muuntimet ovat elektronisia laitteita, joita käytetään muuntamaan energiaa muodosta toiseen. Niitä käytetään erilaisissa sovelluksissa, alkaen teollisuusautomaatiosta lääketieteelliseen kuvantamiseen.
Tässä artikkelissa annamme yleiskatsauksen siitä, mitä anturit ovat ja miten niitä käytetään. Käsittelemme erilaisia muuntimien tyypit, niiden sovellukset ja kuinka niitä käytetään:
Määritelmä anturi
Muunnin on laite, joka muuntaa energiaa muodosta toiseen. Suurin osa muuntimista muuntaa akustista tai mekaanista energiaa (eli ääniaallot tai värähtely) sähköisiksi signaaleiksi tai päinvastoin, vaikka on myös sellaisia, jotka voivat muuntaa valon, lämpötilan, paineen, magneettikentän ja sijaintimuuttujien energian mitattavissa oleviksi sähköisiksi arvoiksi.
Esimerkkejä yleisesti käytetyistä muuntimista ovat:
- mikrofonit jotka muuttavat akustisen energian sähköisiksi signaaleiksi;
- kaiuttimet jotka muuttavat sähköiset signaalit akustisiksi aalloksi;
- termistorit jotka muuttavat lämpötilan vaihtelut mitattavissa oleviksi jännitteiksi;
- pietsosähköiset kiteet jotka voivat tuottaa sähköisiä signaaleja vasteena mekaaniselle muodonmuutokselle;
- venymämittarit fyysisen siirtymän pienten vaihteluiden, kuten voiman tai vääntömomentin, havaitsemiseen.
Muuntimia käytetään laajalti jokapäiväisissä sovelluksissa, kuten puhelimet, lääketieteelliset kuvantamis- ja koneiden diagnoosijärjestelmät sekä erikoistuneet valvontajärjestelmät, kuten seismografit ja kuituoptiset signaalinsiirtoverkot. Muuntimet mahdollistavat järjestelmän fysikaalisen käyttäytymisen hienovaraisten muutosten sieppaamisen käyttämällä kvantitatiivisia mittaustekniikoita, kuten esim. virtauksen mittaus ja käyttönopeuksien/lämpötilojen valvonta ja niin edelleen
Antureiden tyypit
muuntimet ovat laitteita, jotka muuttavat energiaa muodosta toiseen. Akustisissa järjestelmissä muuntimia käytetään yleisesti muuttamaan fyysistä energiaa sähköisiksi signaaleiksi tai päinvastoin – sähköä ääniaalloiksi. Vaikka markkinoilla on nykyään saatavilla monenlaisia muuntimia, ne kaikki toimivat muutaman yksinkertaisen periaatteen mukaan.
Kaikkein yksinkertaisin muuntimen tyyppi on a pietsosähköiset anturin, joka tunnetaan myös kontaktimikrofonina tai pietso lyhyesti. Pietsokanturit muuttavat mekaaniset värähtelyt sähköisiksi signaaleiksi käyttämällä pietsosähköinen vaikutus; sähkövaraus syntyy puristuksen tai värähtelyn kautta, kun tietyt dielektriset materiaalit (kuten kvartsi) altistuvat mekaaniselle rasitukselle. Tämä sähkövaraus voidaan sitten vahvistaa ja muuntaa kuuluvaksi ääneksi kaiuttimien tai kuulokkeiden kautta.
Toinen suosittu anturityyppi on sähkömagneettinen kela muunnin – kutsutaan joskus yksinkertaisesti a mic. Nämä koostuvat sähkömagneetista, joka on kääritty lankakelaan; Kun tämä käämi altistuu ääniaalloille, se luo oman sähkövirtansa, joka voidaan sitten vahvistaa ja lähettää kaiuttimien tai kuulokkeiden kautta. Koska niillä on taipumus vastata tarkkuudella taajuusalueilla kuin pietsopohjaiset laitteet, niitä käytetään yleisesti äänitysstudioissa ja live-esityksissä.
