מתמרים הם מכשירים אלקטרוניים המשמשים להמרת אנרגיה מצורה אחת לאחרת. הם משמשים במגוון יישומים, מ אוטומציה תעשייתית להדמיה רפואית.
במאמר זה, נספק סקירה של מה הם מתמרים וכיצד הם משמשים. נסקור את השונות סוגי מתמרים, היישומים שלהם ואופן השימוש בהם:
הגדרה של מתמר
מתמר הוא מכשיר הממיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת. רוב המתמרים ממירים אנרגיה אקוסטית או מכנית (כלומר גלי קול או רטט) לאותות חשמליים או להיפך, אם כי ישנם גם כאלה שיכולים להמיר אנרגיה מאור, טמפרטורה, לחץ, שדה מגנטי ומשתני מיקום לערכים חשמליים הניתנים למדידה.
דוגמאות למתמרים נפוצים כוללות:
- מיקרופונים הממירים אנרגיה אקוסטית לאותות חשמליים;
- רמקולים הממירים אותות חשמליים לגלים אקוסטיים;
- תרמיסטורים הממירים תנודות טמפרטורה למתחים הניתנים למדידה;
- גבישים פיזואלקטריים שיכול ליצור אותות חשמליים בתגובה לעיוות מכני;
- מדדי מתח לזיהוי שינויים קטנים בתזוזה פיזית כגון כוח או מומנט.
מתמרים נמצאים בשימוש נרחב ביישומים יומיומיים כגון טלפונים, הדמיה רפואית ומערכות אבחון מכונות כמו גם מערכות ניטור מיוחדות כמו סייסמוגרפים ורשתות העברת אותות סיבים אופטיים. מתמרים מאפשרים ללכוד שינויים עדינים בהתנהגות הפיזית של מערכת על ידי שימוש בטכניקות מדידה כמותיות כגון מדידת זרימה וניטור מהירויות/טמפרטורות תפעול וכו '
סוגי מתמרים
מתמרים הם מכשירים הממירים אנרגיה מצורה אחת לאחרת. בהקשר של מערכות אקוסטיות, מתמרים משמשים בדרך כלל להמרת אנרגיה פיזית לאותות חשמליים, או להפך - חשמל לגלי קול. אמנם ישנם סוגים רבים של מתמרים הזמינים היום בשוק, אך כולם פועלים על פי כמה עקרונות פשוטים.
הסוג הבסיסי ביותר של מתמר הוא א פיזואלקטרי מתמר, הידוע גם כמיקרופון ליצירת קשר או פייזו בקיצור. מתמרי Piezo ממירים רעידות מכניות לאותות חשמליים באמצעות אפקט פיזואלקטרי; מטען חשמלי נוצר באמצעות דחיסה או רטט כאשר חומרים דיאלקטריים מסוימים (כמו קוורץ) נתונים ללחץ מכני. לאחר מכן ניתן להגביר את המטען החשמלי הזה ולהמיר אותו לצליל נשמע באמצעות רמקולים או אוזניות.
סוג פופולרי נוסף של מתמר הוא מתמר סליל אלקטרומגנטי - מכונה לפעמים בפשטות א מיקרופון. אלה מורכבים מאלקטרומגנט עטוף בסליל של חוט; כאשר הוא נחשף לגלי קול, סליל זה יוצר זרם חשמלי משלו, אשר לאחר מכן יכול להיות מוגבר ומשודר באמצעות רמקולים או אוזניות. מכיוון שהם נוטים להגיב עם דיוק רב יותר על פני טווחי תדרים מאשר מכשירים מבוססי פיזו, מיקרופונים משמשים בדרך כלל באולפני הקלטות ובהופעות חיות כאחד.
לבסוף, יש מתמרים של תיבת ממיר דיגיטלי (DAC).; אלה פועלים על ידי עיבוד מידע דיגיטלי והמרתו לאותות אנלוגיים (או להיפך). התקנים אלו חיוניים להעברת אותות שמע ברשתות דיגיטליות כגון חיבורי Bluetooth; במקרה זה, ישמש DAC כדי לסנן חלקים מהאות שעלולים להפריע להשמעת אודיו איכותית לפני שידור דרך חיבורים אלחוטיים.
עבודה עיקרון
מתמר הוא מכשיר המשמש להמרת אנרגיה מצורה אחת לאחרת. זה עובד על ידי לקיחת אנרגיה קלט, כגון חשמל או אור, והמרתו ל תנועה או צליל מכניים.
