Trasduttori sono dispositivi elettronici che vengono utilizzati per convertire l'energia da una forma all'altra. Sono utilizzati in una varietà di applicazioni, da dall'automazione industriale all'imaging medicale.
In questo articolo, forniremo una panoramica di cosa sono i trasduttori e come vengono utilizzati. Tratteremo il diverso tipi di trasduttori, le loro applicazioni e come vengono utilizzate:
Definizione di trasduttore
Un trasduttore è un dispositivo che converte l'energia da una forma all'altra. La maggior parte dei trasduttori si converte energia acustica o meccanica (cioè onde sonore o vibrazioni) in segnali elettrici o viceversa, ma ci sono anche quelli che possono convertire l'energia di luce, temperatura, pressione, campo magnetico e variabili di posizione in valori elettrici misurabili.
Esempi di trasduttori comunemente usati includono:
- microfoni che convertono l'energia acustica in segnali elettrici;
- altoparlanti che convertono i segnali elettrici in onde acustiche;
- termistori che convertono le fluttuazioni di temperatura in tensioni misurabili;
- cristalli piezoelettrici che può generare segnali elettrici in risposta alla deformazione meccanica;
- estensimetri per rilevare piccole variazioni nello spostamento fisico come forza o coppia.
I trasduttori sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni quotidiane come telefoni, diagnostica per immagini e sistemi di diagnosi dei macchinari così come sistemi di monitoraggio specializzati come sismografi e reti di trasmissione del segnale in fibra ottica. I trasduttori consentono la cattura di sottili cambiamenti nel comportamento fisico di un sistema mediante l'uso di tecniche di misurazione quantitativa come misurazione del flusso e monitoraggio delle velocità/temperature operative ecc.
Tipi di trasduttori
Trasduttori sono dispositivi che convertono l'energia da una forma all'altra. Nel contesto dei sistemi acustici, i trasduttori sono comunemente usati per convertire l'energia fisica in segnali elettrici o, viceversa, l'elettricità in onde sonore. Mentre oggi sul mercato sono disponibili molti tipi di trasduttori, tutti funzionano secondo alcuni semplici principi.
Il tipo più semplice di trasduttore è a piezoelettrico trasduttore, noto anche come microfono a contatto o piezo in breve. I trasduttori piezoelettrici convertono le vibrazioni meccaniche in segnali elettrici utilizzando il effetto piezoelettrico; una carica elettrica viene generata tramite compressione o vibrazione quando alcuni materiali dielettrici (come il quarzo) sono sottoposti a stress meccanico. Questa carica elettrica può quindi essere amplificata e convertita in un suono udibile tramite altoparlanti o cuffie.
Un altro tipo popolare di trasduttore è il trasduttore bobina elettromagnetica - a volte indicato semplicemente come a mic. Questi sono costituiti da un elettromagnete avvolto da una bobina di filo; quando esposta alle onde sonore, questa bobina creerà la propria corrente elettrica, che può quindi essere amplificata e trasmessa tramite altoparlanti o cuffie. Poiché tendono a rispondere con maggiore precisione su tutte le gamme di frequenza rispetto ai dispositivi basati su piezo, i microfoni sono comunemente usati sia negli studi di registrazione che nelle esibizioni dal vivo.
Finalmente, ci sono trasduttori DAC (Digital Converter Box).; questi funzionano elaborando le informazioni digitali e convertendole in segnali analogici (o viceversa). Questi dispositivi sono essenziali per la trasmissione di segnali audio su reti digitali come le connessioni Bluetooth; in questo caso, verrebbe utilizzato un DAC per filtrare parti del segnale che potrebbero interferire con la riproduzione audio di qualità prima della trasmissione tramite connessioni wireless.
Principio di funzionamento
Un trasduttore è un dispositivo utilizzato per convertire l'energia da una forma all'altra. Funziona prendendo energia in ingresso, come elettricità o luce, e convertendolo in movimento meccanico o suono.