Lopuksi on olemassa DAC-muuntimet; nämä toimivat käsittelemällä digitaalista tietoa ja muuntamalla sen analogisiksi signaaleiksi (tai päinvastoin). Nämä laitteet ovat välttämättömiä äänisignaalien lähettämiseksi digitaalisten verkkojen, kuten Bluetooth-yhteyksien, kautta; tässä tapauksessa DAC:ta käytettäisiin suodattamaan pois signaalin osat, jotka voivat häiritä laadukasta äänentoistoa ennen lähettämistä langattomien yhteyksien kautta.
Toimintaperiaate
Muunnin on laite, jota käytetään muuttamaan energiaa muodosta toiseen. Se toimii ottamalla syöttöenergiaa, kuten sähköä tai valoa, ja muuntaa sen muotoon mekaanista liikettä tai ääntä.
Antureiden yleisin sovellus on sähköisten signaalien muuntaminen ääniaalloiksi. Tämän tyyppistä anturia käytetään monissa sovelluksissa, mukaan lukien audiojärjestelmät, lääketieteelliset instrumentit ja sotilaslaitteet.
Nyt tutkitaan kuinka anturi toimii ja sen erilaisiin käyttötarkoituksiin.
Kuinka muuntimet toimivat
Muunnin on sähkölaite, jota käytetään yleisesti muuntamaan sähköinen signaali fysikaaliseksi suureksi, kuten ääneksi, lämmöksi tai liikkeeksi. Tämä muunnos tehdään käyttämällä anturia tuottamaan analoginen signaali tai digitaalinen signaali. Analoginen signaali muunnetaan sitten luettavaan joko jännitteen tai virran muotoon. Saatavilla on erityyppisiä muuntimia erityyppisten energiasignaalien havaitsemiseksi, kuten mekaaniset tärinät ja paineet.
Muuntimet sisältävät kolme avainelementtiä: lähteen (tulo), välielementin (vahvistin) ja ilmaisimen (lähtö). Lähde syöttää energiaa paineen, ääniaaltojen, sähkövirran jne. muodossa, jonka välielementti voi havaita ja vahvistaa tarpeen mukaan ennen sen lähettämistä havaittavaksi. Kun välielementti vastaanottaa syöttöenergian, se havaitsee myös kaikki ennalta määrätyt ominaisuudet, kuten esim taajuus ja amplitudi. Ilmaisin havaitsee nämä ominaisuudet ja muuntaa ne sitten takaisin mitattavissa oleviksi fyysisiksi ominaisuuksiksi, kuten jännitteeksi tai virraksi lähtöasteessa myöhempää käyttöä varten.
Automaatioprosesseissa toimintamoduuleja, kuten robotteja, integroidaan teho anturit, jotta ne voivat havaita robottivarteen vaikuttavat ulkoiset voimat ja varmistaa, että sen liike pysyy turvallisena toimintarajoissa. Tehoantureita käytetään myös teollisuuden ohjausjärjestelmissä, joissa virtoja ja jännitteitä on tarkkailtava tarkasti pitkäaikainen vakaus ja tarkkuus automatisoiduissa prosesseissa. Kotiautomaatiojärjestelmissä ovilukot käyttävät tyypillisesti antureita sytytä valot, kun joku lähestyy ovea tai avaa ikkunat, kun liikettä havaitaan kotiympäristön sisällä.
Anturisignaalien tyypit
muuntimet ovat järjestelmän komponentteja, joita käytetään muuntamaan yksi energiamuoto toiseksi. Ne mittaavat, tunnistavat ja lähettävät erilaisia signaaleja, kuten sähköisiä, mekaanisia, lämpöisiä ja optisia signaaleja. Muuntimen signaalit jaetaan pääasiassa kahteen pääluokkaan: analoginen ja digitaalinen.
