Przetworniki to urządzenia elektroniczne, które służą do przekształcania energii z jednej postaci w drugą. Wykorzystywane są w różnych zastosowaniach, m.in automatyki przemysłowej po obrazowanie medyczne.
W tym artykule przedstawimy przegląd tego, czym są przetworniki i jak są używane. Omówimy różne rodzaje przetworników, ich zastosowania i sposób ich użycia:
Definicja przetwornika
Przetwornik to urządzenie, które przetwarza energię z jednej postaci w drugą. Większość przetworników konwertuje energia akustyczna lub mechaniczna (tj. fale dźwiękowe lub wibracje) na sygnały elektryczne lub odwrotnie, chociaż istnieją również takie, które mogą przetwarzać energię ze światła, temperatury, ciśnienia, pola magnetycznego i zmiennych położenia na mierzalne wartości elektryczne.
Przykłady powszechnie stosowanych przetworników obejmują:
- mikrofony które przetwarzają energię akustyczną na sygnały elektryczne;
- głośniki które przekształcają sygnały elektryczne w fale akustyczne;
- termistory które przekształcają wahania temperatury w mierzalne napięcia;
- kryształy piezoelektryczne które mogą generować sygnały elektryczne w odpowiedzi na odkształcenie mechaniczne;
- tensometry do wykrywania niewielkich zmian fizycznego przemieszczenia, takich jak siła lub moment obrotowy.
Przetworniki mają szerokie zastosowanie w codziennych zastosowaniach takich jak np telefony, systemy obrazowania medycznego i diagnostyki maszyn a także specjalistyczne systemy monitoringu, np sejsmografy i światłowodowe sieci transmisji sygnałów. Przetworniki pozwalają na uchwycenie subtelnych zmian w zachowaniu fizycznym układu poprzez zastosowanie ilościowych technik pomiarowych, takich jak np pomiar przepływu i monitorowanie prędkości/temperatur roboczych itd.
Rodzaje przetworników
Przetworniki to urządzenia, które przekształcają energię z jednej postaci w drugą. W kontekście systemów akustycznych powszechnie stosuje się przetworniki do zamiany energii fizycznej na sygnały elektryczne lub odwrotnie – energię elektryczną na fale dźwiękowe. Chociaż obecnie na rynku dostępnych jest wiele rodzajów przetworników, wszystkie działają według kilku prostych zasad.
Najbardziej podstawowym typem przetwornika jest a piezoelektryczny transduktor, znany również jako mikrofon kontaktowy lub piezo w skrócie. Przetworniki piezoelektryczne przetwarzają drgania mechaniczne na sygnały elektryczne za pomocą efekt piezoelektryczny; ładunek elektryczny jest generowany przez ściskanie lub wibracje, gdy pewne materiały dielektryczne (takie jak kwarc) są poddawane naprężeniom mechanicznym. Ten ładunek elektryczny można następnie wzmocnić i przekształcić w słyszalny dźwięk przez głośniki lub słuchawki.
Innym popularnym typem przetwornika jest tzw przetwornik cewki elektromagnetycznej – czasami określane po prostu jako mic. Składają się one z elektromagnesu owiniętego cewką z drutu; pod wpływem fal dźwiękowych cewka ta wytworzy własny prąd elektryczny, który można następnie wzmocnić i przesłać przez głośniki lub słuchawki. Ponieważ mają tendencję do reagowania z większą dokładnością w różnych zakresach częstotliwości niż urządzenia piezoelektryczne, mikrofony są powszechnie używane zarówno w studiach nagraniowych, jak i podczas występów na żywo.
Wreszcie są przetworniki cyfrowe (DAC).; działają one poprzez przetwarzanie informacji cyfrowych i przekształcanie ich w sygnały analogowe (lub odwrotnie). Urządzenia te są niezbędne do przesyłania sygnałów audio przez sieci cyfrowe, takie jak połączenia Bluetooth; w takim przypadku przetwornik cyfrowo-analogowy zostałby użyty do odfiltrowania części sygnału, które mogą zakłócać odtwarzanie dźwięku wysokiej jakości przed transmisją przez połączenia bezprzewodowe.
Zasada działania
Przetwornik to urządzenie służące do przekształcania energii z jednej postaci w drugą. Działa poprzez pobieranie energii wejściowej, np elektryczność lub światłoi przekształcenie go w ruch mechaniczny lub dźwięk.