היישום הנפוץ ביותר של מתמרים הוא בהמרה של אותות חשמליים לגלי קול. סוג זה של מתמר משמש במגוון יישומים, כולל מערכות שמע, מכשירים רפואיים ומכשירים צבאיים.
עכשיו בואו נחקור איך מתמר עובד והשימושים השונים שלו.
איך מתמרים עובדים
מתמר הוא מכשיר חשמלי המשמש בדרך כלל להמרת אות חשמלי לכמות פיזית כגון צליל, חום או תנועה. המרה זו נעשית באמצעות חיישן להפקת אות אנלוגי או אות דיגיטלי. האות האנלוגי מומר לאחר מכן לצורה קריא של מתח או זרם. סוגים שונים של מתמרים זמינים לזיהוי סוגים שונים של אותות אנרגיה כגון רעידות ולחץ מכאניים.
מתמרים מכילים שלושה אלמנטים מרכזיים: מקור (קלט), אלמנט ביניים (מגבר) וגלאי (פלט). המקור מחיל אנרגיה בצורה של לחץ, גלי קול, זרם חשמלי וכו', אשר ניתן לזהות על ידי אלמנט הביניים ולהגביר לפי הצורך לפני שהוא נשלח לגילוי. כאשר אלמנט הביניים מקבל את אנרגיית הכניסה הוא גם מזהה כל מאפיינים שנקבעו מראש כגון תדר ומשרעת. הגלאי מזהה את המאפיינים הללו ולאחר מכן ממיר אותם בחזרה לתכונה פיזיקלית הניתנת למדידה כגון מתח או זרם בשלב הפלט לשימוש נוסף.
בתהליכי אוטומציה משולבים מודולי פעולה כמו רובוטים כּוֹחַ מתמרים כדי שיוכלו לזהות כוחות חיצוניים הפועלים על זרוע הרובוט ולהבטיח שתנועתו תישאר בטוחה בגבולות המבצעיים. מתמרי כוח משמשים גם במערכות בקרה תעשייתיות שבהן יש לנטר במדויק זרמים ומתחים ליציבות ודיוק לטווח ארוך בתהליכים אוטומטיים. במערכות אוטומציה ביתיות, מנעולי דלת משתמשים בדרך כלל בחיישנים כדי לעשות זאת להדליק אורות כאשר מישהו מתקרב לדלת או לפתוח חלונות כאשר מורגשות תנועות בתוך סביבה ביתית.
סוגי אותות מתמר
מתמרים הם המרכיבים של מערכת המשמשת להמרת צורה אחת של אנרגיה לאחרת. הם מודדים, חשים ומשדרים סוגים שונים של אותות כגון חשמליים, מכניים, תרמיים ואופטיים. אותות מתמר מחולקים בעיקר לשתי קטגוריות עיקריות: אנלוגי ו דיגיטלי.
מתמרים אנלוגיים מודדים מידע פיזי שונה מהסביבה כדי ליצור אותות אנלוגיים המייצגים מידע כזה בפורמט חשמלי. ניתן להמיר נתונים כגון לחץ, טמפרטורה, מהירות ותאוצה לאותות אנלוגיים באמצעות מתמרים למטרות מדידה או בקרה. דוגמאות למתמרים אנלוגיים כוללות מיקרופונים הממירים גלי קול למתח חשמלי; מדי תאוצה פיזואלקטריים הממירים רטט מכאני לזרם חשמלי; צמדים תרמיים המזהים טמפרטורות; וכו '
מתמרים דיגיטליים ממירים אות מפרמטרים פיזיים (כגון אור או קול) לייצוגים דיגיטליים שניתן להפיק רק לאחר השלמת העיבוד במעבד האותות הדיגיטלי המחובר למתמר עצמו. בניגוד לאותות אנלוגיים, אותות דיגיטליים מורכבים מרמות נפרדות כמו 0 ו-1 המתאימות למצב מוגדר מראש במקום מתח או רמת זרם מתמשכת במקרה של אנלוגיים. עיבוד אותות דיגיטלי נמצא בשימוש נרחב במערכות תקשורת כמו טלפונים ניידים, חיישנים כמו נורות LED, פנלים סולאריים וכו', כאשר נתונים דיגיטליים זורמים על פני רשתות במהירויות גבוהות יותר בהשוואה לנתונים האנלוגיים המקבילים. הסיבה לכך היא שהעלות של יצירת מעגלים לשידור סיביות בודדות היא הרבה פחות מזו הקשורה ליצירת מעגלים לשליחת צורת גל שמע חתיכה אחר חתיכה בטווח תדרים מסוים על פני מרחק.