Analogiset muuntimet mittaavat erilaisia fyysisiä tietoja ympäristöstä tuottaakseen analogisia signaaleja, jotka edustavat tällaista tietoa sähköisessä muodossa. Tiedot, kuten paine, lämpötila, nopeus ja kiihtyvyys, voidaan muuntaa analogisiksi signaaleiksi mittaus- tai ohjaustarkoituksiin käytettävien muuntimien avulla. Esimerkkejä analogisista muuntimista ovat mm mikrofonit, jotka muuttavat ääniaallot sähköjännitteeksi; pietsosähköiset kiihtyvyysmittarit, jotka muuttavat mekaanisen tärinän sähkövirraksi; lämpöparit, jotka havaitsevat lämpötiloja; jne.
Digitaaliset muuntimet muuntavat signaalin fyysisistä parametreista (kuten valo tai ääni) digitaalisiksi esityksiksi, jotka voidaan luoda vasta sen jälkeen, kun prosessointi on suoritettu loppuun itse muuntimeen liitetyssä digitaalisessa signaaliprosessorissa. Toisin kuin analogiset signaalit, digitaaliset signaalit koostuvat erillisistä tasoista, kuten 0:sta ja 1:stä, jotka vastaavat jotakin ennalta määritettyä tilaa, eikä jatkuvaa jännite- tai virtatasoa analogisten signaalien tapauksessa. Digitaalista signaalinkäsittelyä käytetään laajasti tietoliikennejärjestelmissä, kuten matkapuhelimet, anturit, kuten LED-valot, aurinkopaneelit jne., joissa digitaalinen data virtaa verkkojen välillä suuremmalla nopeudella verrattuna analogiseen vastineeseen. Tämä johtuu siitä, että yhden bitin lähetyksen piirien muodostamiskustannukset ovat paljon pienemmät kuin kustannukset, jotka liittyvät piirien muodostamiseen audioaaltomuodon lähettämiseksi pala palalta tietyllä taajuusalueella etäisyyden yli.
Sovellukset
Muunnin Sitä käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa, kuten lääketieteelliset kuvantamislaitteet, autojen anturit ja teollisuusprosessien ohjausjärjestelmät. Se on laite, joka muuntaa energiaa yhdestä muodosta, analogisesta tai digitaalisesta, toiseen muotoon. Lisäksi muuntimet ovat jokaisen nykyaikaisen automaatiojärjestelmän perusta, koska niitä käytetään signaalin muunnos ja signaalin muokkaus.
Tutustutaan muuntimien erilaisiin sovelluksiin:
Automotive
Autojen muuntimet Niitä käytetään laajalti autoteollisuudessa erilaisiin sovelluksiin niiden tarkan suorituskyvyn, pienen koon ja kustannustehokkuuden ansiosta. Ne ovat erittäin tärkeitä työkaluja, joita käytetään ajoneuvojen valvonta- ja ohjausjärjestelmissä mittaamaan erilaisia parametreja, kuten lämpötila, paine ja sijainti.
Muuntimia käytetään yleisesti autojen moottoreissa mittaamiseen nopeus, komponenttien sijainti kuten männät tai nokka-akselit, pakokaasupaine tai epäpuhtaudet, lämpötila tai virtausnopeus. Anturit voivat auttaa tunnistamaan odottamattomia ongelmia, jotka tavalliset tarkastusmenetelmät jättäisivät huomiotta. Esimerkiksi pyörimisnopeusanturia voidaan käyttää mittaamaan moottorin kierrosluvun vaihteluita, jotka voivat viitata yleiseen kulumiseen, epänormaaliin palamiseen tai kohdistusvirheisiin.