Najczęstszym zastosowaniem przetworników jest konwersja sygnałów elektrycznych na fale dźwiękowe. Ten typ przetwornika jest używany w różnych zastosowaniach, m.in systemy audio, instrumenty medyczne i urządzenia wojskowe.
Teraz zbadajmy jak działa przetwornik i jego różne zastosowania.
Jak działają przetworniki
Przetwornik to urządzenie elektryczne powszechnie używane do przekształcania sygnału elektrycznego w wielkość fizyczną, taką jak dźwięk, ciepło lub ruch. Ta konwersja odbywa się za pomocą czujnika do wytwarzania sygnału analogowego lub cyfrowego. Sygnał analogowy jest następnie przetwarzany na czytelną postać napięcia lub prądu. Dostępne są różne typy przetworników do wykrywania różnych rodzajów sygnałów energetycznych, np wibracje mechaniczne i ciśnienie.
Przetworniki zawierają trzy kluczowe elementy: źródło (wejście), element pośredni (wzmacniacz) i detektor (wyjście). Źródło przykłada energię w postaci ciśnienia, fal dźwiękowych, prądu elektrycznego itp., które mogą być wykrywane przez element pośredni i wzmacniane w razie potrzeby przed wysłaniem do wykrycia. Kiedy element pośredni otrzymuje energię wejściową, wykrywa również wszelkie z góry określone właściwości, takie jak częstotliwość i amplituda. Detektor wykrywa te właściwości, a następnie przekształca je z powrotem w mierzalną właściwość fizyczną, taką jak napięcie lub prąd na stopniu wyjściowym do dalszego wykorzystania.
W procesach automatyzacji integrowane są moduły operacyjne, takie jak roboty power przetworniki, aby mogły wykrywać siły zewnętrzne działające na ramię robota i zapewniać, że jego ruch pozostaje bezpieczny w granicach operacyjnych. Przetworniki mocy znajdują również zastosowanie w przemysłowych systemach sterowania, gdzie prądy i napięcia muszą być dokładnie monitorowane dla długoterminowej stabilności i precyzji w zautomatyzowanych procesach. W systemach automatyki domowej zamki do drzwi zwykle wykorzystują czujniki włączaj światła, gdy ktoś zbliża się do drzwi lub otwieraj okna, gdy wykryje ruch w środowisku domowym.
Rodzaje sygnałów przetwornikowych
Przetworniki są składnikami systemu używanego do przekształcania jednej formy energii w inną. Mierzą, wykrywają i przesyłają różne rodzaje sygnałów, takie jak sygnały elektryczne, mechaniczne, termiczne i optyczne. Sygnały przetworników dzielą się głównie na dwie główne kategorie: analog i cyfrowy.
Przetworniki analogowe mierzą różne informacje fizyczne z otoczenia, aby generować sygnały analogowe, które reprezentują takie informacje w formacie elektrycznym. Dane takie jak ciśnienie, temperatura, prędkość i przyspieszenie mogą być przetwarzane na sygnały analogowe za pomocą przetworników do celów pomiarowych lub kontrolnych. Przykłady przetworników analogowych obejmują mikrofony przetwarzające fale dźwiękowe na napięcie elektryczne; akcelerometry piezoelektryczne, które przekształcają drgania mechaniczne w prąd elektryczny; termopary wykrywające temperaturę; itp.
Cyfrowe przetworniki przetwarzają sygnał z parametrów fizycznych (takich jak światło lub dźwięk) na reprezentacje cyfrowe, które można wygenerować dopiero po zakończeniu przetwarzania na cyfrowym procesorze sygnałowym dołączonym do samego przetwornika. W przeciwieństwie do sygnałów analogowych, sygnały cyfrowe składają się z dyskretnych poziomów, takich jak 0 i 1, odpowiadających pewnemu predefiniowanemu stanowi, a nie z ciągłego poziomu napięcia lub prądu w przypadku sygnałów analogowych. Cyfrowe przetwarzanie sygnału jest szeroko stosowane w systemach telekomunikacyjnych, takich jak np telefony komórkowe, czujniki, takie jak diody LED, panele słoneczne itp., w których dane cyfrowe przepływają przez sieci z większą prędkością w porównaniu z danymi analogowymi. Dzieje się tak dlatego, że koszt tworzenia obwodów do transmisji jednobitowej jest znacznie niższy niż koszt tworzenia obwodów do przesyłania fali dźwiękowej kawałek po kawałku w określonym zakresie częstotliwości na odległość.
