnevad digitaalsignaalid diskreetsetest tasemetest, nagu 0-d ja 1-d, mis vastavad mingile eelnevalt määratletud olekule, mitte aga pidevale pinge- või voolutasemele analoogsignaalide puhul. Digitaalset signaalitöötlust kasutatakse laialdaselt sellistes telekommunikatsioonisüsteemides nagu mobiiltelefonid, andurid nagu LED-tuled, päikesepaneelid jne, kus digitaalsed andmed liiguvad võrkude vahel suurema kiirusega võrreldes analoogsete analoogandmetega. Selle põhjuseks on asjaolu, et ühebitise edastuse jaoks mõeldud ahelate moodustamise maksumus on palju väiksem kui ahelate moodustamine, et saata helilainekuju tükkhaaval teatud sagedusvahemikus teatud vahemaa tagant.
Rakendused
Andur kasutatakse laialdaselt erinevates rakendustes, nt meditsiinilised kuvamisseadmed, autoandurid ja tööstusprotsesside juhtimissüsteemid. See on seade, mis teisendab energia ühest vormist, analoog- või digitaalsest vormist, teise. Lisaks on andurid iga kaasaegse automaatikasüsteemi aluseks, kuna neid kasutatakse signaali muundamine ja signaali konditsioneerimine.
Uurime andurite erinevaid rakendusi:
Automotive
Autode muundurid kasutatakse autotööstuses laialdaselt mitmesugustes rakendustes nende täpse jõudluse, väiksuse ja kulutõhususe tõttu. Need on äärmiselt olulised vahendid, mida kasutatakse sõidukite seire- ja juhtimissüsteemides erinevate parameetrite mõõtmiseks, nagu temperatuur, rõhk ja asend.
Mõõtmiseks kasutatakse tavaliselt automootorites muundureid kiirus, komponentide asukoht nagu kolvid või nukkvõllid, väljalaskerõhk või saasteained, temperatuur või voolukiirus. Andurid võivad aidata tuvastada ettenägematuid probleeme, mida tavalised kontrollimeetodid märkamata jääksid. Näiteks saab pöörlemiskiiruse andurit kasutada mootori pöörete arvu kõikumiste mõõtmiseks, mis võivad viidata üldisele kulumisele, ebanormaalsele põlemisele või ebanormaalsele joondamisele.
Sõiduki elektrisüsteemis saab neid kasutada elektrooniliste signaalide tuvastamiseks ja tagasiside andmiseks selle kohta, kas see vastab tootja spetsifikatsioonidele, ning abistada auto elektrisüsteemide tõrkeotsingul. Tüüpilised rakendused hõlmavad mõõtmist aku voolu ja pinge tasemed (laadimistasemete haldamiseks), kütuse taseme tuvastamine (taseme täpsuse jälgimiseks) kui ka süüte ajastuse tuvastamine nii diisel- kui ka bensiinimootoritel (optimaalse põlemise tagamiseks.) Neid kasutatakse sageli ka ventilatsioonisüsteemides, sealhulgas välisõhu ja salongi vahelise õhuvahetuse reguleerimisel mugavuse kontrollimiseks.
Lisaks töötatakse välja andurite tehnoloogiat kasutamiseks tehase automatiseerimissüsteemides, kus andureid kasutatakse automatiseeritud koosteliinide robotite tööjaamades ning masinate toodetud osade kvaliteedikontrolliks. Siin saavad anduritelt saadud andmeid salvestada arvutiga juhitavad robotid, kes teevad mitte ainult regulaarseid plaanipäraseid hoolduskontrolle, vaid ka keerukaid ülesandeid, nagu joondusprobleemide või seiskamisega seotud vigade diagnoosimine tootmisliinide sees.
Tööstus-
Tööstuslikud rakendused andureid leidub tavaliselt tehase automatiseerimises, protsessijuhtimises ja robootikas. Levinud tööstuslikud andurid on kiirendus, liikumine, vibratsioon, rõhk/jõud, temperatuur, nihe/kaugus/asend ja puudutage. Seda tüüpi rakendused on tavaliselt ühesuunalised sidesüsteemid, milles muundur teisendab füüsilised signaalid elektrienergiaks tagasisidena jälgimisprotsessorile või sisendiks juhtimisahelasse, mis mõjutab füüsilist protsessi täiturmehhanismide, näiteks mootorite või solenoidide kaudu.