יישומים
מתמר נמצא בשימוש נרחב במגוון יישומים שונים, כגון מכשירי הדמיה רפואיים, חיישני רכב ומערכות בקרת תהליכים תעשייתיים. זהו מכשיר הממיר אנרגיה מצורה אחת, אנלוגית או דיגיטלית, לצורה אחרת. בנוסף, מתמרים הם הבסיס לכל מערכת אוטומציה מודרנית מכיוון שהם משמשים המרת אותות ומיזוג אותות.
בואו נחקור את היישומים השונים של מתמרים:
כלי רכב
מתמרים לרכב נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הרכב עבור מגוון יישומים בשל הביצועים המדויקים, הגודל הקטן ויעילות העלות שלהם. הם כלי חשוב ביותר המשמשים במערכות הניטור והבקרה של כלי רכב למדידת פרמטרים שונים כגון טמפרטורה, לחץ ומיקום.
מתמרים משמשים בדרך כלל במנועי רכב למדידה מהירות, מיקום הרכיבים כגון בוכנות או גלי זיזים, לחץ פליטה או מזהמים, טמפרטורה או קצב זרימה. מתמרים יכולים לסייע בזיהוי בעיות בלתי צפויות ששיטות בדיקה רגילות יחמיצו. לדוגמה, ניתן להשתמש במתמר מהירות סיבוב כדי למדוד כל תנודות בסל"ד המנוע שעלולות להצביע על בלאי כללי, בעירה חריגה או בעיות יישור.
במערכת החשמלית של הרכב ניתן להשתמש בהם כדי לזהות אותות אלקטרוניים ולספק משוב על האם זה במסגרת מפרט היצרן ולסייע בפתרון תקלות במערכות החשמל בתוך המכונית. יישומים אופייניים כוללים מדידה רמות זרם ומתח בסוללה (לניהול רמות הטעינה), חישת מפלס הדלק (כדי לנטר את דיוק הרמה) וכן זיהוי תזמון הצתה הן במנועי דיזל והן במנועי בנזין (כדי להבטיח בעירה אופטימלית.) הם משמשים לעתים קרובות גם במערכות אוורור כולל שליטה בקצב חילופי האוויר בין האוויר החיצוני לבין תא הנוסעים הפנימי למטרות בקרת נוחות.
בנוסף, טכנולוגיית מתמרים מפותחת לשימוש במערכות אוטומציה של מפעלים, בהן נפרסים חיישנים עבור תחנות עבודה אוטומטיות של פס ייצור רובוטי וכן בקרת איכות של חלקים המיוצרים על ידי מכונות. כאן ניתן ללכוד נתונים ממתמרים על ידי רובוטים נשלטי מחשב המבצעים לא רק בדיקות תחזוקה קבועות, אלא גם משימות מורכבות כמו אבחון בעיות יישור או תקלות הקשורות לכיבוי בתוך פסי ייצור.
תעשייה
יישומים תעשייתיים של מתמרים נמצאים בדרך כלל באוטומציה במפעל, בקרת תהליכים ורובוטיקה. חיישנים תעשייתיים נפוצים הם תאוצה, תנועה, רטט, לחץ/כוח, טמפרטורה, תזוזה/מרחק/מיקום ולגעת. סוגים אלה של יישומים הם בדרך כלל מערכות תקשורת חד-כיווניות שבהן המתמר ממיר אותות אנרגיה פיזית לחשמלית כמשוב למעבד ניטור או כקלט למעגלי בקרה המשפיעים על התהליך הפיזי באמצעות מפעילים כגון מנועים או סולנואידים.
המגוון הרחב של סוגי חיישנים מאפשר שימוש במתמרים לתהליכים תעשייתיים מגוונים כגון חיתוך ויצירת מתכות, תהליכי קידוח וזיקוק בשדה נפט (SPM), מערכות ריתוך ומכונות הרכבה. בהתאם לסוג היישום שעבורו משמש המתמר, ייתכן שיהיה צורך להמיר את אות המוצא החשמלי מצורת אנרגיה אחת לצורה מתאימה אחרת (טמפרטורה ללחץ או תזוזה למהירות).