Konsultacje
Przetwornik jest szeroko stosowany w wielu różnych aplikacjach, takich jak urządzeń do obrazowania medycznego, czujników samochodowych i systemów sterowania procesami przemysłowymi. Jest to urządzenie, które przetwarza energię z jednej formy, analogowej lub cyfrowej, na inną. Dodatkowo przetworniki są podstawą każdego nowoczesnego systemu automatyki, ponieważ są wykorzystywane konwersja sygnału i kondycjonowanie sygnału.
Przyjrzyjmy się różnym zastosowaniom przetworników:
Motoryzacja
Przetworniki samochodowe są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym do różnych zastosowań ze względu na ich precyzyjne działanie, niewielkie rozmiary i opłacalność. Są to niezwykle ważne narzędzia stosowane w systemach monitorowania i sterowania pojazdami do pomiaru różnych parametrów takich jak np temperatura, ciśnienie i położenie.
Przetworniki są powszechnie stosowane w silnikach samochodowych do pomiarów prędkość, położenie elementów takich jak tłoki lub wałki rozrządu, ciśnienie spalin lub zanieczyszczenia, temperatura lub natężenie przepływu. Przetworniki mogą pomóc zidentyfikować nieprzewidziane problemy, które zostałyby pominięte przy użyciu zwykłych metod kontroli. Na przykład przetwornik prędkości obrotowej może służyć do pomiaru wszelkich wahań prędkości obrotowej silnika, które mogą wskazywać na ogólne zużycie, nieprawidłowe spalanie lub problemy z niewspółosiowością.
W układzie elektrycznym pojazdu mogą być używane do wykrywania sygnałów elektronicznych i dostarczania informacji zwrotnych na temat tego, czy jest to zgodne ze specyfikacjami producenta, oraz pomagają w rozwiązywaniu problemów z układami elektrycznymi w samochodzie. Typowe zastosowania obejmują pomiary poziom prądu i napięcia akumulatora (do zarządzania poziomami ładowania), czujnik poziomu paliwa (do monitorowania dokładności poziomu), jak również wykrywanie kąta zapłonu zarówno w silnikach wysokoprężnych, jak i benzynowych (w celu zapewnienia optymalnego spalania). Są również często stosowane w systemach wentylacyjnych, w tym do sterowania szybkością wymiany powietrza między powietrzem zewnętrznym a kabinami wewnętrznymi w celu kontroli komfortu.
Ponadto opracowywana jest technologia przetworników do zastosowania w systemach automatyzacji fabryk, w których stosowane są czujniki do zautomatyzowanych zrobotyzowanych stanowisk linii montażowych, a także do kontroli jakości części produkowanych przez maszyny. Tutaj dane z przetworników mogą być przechwytywane przez roboty sterowane komputerowo, wykonujące nie tylko regularne zaplanowane kontrole konserwacyjne, ale także złożone zadania, takie jak diagnozowanie problemów z wyrównaniem lub usterek związanych z wyłączeniem w ramach linii produkcyjnych.
Przemsyl
Zastosowania przemysłowe przetworników zwykle znajduje się w automatyce fabrycznej, sterowaniu procesami i robotyce. Typowe czujniki przemysłowe to przyspieszenie, ruch, wibracje, ciśnienie/siła, temperatura, przemieszczenie/odległość/pozycja i dotknąć. Tego typu zastosowania to zazwyczaj jednokierunkowe systemy komunikacyjne, w których przetwornik przetwarza sygnały energii fizycznej na energię elektryczną jako sprzężenie zwrotne do procesora monitorującego lub jako wejście do obwodów sterujących, które wpływają na proces fizyczny za pośrednictwem elementów wykonawczych, takich jak silniki lub solenoidy.
Szeroka gama typów czujników umożliwia stosowanie przetworników w różnych procesach przemysłowych, takich jak cięcie i formowanie metali, procesy wiercenia i rafinacji pól naftowych (SPM), systemy spawalnicze i maszyny montażowe. W zależności od rodzaju zastosowania przetwornika może być konieczne przekształcenie elektrycznego sygnału wyjściowego z jednej postaci energii na inną odpowiednią postać (temperaturę w ciśnienie lub przemieszczenie w prędkość).