L'applicazione più comune dei trasduttori è nella conversione di segnali elettrici in onde sonore. Questo tipo di trasduttore viene utilizzato in una varietà di applicazioni, tra cui sistemi audio, strumenti medici e dispositivi militari.
Ora esploriamo come funziona un trasduttore e i suoi vari usi.
Come funzionano i trasduttori
Un trasduttore è un dispositivo elettrico comunemente usato per convertire un segnale elettrico in una quantità fisica come suono, calore o movimento. Questa conversione viene eseguita utilizzando un sensore per produrre un segnale analogico o un segnale digitale. Il segnale analogico viene quindi convertito in una forma leggibile di tensione o corrente. Sono disponibili diversi tipi di trasduttori per rilevare diversi tipi di segnali di energia come vibrazioni meccaniche e pressione.
I trasduttori contengono tre elementi chiave: una sorgente (ingresso), un elemento intermedio (amplificatore) e un rilevatore (uscita). La sorgente applica energia sotto forma di pressione, onde sonore, corrente elettrica ecc., che può essere rilevata dall'elemento intermedio e amplificata se necessario prima di essere inviata per essere rilevata. Quando l'elemento intermedio riceve l'energia in ingresso, rileva anche eventuali proprietà predeterminate come frequenza e ampiezza. Il rilevatore rileva queste proprietà e quindi le riconverte in una proprietà fisica misurabile come la tensione o la corrente allo stadio di uscita per un ulteriore utilizzo.
Nei processi di automazione, i moduli operativi come i robot sono integrati con energia trasduttori in modo che possano rilevare le forze esterne che agiscono sul braccio del robot e garantire che il suo movimento rimanga sicuro entro i limiti operativi. I trasduttori di potenza sono utilizzati anche nei sistemi di controllo industriale dove le correnti e le tensioni devono essere accuratamente monitorate per stabilità e precisione a lungo termine nei processi automatizzati. Nei sistemi domotici, le serrature delle porte in genere utilizzano sensori per accendere le luci quando qualcuno si avvicina a una porta o aprire le finestre quando vengono rilevati dei movimenti all'interno di un ambiente domestico.
Tipi di segnali del trasduttore
Trasduttori sono i componenti di un sistema utilizzato per convertire una forma di energia in un'altra. Misurano, rilevano e trasmettono diversi tipi di segnali come elettrici, meccanici, termici e ottici. I segnali dei trasduttori si dividono principalmente in due categorie principali: analogico ed digitale.
I trasduttori analogici misurano varie informazioni fisiche dall'ambiente per generare segnali analogici che rappresentano tali informazioni in un formato elettrico. Dati come pressione, temperatura, velocità e accelerazione possono essere convertiti in segnali analogici utilizzando trasduttori per scopi di misurazione o controllo. Esempi di trasduttori analogici includono microfoni che convertono le onde sonore in tensione elettrica; accelerometri piezoelettrici che convertono la vibrazione meccanica in corrente elettrica; termocoppie che rilevano le temperature; eccetera.
I trasduttori digitali convertono un segnale da parametri fisici (come luce o suono) in rappresentazioni digitali che possono essere generate solo dopo che l'elaborazione è stata completata sul processore di segnale digitale collegato al trasduttore stesso. A differenza dei segnali analogici, i segnali digitali sono costituiti da livelli discreti come 0 e 1 corrispondenti a uno stato predefinito piuttosto che un livello continuo di tensione o corrente nel caso di segnali analogici. L'elaborazione del segnale digitale è ampiamente utilizzata nei sistemi di telecomunicazione come telefoni cellulari, sensori come luci a LED, pannelli solari ecc., dove i dati digitali fluiscono attraverso le reti a velocità più elevate rispetto ai dati analogici della loro controparte. È perché il costo della formazione di circuiti per la trasmissione a bit singolo è molto inferiore a quello associato alla formazione di circuiti per l'invio di una forma d'onda audio pezzo per pezzo a una particolare gamma di frequenze a distanza.