Ajoneuvon sähköjärjestelmässä niitä voidaan käyttää tunnistamaan elektronisia signaaleja ja antamaan palautetta siitä, onko se valmistajan ohjeiden mukainen, sekä avustamaan auton sähköjärjestelmien vianmäärityksessä. Tyypillisiä sovelluksia ovat mittaus akun virta- ja jännitetasot (lataustasojen hallintaan), polttoainetason tunnistus (tason tarkkuuden seurantaan) sekä sytytyksen ajoituksen tunnistus sekä diesel- että bensiinimoottoreissa (optimaalisen palamisen varmistamiseksi.) Niitä käytetään usein myös ilmanvaihtojärjestelmissä, mukaan lukien ilmanvaihtonopeuden säätely ulkoilman ja sisätilojen välillä mukavuuden hallintaa varten.
Lisäksi kehitetään anturiteknologiaa käytettäväksi tehdasautomaatiojärjestelmissä, joissa antureita käytetään automatisoituihin robottikokoonpanolinjatyöasemiin sekä koneiden valmistamien osien laadunvalvontaan. Täällä tietokoneohjatut robotit voivat kerätä tietoja muuntimista, jotka suorittavat paitsi säännöllisiä määräaikaishuoltotarkastuksia myös monimutkaisia tehtäviä, kuten linjausongelmien tai sammutukseen liittyvien vikojen diagnosointi tuotantolinjojen sisällä.
Teollinen
Teolliset sovellukset muuntimia löytyy tyypillisesti tehdasautomaatiosta, prosessinohjauksesta ja robotiikasta. Yleisiä teollisuusantureita ovat kiihtyvyys, liike, tärinä, paine/voima, lämpötila, siirtymä/etäisyys/asento ja kosketa. Tämän tyyppiset sovellukset ovat tyypillisesti yksisuuntaisia viestintäjärjestelmiä, joissa anturi muuntaa fyysiset sähköenergiasignaalit takaisinkytkennäksi valvontaprosessorille tai sisääntulona ohjauspiiriin, joka vaikuttaa fyysiseen prosessiin toimilaitteiden, kuten moottoreiden tai solenoidien, kautta.
Laaja valikoima anturityyppejä mahdollistaa muuntimien käytön erilaisissa teollisissa prosesseissa, kuten metallin leikkauksessa ja muovauksessa, öljykenttien poraus- ja jalostusprosesseissa (SPM), hitsausjärjestelmissä ja kokoonpanokoneissa. Riippuen sovelluksen tyypistä, johon anturia käytetään, voi olla tarpeen muuntaa sähköinen lähtösignaali yhdestä energiamuodosta toiseen sopivaan muotoon (lämpötila paineeksi tai siirtymä nopeuteen).
Muuntimet voidaan jopa yhdistää monimutkaisiin verkkoihin, joissa valokuitulinjat yhdistävät usein "strategisia" pisteitä suurissa automatisoiduissa tuotantolaitoksissa. Lähtölaitteet voidaan samalla tavalla kytkeä takaisin prosessoreista, jotta ne voivat toimia ympäristön palautteen perusteella. Teollisuusantureiden sovellukset vaihtelevat mittausten tekemisestä ihmisten ulottuville (datapäätteen näyttö) suorittaa laskelmia paikkatiedoista suhteessa tallennettuihin ohjelmiin hyväksyttävien parametrien osalta (suljetun silmukan servojärjestelmät).
lääketieteellinen
Muuntimia käytetään lääketieteellisessä tekniikassa useisiin sovelluksiin. Yksi tällainen sovellus on elektrokardiografia (EKG) joka mittaa sydämen sähköimpulsseja ajan kuluessa ja näyttää sen kaaviona. Tässä prosessissa elektrodit asetetaan kehon alueille, kuten raajoihin tai rintaan, ja johdetaan ne EKG-laitteeseen. Elektrodit havaitsevat sydämen sähköisen toiminnan, jotta voidaan arvioida epäsäännölliset lyönnit tai muut sydämen toimintaan liittyvät havaittavat tilat.