Przetworniki można nawet łączyć ze sobą w złożone sieci za pomocą linii światłowodowych, często łączących „strategiczne” punkty w dużych zautomatyzowanych zakładach produkcyjnych. Urządzenia wyjściowe można w podobny sposób podłączyć z powrotem do procesorów, aby podejmować działania na podstawie informacji zwrotnych z otoczenia. Zastosowania przetworników przemysłowych sięgają od udostępniania pomiarów ludziom (wyświetlacz terminala danych) do wykonywania obliczeń na danych pozycyjnych względem zapisanych programów pod kątem dopuszczalnych parametrów (serwosystemy z zamkniętą pętlą).
Dyrektorem
Przetworniki są wykorzystywane w technice medycznej do szeregu zastosowań. Jedną z takich aplikacji jest elektrokardiografia (EKG) który mierzy impulsy elektryczne serca w czasie i wyświetla je w postaci wykresu. W tym procesie elektrody są umieszczane na obszarach ciała, takich jak kończyny lub klatka piersiowa, i doprowadzają je do urządzenia EKG. Elektrody wykrywają aktywność elektryczną serca w celu oceny wszelkich nieregularnych uderzeń lub innych wykrywalnych stanów związanych z czynnością serca.
Innym zastosowaniem przetworników medycznych są m.in obrazowanie i skanowanie ultradźwiękowe. Obejmuje to użycie urządzenia zwanego sondą ultradźwiękową do emitowania fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości w określonych częściach ciała w celu tworzenia obrazów przedstawiających tkanki miękkie i narządy, takie jak kości, mięśnie, ścięgna, więzadła, chrząstki i naczynia krwionośne. Obrazy te można wykorzystać do diagnozowania dolegliwości w ciele, takich jak diagnozowanie guzów lub innych chorób, takich jak rak.
Ponadto przetworniki stosowane są m.in instrumenty monitorujące – urządzenia dostarczające w czasie rzeczywistym informacji o stanie pacjenta z jednego punktu do drugiego w określonym czasie – w tym:
- Pulsoksymetry które mierzą poziom nasycenia krwi tlenem.
- Monitory EKG które mierzą tętno wieńcowe lub nieprawidłowości rytmu.
- Monitory dla temperatura, częstość oddechów i inne parametry życiowe, takie jak ciśnienie krwi i poziom glukozy.
Consumer Electronics
Wśród nich jest elektronika użytkowa najpowszechniejsze zastosowania przetworników. Dzieje się tak, ponieważ przetworniki są w stanie przekształcić energię elektryczną w dźwięk, który może być następnie wykorzystany przez głośniki w różnego rodzaju urządzeniach audio. Ponadto przetworniki służą do przetwarzania energii z jednej formy na drugą w celu poprawy stosunku sygnału do szumu w odbiornikach telewizyjnych i radiowych. Odgrywają również rolę w przekształcaniu sygnałów elektronicznych w fale akustyczne, dzięki czemu można je wzmacniać.
Inne przykłady obejmują ich zastosowanie w telefonach i zestawach słuchawkowych, gdzie pomagają wzmocnić dźwięk, a także zmniejszyć hałas w tle. Przetworniki są również używane w urządzeniach do nagrywania wideo, takich jak kamkordery i aparaty cyfrowe, do przekształcania sygnałów optycznych na elektryczne, aby można je było następnie przechowywać cyfrowo lub przetwarzać za pomocą komputera. Wreszcie, sprzęt medyczny często wykorzystuje technologię przetworników obrazowanie ultrasonograficzne i do innych celów.
Zalety i wady
Przetwornik to urządzenie, które może przekształcić jedną formę energii w inną formę energii. Jest używany w wielu różnych zastosowaniach, takich jak pomiary siła, temperatura, położenie, prędkość i inne zmienne fizyczne.
W tym artykule omówimy zalety i wady stosowania przetworników. Znając zalety i wady przetwornika, możesz podjąć świadomą decyzję dotyczącą jego wykorzystania w różnych zastosowaniach.
Zalety
Przetwornik to urządzenie, które przekształca energię z jednej postaci w drugą, często w celu pomiaru wielkości fizycznej. Istnieje wiele różnych typów przetworników, z których każdy nadaje się do określonego celu. Przetworniki oferują liczne korzyści pod względem wygody i dokładności, dzięki czemu stały się nieodzownymi elementami nowoczesnej technologii.