ניתן אפילו לחבר מתמרים ברשתות מורכבות עם קווי סיבים אופטיים המחברים לעתים קרובות נקודות 'אסטרטגיות' במתקני ייצור אוטומטיים גדולים. ניתן לחבר התקני פלט באופן דומה בחזרה החוצה ממעבדים כדי לנקוט בפעולה על פידבק מהסביבה. יישומי מתמר תעשייתיים נעים בין הנגשת מדידות לבני אדם (תצוגת מסוף נתונים) לביצוע חישובים על נתוני מיקום ביחס לתוכניות מאוחסנות לגבי פרמטרים מקובלים (מערכות סרוו בלולאה סגורה).
רפואה
מתמרים משמשים בטכנולוגיה רפואית למגוון יישומים. אפליקציה אחת כזו היא אלקטרוקרדיוגרפיה (ECG) המודד את הדחפים החשמליים של הלב לאורך זמן ומציג אותו כגרף. בתהליך זה מניחים אלקטרודות על אזורים בגוף, כמו הגפיים או החזה ומובילות אותם למכשיר א.ק.ג. האלקטרודות מזהות את הפעילות החשמלית של הלב על מנת להעריך פעימות לא סדירות או כל מצב שניתן לזהות אחר הקשור לפעילות הלב.
יישום רפואי נוסף מתמרים משמשים הוא הדמיה וסריקה על-קולית. זה כולל שימוש במכשיר המכונה בדיקת אולטרסאונד כדי לפלוט גלי קול בתדר גבוה בחלקים מסוימים של הגוף כדי ליצור תמונות המציגות רקמות רכות ואיברים כמו עצמות, שרירים, גידים, רצועות, סחוס וכלי דם. תמונות אלו יכולות לשמש לאבחון מחלות בגוף, כגון אבחון גידולים או מחלות אחרות כמו סרטן.
יתר על כן, מתמרים משמשים ב מכשירי ניטור - מכשירים המספקים מידע בזמן אמת על מצבו של המטופל מנקודת זמן אחת לאחרת לאורך תקופה - לרבות:
- מדי דופק אשר מודדים את רמות ריווי החמצן בדם.
- מסכי א.ק.ג המודדים את קצב הלב או הפרעות בקצב הלב.
- מוניטורים עבור טמפרטורה, קצב נשימה וסימנים חיוניים אחרים כמו לחץ דם ורמות גלוקוז.
מוצרי חשמל
מוצרי אלקטרוניקה הם בין היישומים הנפוצים ביותר של מתמרים. הסיבה לכך היא שמתמרים מסוגלים להמיר אנרגיה חשמלית לקול, אשר לאחר מכן יכולים לשמש רמקולים בסוגים שונים של התקני שמע. בנוסף, מתמרים משמשים להמרת אנרגיה מצורה אחת לאחרת על מנת לשפר את יחס האות לרעש במכשירי טלוויזיה ורדיו. הם גם ממלאים חלק בהמרת אותות אלקטרוניים לגלים אקוסטיים כך שניתן להגביר אותם.
דוגמאות אחרות כוללות השימוש שלהם בטלפונים ואוזניות, שם הם עוזרים להגביר את הסאונד וגם להפחית רעשי רקע. מתמרים משמשים גם בציוד הקלטת וידאו, כגון מצלמות וידיאו ומצלמות דיגיטליות, כדי להמיר אותות אופטיים לאותות חשמליים, כך שניתן יהיה לאחסן אותם באופן דיגיטלי או לתפעל אותם באמצעות מחשב. לבסוף, ציוד רפואי משתמש לעתים קרובות בטכנולוגיית מתמר עבור הדמיית אולטרסאונד ומטרות אחרות.
יתרונות וחסרונות
מתמר הוא מכשיר שיכול להמיר צורה אחת של אנרגיה לצורת אנרגיה אחרת. הוא משמש במגוון רחב של יישומים כמו מדידה כוח, טמפרטורה, מיקום, מהירות ומשתנים פיזיקליים אחרים.
במאמר זה, נדון ביתרונות ובחסרונות של שימוש במתמרים. על ידי הבנת היתרונות והחסרונות של מתמר, אתה יכול לקבל החלטה מושכלת לגבי השימוש בו במגוון יישומים.
יתרונות
מתמר הוא מכשיר הממיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת, לרוב במטרה למדוד כמות פיזית. ישנם סוגים רבים ושונים של מתמרים, כל אחד מתאים למטרה מסוימת. מתמרים מציעים יתרונות רבים במונחים של נוחות ודיוק, והפכו למרכיבים הכרחיים בטכנולוגיה המודרנית.