Anduritüüpide lai valik võimaldab andureid kasutada mitmesugustes tööstuslikes protsessides, nagu metalli lõikamine ja vormimine, naftaväljade puurimis- ja rafineerimisprotsessid (SPM), keevitussüsteemid ja montaažimasinad. Olenevalt rakenduse tüübist, mille jaoks muundurit kasutatakse, võib osutuda vajalikuks teisendada elektriline väljundsignaal ühest energiavormist teise sobivasse vormi (temperatuur rõhuks või nihe kiiruseks).
Andureid saab isegi ühendada keerulistes võrkudes, kus kiudoptilised liinid ühendavad sageli suurte automatiseeritud tootmisrajatiste strateegilisi punkte. Väljundseadmeid saab sarnaselt protsessoritest välja ühendada, et võtta meetmeid keskkonnast saadava tagasiside põhjal. Tööstuslike andurite rakendused ulatuvad mõõtmiste inimestele kättesaadavaks tegemisest (andmeterminali ekraan) asukohaandmete arvutuste tegemiseks salvestatud programmide suhtes vastuvõetavate parameetrite osas (suletud ahelaga servosüsteemid).
Meditsiin
Andureid kasutatakse meditsiinitehnoloogias mitmesuguste rakenduste jaoks. Üks selline rakendus on elektrokardiograafia (EKG) mis mõõdab südame elektrilisi impulsse ajas ja kuvab selle graafikuna. Selle protsessi käigus asetatakse elektroodid kehapiirkondadele, näiteks jäsemetele või rinnale, ja suunatakse need EKG-masinasse. Elektroodid tuvastavad südame elektrilise aktiivsuse, et hinnata ebaregulaarseid lööke või muid tuvastatavaid südametegevusega seotud seisundeid.
Teine meditsiinilise rakenduse andureid kasutatakse ultraheli pildistamine ja skaneerimine. See hõlmab ultrahelisondina tuntud seadme kasutamist kõrgsageduslike helilainete kiirgamiseks teatud kehaosades, et luua kujutisi, mis näitavad pehmeid kudesid ja elundeid, nagu luud, lihased, kõõlused, sidemed, kõhred ja veresooned. Neid pilte saab kasutada kehasiseste haiguste diagnoosimiseks, näiteks kasvajate või muude haiguste, näiteks vähi diagnoosimiseks.
Lisaks kasutatakse andureid seirevahendid – seadmed, mis annavad teatud aja jooksul reaalajas teavet patsiendi seisundi kohta ühest ajahetkest teise – sealhulgas:
- Pulssoksümeetrid mis mõõdavad hapniku küllastatuse taset veres.
- EKG monitorid mis mõõdavad koronaarset südame löögisagedust või rütmihäireid.
- Monitorid jaoks temperatuur, hingamissagedus ja muud elulised näitajad nagu vererõhk ja glükoosisisaldus.
Koduelektroonika
Tarbeelektroonika on nende hulgas andurite levinumad rakendused. Seda seetõttu, et muundurid suudavad elektrienergiat heliks muundada, mida saavad seejärel kasutada erinevat tüüpi heliseadmete kõlarid. Lisaks kasutatakse muundureid energia muundamiseks ühest vormist teise, et parandada signaali-müra suhet telerites ja raadiotes. Samuti mängivad nad osa elektrooniliste signaalide muutmisel akustilisteks laineteks, et neid saaks võimendada.
Muud näited hõlmavad nende kasutamist telefonides ja peakomplektides, kus need aitavad heli võimendada ja ka vähendada taustmüra. Andureid kasutatakse ka videosalvestusseadmetes, näiteks videokaamerates ja digitaalkaamerates, et teisendada optilised signaalid elektrilisteks signaalideks, et neid saaks seejärel digitaalselt salvestada või arvutiga manipuleerida. Lõpuks kasutavad meditsiiniseadmed sageli muunduritehnoloogiat ultraheli pildistamine ja muudel eesmärkidel.
Eelised ja puudused
Andur on seade, mis suudab muuta ühe energialiigi teiseks energiaks. Seda kasutatakse paljudes rakendustes, nagu mõõtmine jõud, temperatuur, asend, kiirus ja muud füüsikalised muutujad.
Selles artiklis käsitleme andurite kasutamise eeliseid ja puudusi. Mõistes anduri eeliseid ja puudusi, saate teha teadliku otsuse selle kasutamise kohta erinevates rakendustes.