Applicazioni
Un trasduttore è ampiamente utilizzato in una varietà di applicazioni diverse, come ad esempio dispositivi di imaging medico, sensori automobilistici e sistemi di controllo dei processi industriali. È un dispositivo che converte l'energia da una forma, analogica o digitale, a un'altra forma. Inoltre, i trasduttori sono la base di qualsiasi sistema di automazione moderno poiché vengono utilizzati per conversione del segnale e condizionamento del segnale.
Esploriamo le varie applicazioni dei trasduttori:
Automotive
Trasduttori automobilistici sono ampiamente utilizzati nell'industria automobilistica per una varietà di applicazioni grazie alle loro prestazioni precise, alle dimensioni ridotte e all'efficienza dei costi. Sono strumenti estremamente importanti utilizzati nei sistemi di monitoraggio e controllo dei veicoli per misurare vari parametri come temperatura, pressione e posizione.
I trasduttori sono comunemente usati nei motori automobilistici per misurare velocità, posizione dei componenti come pistoni o alberi a camme, pressione di scarico o inquinanti, temperatura o portata. I trasduttori possono aiutare a identificare problemi imprevisti che i metodi di ispezione ordinari potrebbero ignorare. Ad esempio, un trasduttore di velocità di rotazione può essere utilizzato per misurare eventuali fluttuazioni del regime del motore che potrebbero indicare usura generale, combustione anomala o problemi di disallineamento.
Nell'impianto elettrico del veicolo possono essere utilizzati per rilevare i segnali elettronici e fornire feedback sul fatto che rientrino nelle specifiche del produttore e assistere nella risoluzione dei problemi dei sistemi elettrici all'interno dell'auto. Le applicazioni tipiche includono la misurazione livelli di corrente e tensione della batteria (per gestire i livelli di carica), rilevamento del livello del carburante (per monitorare la precisione del livello) e rilevamento della fasatura dell'accensione sia sui motori diesel che a benzina (per garantire una combustione ottimale). Sono anche spesso impiegati nei sistemi di ventilazione, incluso il controllo del tasso di ricambio d'aria tra l'aria esterna e le cabine interne per scopi di controllo del comfort.
Inoltre, la tecnologia dei trasduttori è in fase di sviluppo per l'uso nei sistemi di automazione di fabbrica in cui i sensori vengono utilizzati per le postazioni di lavoro della linea di assemblaggio robotica automatizzata e per il controllo di qualità delle parti prodotte dalle macchine. Qui i dati dei trasduttori possono essere acquisiti da robot controllati da computer che eseguono non solo regolari controlli di manutenzione programmata, ma anche attività complesse come diagnosticare problemi di allineamento o guasti correlati allo spegnimento all'interno delle linee di produzione.
Industria
Applicazioni industriali dei trasduttori si trova tipicamente nell'automazione di fabbrica, nel controllo di processo e nella robotica. I comuni sensori industriali lo sono accelerazione, moto, vibrazione, pressione/forza, temperatura, spostamento/distanza/posizione e toccare. Questi tipi di applicazioni sono tipicamente sistemi di comunicazione unidirezionali in cui il trasduttore converte i segnali di energia fisica in elettrica come feedback a un processore di monitoraggio o come input per controllare i circuiti che influenzano il processo fisico tramite attuatori come motori o solenoidi.
L'ampia varietà di tipi di sensori consente di utilizzare i trasduttori per diversi processi industriali come il taglio e la formatura dei metalli, i processi di perforazione e raffinazione dei giacimenti petroliferi (SPM), i sistemi di saldatura e le macchine di assemblaggio. A seconda del tipo di applicazione per cui viene utilizzato il trasduttore, potrebbe essere necessario convertire il segnale elettrico di uscita da una forma di energia in un'altra forma idonea (temperatura in pressione o spostamento in velocità).