Zalety przetworników to:
- Krzepkość: Przetworniki są stosunkowo niewrażliwe na warunki środowiskowe i mogą być stosowane w ekstremalnych temperaturach i innych niebezpiecznych warunkach. Zwykle wymagają niewielkiej konserwacji przez cały okres ich użytkowania.
- High Speed: Wiele czujników może dostarczyć odczyty w ciągu milisekund, co pozwala na szybki czas reakcji i kontrolę sprzężenia zwrotnego w razie potrzeby.
- Wszechstronność: Szeroki zakres zastosowań jest możliwy dzięki wielu możliwościom sensorycznym przetworników, od pomiarów kontroli procesów po diagnostykę medyczną.
- Detaliczność: Sygnał wyjściowy z przetwornika jest zwykle bardzo dokładny w porównaniu z pomiarami wykonanymi ręcznie lub innymi mniej wiarygodnymi metodami. Błędy pomiaru mogą być znacznie mniejsze niż w przypadku metod ręcznych.
- Opłacalność: Koszty przetworników drastycznie spadły w ostatnich latach ze względu na postęp technologiczny, który obecnie sprawia, że są one dostępne dla większości zastosowań.
Niedogodności
Przetworniki mają zarówno zalety, jak i wady. Chociaż są wygodnym, wydajnym i opłacalnym sposobem przekształcania energii z jednej formy w drugą, mają ograniczenia.
Najbardziej zauważalną wadą przetworników jest ich podatność na zakłócenia hałasu. Jest to szczególnie prawdziwe podczas pomiaru odczytów o niskiej częstotliwości. Na przetworniki mogą niekorzystnie wpływać inne sygnały elektryczne, co skutkuje niedokładnymi odczytami i niedokładnymi wynikami.
Kolejną wadą przetworników jest ich relatywność powolny czas reakcji w porównaniu z innymi formami konwersji energii, takimi jak urządzenia mechaniczne lub algorytmy. W niektórych zastosowaniach, na przykład tam, gdzie potrzebne są szybkie decyzje lub gdy wymagany jest wysoki poziom precyzji, tradycyjne metody mogą być bardziej odpowiednie niż systemy przetworników.
Przetworniki również wymagają specjalistyczne umiejętności instalować i obsługiwać je prawidłowo, co sprawia, że nie nadają się do wielu zastosowań, w których dostępny jest niewykwalifikowany personel lub wymaga tego środowisko szybkie wdrożenie i łatwa obsługa dla optymalnej wydajności.
Wnioski
Podsumowując przetworniki są nieodzownym elementem wielu branż i urządzeń lifestylowych. Mogą przekształcać energię elektryczną w energię mechaniczną i odwrotnie, umożliwiając dokonywanie ważnych pomiarów, które wcześniej nie były możliwe. Przetworniki pokrywają szeroki zakres obszarów zastosowań i mogą być używane w połączeniu ze sobą w celu uzyskania dokładniejszych pomiarów.
Różne typy różnią się konstrukcją i zastosowaniem; Przetworniki ultradźwiękowe są szczególnie przydatne dla badania nieniszczące ze względu na możliwość pomiaru grubości materiału bez jakiejkolwiek ingerencji w obiekt. Przetworniki piezoelektryczne przekształcają naprężenia mechaniczne w potencjały elektryczne, dzięki czemu nadają się do obrazowania medycznego, ponieważ zapewniają wyraźne obrazy narządów wewnętrznych. W końcu, przetworniki rezystancyjne doskonale nadają się do pomiaru zmian temperatury, co czyni je odpowiednimi do zastosowań motoryzacyjnych, takich jak monitorowanie temperatury silnika.
Ogólnie rzecz biorąc, przetworniki służą wielu celom, zarówno dużym, jak i małym, i ważne jest, aby użytkownicy zrozumieli, jak działają te urządzenia, aby mogli wybrać odpowiedni typ do swoich potrzeb. Wraz z postępem technologii ludzie będą mieli więcej okazji do korzystania z ulepszonych czujników, które opierają się na technologii przetworników, dlatego ważne jest, aby być edukowanym w tej kwestii!
Jestem Joost Nusselder, założyciel Neaera i content marketer, tata i uwielbiam wypróbowywać nowy sprzęt z gitarą w sercu mojej pasji, a wraz z moim zespołem tworzę szczegółowe artykuły na blogu od 2020 roku aby pomóc lojalnym czytelnikom z poradami dotyczącymi nagrań i gitar.