Toinen lääketieteellisten sovellusten antureita käytetään on ultraäänikuvaus ja skannaus. Tämä edellyttää ultraäänianturina tunnetun laitteen käyttämistä korkeataajuisten ääniaaltojen lähettämiseen tiettyihin kehon osiin kuvien luomiseksi, jotka näyttävät pehmytkudoksia ja elimiä, kuten luita, lihaksia, jänteitä, nivelsiteitä, rustoa ja verisuonia. Näitä kuvia voidaan käyttää kehon vaivojen, kuten kasvainten tai muiden sairauksien, kuten syövän, diagnosointiin.
Lisäksi muuntimia käytetään seurantavälineitä – laitteet, jotka tarjoavat reaaliaikaista tietoa potilaan tilasta yhdestä hetkestä toiseen tietyn ajanjakson aikana – mukaan lukien:
- Pulssioksimetrit jotka mittaavat veren happisaturaatiotasoa.
- EKG monitorit jotka mittaavat sepelvaltimon sykettä tai rytmihäiriöitä.
- Monitorit varten lämpötila, hengitysnopeus ja muita elintoimintoja, kuten verenpaine ja glukoositasot.
Consumer Electronics
Kulutuselektroniikka kuuluu niihin yleisimmät muuntimien sovellukset. Tämä johtuu siitä, että muuntimet pystyvät muuttamaan sähköenergiaa ääneksi, jota voidaan sitten käyttää kaiuttimissa erityyppisissä äänilaitteissa. Lisäksi muuntimia käytetään muuntamaan energiaa muodosta toiseen signaali-kohinasuhteen parantamiseksi televisio- ja radiolaitteissa. Niillä on myös osansa muuntaessaan elektronisia signaaleja akustisiksi aalloksi, jotta niitä voidaan vahvistaa.
Muita esimerkkejä ovat niiden käyttö puhelimissa ja kuulokkeissa, joissa ne auttavat vahvistamaan ääntä ja myös vähentää taustamelua. Muuntimia käytetään myös videotallennuslaitteissa, kuten videokameroissa ja digitaalikameroissa optisten signaalien muuntamiseen sähköisiksi, jotta ne voidaan sitten tallentaa digitaalisesti tai käsitellä tietokoneella. Lopuksi lääketieteelliset laitteet käyttävät usein anturitekniikkaa ultraäänikuvaus ja muihin tarkoituksiin.
Hyödyt ja haitat
Muunnin on laite, joka voi muuntaa yhden energiamuodon toiseksi energiamuodoksi. Sitä käytetään monenlaisissa sovelluksissa, kuten mittaamisessa voima, lämpötila, sijainti, nopeus ja muut fysikaaliset muuttujat.
Tässä artikkelissa keskustelemme muuntimien käytön eduista ja haitoista. Kun ymmärrät anturin edut ja haitat, voit tehdä tietoisen päätöksen sen käytöstä monissa sovelluksissa.
edut
Muunnin on laite, joka muuntaa energiaa muodosta toiseen, usein fyysisen suuren mittaamiseksi. On olemassa monia erilaisia muuntimia, joista jokainen sopii tiettyyn tarkoitukseen. Anturit tarjoavat lukuisia etuja mukavuuden ja tarkkuuden suhteen, ja niistä on tullut modernin tekniikan korvaamattomia komponentteja.
Antureiden etuja ovat mm.
- kestävyys: Anturit ovat suhteellisen epäherkkiä ympäristöolosuhteille ja niitä voidaan käyttää äärimmäisissä lämpötiloissa ja muissa vaarallisissa olosuhteissa. Ne vaativat yleensä vain vähän huoltoa elinkaarensa aikana.
- High Speed: Monet anturit voivat antaa lukemia millisekunneissa, mikä mahdollistaa nopeat vasteajat ja tarvittaessa palauteohjauksen.
- Monipuolisuus: Monenlaiset sovellukset ovat mahdollisia antureiden monien tunnistusominaisuuksien ansiosta prosessinohjausmittauksista lääketieteelliseen diagnostiikkaan.