I trasduttori possono anche essere interconnessi in reti complesse con linee in fibra ottica che spesso collegano punti "strategici" in grandi impianti di produzione automatizzati. Analogamente, i dispositivi di output possono essere ricollegati dai processori per agire in base al feedback dall'ambiente. Le applicazioni dei trasduttori industriali vanno dal rendere le misurazioni accessibili per gli esseri umani (visualizzazione del terminale dati) all'effettuazione di calcoli sui dati di posizione relativi ai programmi memorizzati relativi a parametri accettabili (servosistemi ad anello chiuso).
Medicale
I trasduttori sono utilizzati nella tecnologia medica per una vasta gamma di applicazioni. Una di queste applicazioni è elettrocardiografia (ECG) che misura gli impulsi elettrici del cuore nel tempo e li visualizza sotto forma di grafico. In questo processo, gli elettrodi vengono posizionati su aree del corpo, come gli arti o il torace e li conducono a una macchina ECG. Gli elettrodi rilevano l'attività elettrica del cuore per valutare eventuali battiti irregolari o qualsiasi altra condizione rilevabile associata all'attività cardiaca.
Un'altra applicazione medica per cui vengono utilizzati i trasduttori è imaging e scansione ad ultrasuoni. Ciò comporta l'utilizzo di un dispositivo noto come sonda a ultrasuoni per emettere onde sonore ad alta frequenza in determinate parti del corpo per creare immagini che mostrano tessuti molli e organi come ossa, muscoli, tendini, legamenti, cartilagine e vasi sanguigni. Queste immagini possono essere utilizzate per diagnosticare disturbi all'interno del corpo, come la diagnosi di tumori o altre malattie come il cancro.
Inoltre, i trasduttori sono utilizzati in strumenti di monitoraggio – dispositivi che forniscono informazioni in tempo reale sulle condizioni del paziente da un momento all'altro in un periodo di tempo – tra cui:
- Ossimetri da polso che misurano i livelli di saturazione di ossigeno nel sangue.
- Monitor ECG che misurano la frequenza cardiaca coronarica o anomalie del ritmo.
- Monitor per temperatura, frequenza respiratoria e altri segni vitali come pressione arteriosa e livelli di glucosio.
Elettronica di consumo
L'elettronica di consumo è tra i applicazioni più comuni dei trasduttori. Questo perché i trasduttori sono in grado di convertire l'energia elettrica in suono, che può quindi essere utilizzato dagli altoparlanti in diversi tipi di dispositivi audio. Inoltre, i trasduttori vengono utilizzati per convertire l'energia da una forma all'altra al fine di migliorare il rapporto segnale/rumore negli apparecchi televisivi e radiofonici. Svolgono anche un ruolo nella conversione dei segnali elettronici in onde acustiche in modo che possano essere amplificati.
Altri esempi includono il loro utilizzo in telefoni e cuffie, dove aiutano ad amplificare il suono e anche ridurre il rumore di fondo. I trasduttori sono utilizzati anche nelle apparecchiature di registrazione video, come videocamere e fotocamere digitali, per convertire i segnali ottici in segnali elettrici in modo che possano essere archiviati digitalmente o manipolati con un computer. Infine, le apparecchiature mediche utilizzano spesso la tecnologia dei trasduttori per ecografia e altri scopi.
Vantaggi e svantaggi
Un trasduttore è un dispositivo in grado di convertire una forma di energia in un'altra forma di energia. È utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni come la misurazione forza, temperatura, posizione, velocità e altre variabili fisiche.
In questo articolo, discuteremo i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo dei trasduttori. Comprendendo i vantaggi e gli svantaggi di un trasduttore, è possibile prendere una decisione informata sul suo utilizzo in una varietà di applicazioni.
Vantaggi
Un trasduttore è un dispositivo che converte l'energia da una forma all'altra, spesso con l'obiettivo di misurare una quantità fisica. Esistono molti tipi diversi di trasduttori, ciascuno adatto a uno scopo particolare. I trasduttori offrono numerosi vantaggi in termini di praticità e precisione e sono diventati componenti indispensabili nella tecnologia moderna.