Eelised
Andur on seade, mis muundab energiat ühest vormist teise, sageli eesmärgiga mõõta füüsikalist suurust. Andureid on palju erinevat tüüpi, millest igaüks sobib konkreetseks otstarbeks. Andurid pakuvad arvukalt eeliseid mugavuse ja täpsuse osas ning neist on saanud kaasaegses tehnoloogias asendamatud komponendid.
Andurite eelised hõlmavad järgmist:
- Tugevus: Andurid on keskkonnatingimuste suhtes suhteliselt vähetundlikud ning neid saab kasutada äärmuslikes temperatuurides ja muudes ohtlikes tingimustes. Tavaliselt vajavad nad oma eluea jooksul vähe hooldust.
- High Speed: Paljud andurid suudavad anda näidud millisekundite jooksul, võimaldades kiiret reageerimisaega ja vajadusel tagasisidet juhtida.
- Mitmekülgsus: Tänu andurite paljudele tuvastusvõimalustele on võimalik lai valik rakendusi alates protsessijuhtimismõõtmistest kuni meditsiinidiagnostikani.
- Täpsus: Anduri väljundsignaal on tavaliselt väga täpne, võrreldes käsitsi või mõne muu vähem usaldusväärse vahendiga tehtud mõõtmistega. Mõõtmisvead võivad olla palju väiksemad kui käsitsi meetodite puhul.
- Kulutõhususe: Andurite kulud on viimastel aastatel järsult langenud tänu tehnoloogia arengule, mis muudab need nüüd enamiku rakenduste jaoks juurdepääsetavaks.
Puudused
Muundurid on nii eeliseid kui ka puudusi. Kuigi need on mugav, tõhus ja kulutõhus viis energia muundamiseks ühest vormist teise, on neil siiski piiranguid.
Andurite kõige märkimisväärsem puudus on nende vastuvõtlikkus müra häired. See kehtib eriti madala sagedusega näitude mõõtmisel. Teised elektrilised signaalid võivad andureid negatiivselt mõjutada, mille tulemuseks on ebatäpsed näidud ja ebatäpsed tulemused.
Teiseks andurite puuduseks on nende suhteliselt aeglane reageerimisaeg võrreldes teiste energia muundamise vormidega, nagu mehaanilised seadmed või algoritmid. Teatud rakendustes, näiteks kui on vaja kiireid otsuseid või kui on vaja suurt täpsust, võivad traditsioonilised meetodid olla sobivamad kui andurisüsteemid.
Andurid nõuavad ka erioskused nende õigeks paigaldamiseks ja kasutamiseks, mis muudab need sobimatuks paljudes rakendustes, kus on kvalifitseerimata töötajaid või keskkond seda nõuab kiire kasutuselevõtt ja lihtne kasutamine optimaalseks jõudluseks.
Järeldus
Kokkuvõtteks andurid on paljude tööstusharude ja elustiiliseadmete oluline element. Need võivad muuta elektrienergia mehaaniliseks energiaks ja vastupidi, võimaldades teha olulisi mõõtmisi, mida varem polnud võimalik teha. Andurid hõlmavad laia valikut rakendusalasid ja neid saab täpsemate mõõtmiste tegemiseks kasutada koos üksteisega.
Erinevad tüübid on disaini ja kasutusviisi poolest erinevad; Ultraheli muundurid on eriti kasulikud mittepurustav testimine tänu nende võimele mõõta materjali paksust ilma objekti tööd mingil viisil segamata. Piesoelektrilised muundurid teisendavad mehaanilise pinge elektrilisteks potentsiaalideks, mis muudavad need meditsiiniliseks pildistamiseks sobivaks, kuna annavad siseorganitest selgeid kujutisi. Lõpuks takistuslikud muundurid sobivad suurepäraselt temperatuurimuutuste mõõtmiseks, mistõttu sobivad need autotööstuses kasutamiseks, näiteks mootori temperatuuride jälgimiseks.
Üldiselt teenivad muundurid paljusid nii suuri kui ka väikeseid eesmärke ning kasutajatel on oluline mõista, kuidas need seadmed töötavad, et nad saaksid valida oma vajadustele vastava tüübi. Tehnoloogia arenedes on inimestel rohkem võimalusi kasutada täiustatud andureid, mis põhinevad muunduritehnoloogial, seega on oluline end selles küsimuses kursis hoida!
Olen Joost Nusselder, Neaera asutaja ja sisuturundaja, isa ja armastan kitarriga uusi seadmeid proovida ning olen koos meeskonnaga loonud põhjalikke ajaveebiartikleid alates 2020. aastast. et aidata lojaalseid lugejaid salvestus- ja kitarrinõuannetega.