היתרונות של מתמרים כוללים:
- חוסן: מתמרים אינם רגישים יחסית לתנאי סביבה וניתן להשתמש בהם בטמפרטורות קיצוניות ובתנאים מסוכנים אחרים. הם בדרך כלל דורשים תחזוקה מועטה לאורך אורך החיים שלהם.
- במהירות גבוהה: חיישנים רבים יכולים לספק קריאות בתוך אלפיות שניות, מה שמאפשר זמני תגובה מהירים ובקרת משוב במידת הצורך.
- רב צדדי: מגוון רחב של יישומים אפשריים בשל יכולות החישה הרבות של מתמרים, ממדידות בקרת תהליכים ועד לאבחון רפואי.
- דיוק: אות המוצא של מתמר הוא בדרך כלל מאוד מדויק בהשוואה למדידות שנעשות ביד או באמצעים פחות אמינים אחרים. שגיאות מדידה יכולות להיות נמוכות בהרבה מאלו של שיטות ידניות.
- עלות תועלת: עלויות המתמרים ירדו באופן דרמטי בשנים האחרונות עקב התקדמות הטכנולוגיה, אשר כעת הופכת אותם לנגישים עבור רוב היישומים.
חסרונות
מתמרים יש גם יתרונות וגם חסרונות. למרות שהם דרך נוחה, יעילה וחסכונית להמיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת, יש להם מגבלות.
החיסרון הבולט ביותר של מתמרים הוא הרגישות שלהם הפרעות רעש. זה נכון במיוחד כאשר מודדים קריאות בתדר נמוך. מתמרים עלולים להיות מושפעים לרעה מאותות חשמליים אחרים שגורמים לקריאות לא מדויקות ולתוצאות לא מדויקות.
חסרון נוסף של מתמרים הוא יחסית שלהם זמן תגובה איטי בהשוואה לצורות אחרות של המרת אנרגיה כגון מכשירים מכניים או אלגוריתמים. ביישומים מסוימים, למשל כאשר יש צורך בהחלטות מהירות או כאשר יש צורך ברמות גבוהות של דיוק, שיטות מסורתיות עשויות להתאים יותר ממערכות מתמרים.
גם מתמרים דורשים כישורים מיוחדים להתקין ולהפעיל אותם בצורה נכונה, מה שהופך אותם ללא מתאימים ליישומים רבים שבהם יש כוח אדם לא מיומן או שהסביבה דורשת פריסה מהירה ותפעול קל לביצועים מיטביים.
סיכום
לסיכום, מתמרים מהווים מרכיב חיוני של תעשיות רבות ומכשירי חיים רבים. הם יכולים להפוך אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית ולהיפך, מה שמאפשר לבצע מדידות חשובות שלא היו אפשריות בעבר. מתמרים מכסים מגוון רחב של אזורי יישום וניתן להשתמש בהם בשילוב זה עם זה כדי לייצר מדידות מדויקות יותר.
הסוגים השונים משתנים בעיצוב ובשימוש; מתמרים אולטרסאונדים שימושיים במיוחד עבור בדיקה לא הרסנית בשל יכולתם למדוד את עובי החומר מבלי להפריע לאובייקט בשום צורה. מתמרים פיזואלקטריים המרת מתח מכני לפוטנציאלים חשמליים מה שהופך אותם מתאימים להדמיה רפואית מכיוון שהם מספקים תמונות ברורות של איברים פנימיים. לבסוף, מתמרים התנגדותיים מצוינים למדידת שינויי טמפרטורה מה שהופך אותם מתאימים לשימושי רכב כגון ניטור טמפרטורות המנוע.
בסך הכל, מתמרים משרתים מטרות רבות הן לגדולות והן לקטנות וחשוב למשתמשים להבין כיצד המכשירים הללו פועלים כדי שיוכלו לבחור את הסוג המתאים לצרכים שלהם. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, יהיו יותר הזדמנויות לאנשים לעשות שימוש בחיישנים משופרים המסתמכים על טכנולוגיית מתמרים ולכן חשוב להישאר מעודכנים בעניין זה!
אני יוסט נוסלדר, המייסד של Neaera ומשווק תוכן, אבא ואוהב לנסות ציוד חדש עם גיטרה בלב התשוקה שלי, ויחד עם הצוות שלי, אני יוצר מאמרי בלוג מעמיקים מאז 2020 לעזור לקוראים הנאמנים עם טיפים להקלטה וגיטרה.