I vantaggi dei trasduttori includono:
- Robustezza: I trasduttori sono relativamente insensibili alle condizioni ambientali e possono essere utilizzati a temperature estreme e altre condizioni pericolose. In genere richiedono poca manutenzione durante la loro vita.
- Ad alta velocità: Molti sensori possono fornire letture entro millisecondi, consentendo tempi di risposta rapidi e controllo del feedback, se necessario.
- Versatilità: Un'ampia gamma di applicazioni è possibile grazie alle numerose capacità di rilevamento dei trasduttori, dalle misure di controllo del processo alla diagnostica medica.
- Precisione: Il segnale di uscita da un trasduttore è solitamente molto preciso rispetto alle misurazioni effettuate manualmente o con altri mezzi meno affidabili. Gli errori di misurazione possono essere molto inferiori a quelli dei metodi manuali.
- Efficacia dei costi: I costi dei trasduttori sono diminuiti drasticamente negli ultimi anni a causa dei progressi tecnologici, che ora li rendono accessibili per la maggior parte delle applicazioni.
Svantaggi
Trasduttori presentano sia vantaggi che svantaggi. Sebbene siano un modo conveniente, efficiente ed economico per convertire l'energia da una forma all'altra, hanno dei limiti.
Lo svantaggio più notevole dei trasduttori è la loro suscettibilità a interferenze di rumore. Ciò è particolarmente vero quando si misurano letture a bassa frequenza. I trasduttori possono essere influenzati negativamente da altri segnali elettrici che determinano letture imprecise e risultati imprecisi.
Un altro svantaggio dei trasduttori è il loro relativamente tempo di risposta lento rispetto ad altre forme di conversione dell'energia come dispositivi meccanici o algoritmi. In alcune applicazioni, ad esempio dove sono necessarie decisioni rapide o quando sono necessari alti livelli di precisione, i metodi tradizionali possono essere più adatti dei sistemi di trasduttori.
Anche i trasduttori richiedono competenze specialistiche installarli e farli funzionare correttamente, il che li rende inadatti a molte applicazioni in cui è disponibile personale non qualificato o l'ambiente richiede installazione rapida e funzionamento semplice per prestazioni ottimali.
Conclusione
In conclusione, trasduttori sono un elemento essenziale di molti settori e dispositivi lifestyle. Possono trasformare l'energia elettrica in energia meccanica e viceversa, consentendo di effettuare misurazioni importanti che prima non erano possibili. I trasduttori coprono un'ampia gamma di aree di applicazione e possono essere utilizzati in combinazione tra loro per produrre misurazioni più accurate.
I diversi tipi variano nel design e nell'uso; Trasduttori ad ultrasuoni sono particolarmente utili per controlli non distruttivi grazie alla loro capacità di misurare lo spessore del materiale senza interferire in alcun modo con l'oggetto. Trasduttori piezoelettrici convertono la tensione meccanica in potenziali elettrici che li rendono adatti all'imaging medico poiché forniscono immagini chiare degli organi interni. Infine, trasduttori resistivi sono eccellenti per misurare le variazioni di temperatura che li rende adatti per usi automobilistici come il monitoraggio delle temperature del motore.
Nel complesso, i trasduttori servono a molti scopi sia grandi che piccoli ed è importante che gli utenti capiscano come funzionano questi dispositivi in modo che possano scegliere il tipo giusto per le loro esigenze. Con l'avanzare della tecnologia, ci saranno maggiori opportunità per le persone di utilizzare sensori avanzati che si basano sulla tecnologia dei trasduttori, quindi è importante rimanere istruiti su questo argomento!
Sono Joost Nusselder, il fondatore di Neaera e un marketer di contenuti, papà, e amo provare nuove apparecchiature con la chitarra al centro della mia passione e, insieme al mio team, creo articoli di blog approfonditi dal 2020 per aiutare i lettori fedeli con consigli di registrazione e chitarra.