- Tarkkuus: Anturin lähtösignaali on yleensä erittäin tarkka verrattuna käsin tai muulla vähemmän luotettavalla tavalla tehtyihin mittauksiin. Mittausvirheet voivat olla paljon pienempiä kuin manuaalisissa menetelmissä.
- Kustannustehokkuus: Antureiden kustannukset ovat laskeneet dramaattisesti viime vuosina tekniikan kehityksen vuoksi, minkä ansiosta ne ovat nyt käytettävissä useimmissa sovelluksissa.
Haitat
muuntimet on sekä etuja että haittoja. Vaikka ne ovat kätevä, tehokas ja kustannustehokas tapa muuntaa energiaa muodosta toiseen, niillä on rajoituksia.
Antureiden merkittävin haittapuoli on niiden herkkyys meluhäiriöitä. Tämä on erityisen totta, kun mitataan matalataajuisia lukemia. Muut sähköiset signaalit voivat vaikuttaa haitallisesti muuntimiin, mikä aiheuttaa epätarkkoja lukemia ja epätarkkoja tuloksia.
Toinen antureiden haittapuoli on niiden suhteellinen hidas vasteaika verrattuna muihin energian muuntamiseen, kuten mekaanisiin laitteisiin tai algoritmeihin. Tietyissä sovelluksissa, esimerkiksi kun tarvitaan nopeita päätöksiä tai kun tarvitaan suurta tarkkuutta, perinteiset menetelmät voivat olla sopivampia kuin anturijärjestelmät.
Myös muuntimet vaativat erikoisosaamista asentaa ja käyttää niitä oikein, mikä tekee niistä sopimattomia moniin sovelluksiin, joissa on kouluttamatonta henkilökuntaa tai ympäristö vaatii nopea käyttöönotto ja helppo käyttö optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Yhteenveto
Lopuksi muuntimet ovat olennainen osa monia toimialoja ja elämäntapalaitteita. Ne voivat muuttaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi ja päinvastoin, jolloin voidaan tehdä tärkeitä mittauksia, jotka eivät olleet aikaisemmin mahdollisia. Anturit kattavat laajan valikoiman käyttöalueita, ja niitä voidaan käyttää yhdessä toistensa kanssa tarkempien mittausten tuottamiseksi.
Eri tyypit vaihtelevat suunnittelun ja käytön suhteen; Ultraäänimuuntimet ovat erityisen hyödyllisiä tuhoamaton testaus koska ne pystyvät mittaamaan materiaalin paksuutta häiritsemättä esinettä millään tavalla. Pietsosähköiset muuntimet muuntaa mekaanisen rasituksen sähköisiksi potentiaaleiksi, mikä tekee niistä sopivia lääketieteelliseen kuvantamiseen, koska ne tarjoavat selkeitä kuvia sisäelimistä. Lopuksi, resistiiviset anturit soveltuvat erinomaisesti lämpötilan muutosten mittaamiseen, mikä tekee niistä sopivia autokäyttöön, kuten moottorin lämpötilojen valvontaan.
Kaiken kaikkiaan antureilla on monia tarkoituksia sekä suurille että pienille, ja käyttäjien on tärkeää ymmärtää näiden laitteiden toiminta, jotta he voivat valita oikean tyypin tarpeisiinsa. Teknologian kehittyessä ihmisillä on enemmän mahdollisuuksia hyödyntää parannettuja antureita, jotka perustuvat anturiteknologiaan, joten on tärkeää pysyä ajan tasalla tästä asiasta!
Olen Joost Nusselder, Neaeran perustaja ja sisältömarkkinoija, isä, ja rakastan uusien laitteiden kokeilemista kitaran kanssa intohimoni ytimessä, ja yhdessä tiimini kanssa olen luonut syvällisiä blogiartikkeleita vuodesta 2020 lähtien. auttamaan uskollisia lukijoita äänitys- ja kitaravinkeillä.
