Contenuto
- Esempi di trasduttori
- Spiegazione dell'effetto piezoelettrico
- Trasduttore piezoelettrico rispetto alle differenze del sensore
- Altri raggruppamenti di esempi di trasduttori
- Applicazione di trasduttori a membrana
- Fisica e applicazioni del trasduttore di pressione
Dai microfoni ai concerti alle sonde di pH che testano l'acidità delle sostanze chimiche, troverai trasduttori in una vasta gamma di applicazioni. Il nome trasduttore si riferisce a qualsiasi dispositivo che trasforma i fenomeni meccanici in fenomeni elettrici o viceversa. Questo li fa apparire in molte aree della vita dalle antenne radio agli auricolari.
Esempi di trasduttori
Esistono molti modi per descrivere le diverse applicazioni dei trasduttori perché esistono molti modi per classificarli. Un metodo generale che mostra come si differenziano gli uni dagli altri è quello di confrontare il modo in cui i trasduttori convertono l'energia e li raggruppano in base a questo.
Un'applicazione di esempio della conversione del trasduttore è un trasduttore di temperatura che converte la temperatura in un potenziale elettrico. Questo metodo di categorizzazione è utile per dirti a cosa serve un tipo di trasduttore.
I trasduttori possono essere fotovoltaici, piezoelettrici, chimici, a induzione reciproca, elettromagnetici, a fotoconduttore o ad effetto Hall. Il trasduttore fotovoltaico converte la luce in energia elettrica. Trasduttori piezoelettrici usa l'effetto piezoelettrico per convertire lo stress meccanico in energia elettrica. Trasduttori chimici convertire l'energia chimica in altre forme di energia.
Trasduttori che utilizzano induzione reciproca misurare una quantità come coppia, forza, velocità, spostamento lineare, pressione, accelerazione o qualche altra proprietà e reagire con una variazione di induttanza, la capacità di un conduttore di opporsi a una corrente elettrica applicata attraverso di essa.
Trasduttori elettromagnetici convertire i cambiamenti nel campo magnetico in energia elettrica. Trasduttori fotoconduttori convertire la luce solare in energia elettrica. Trasduttori che si basano sul effetto Hall (la produzione di una differenza di tensione attraverso un conduttore elettrico) converte le variazioni del campo magnetico in energia elettrica.
Alcuni di questi tipi di trasduttori hanno le loro applicazioni negli apparecchi di tutti i giorni, come il modo in cui i trasduttori piezoelettrici vengono utilizzati negli accendini elettrici in cui, quando si preme il pulsante, un martello a molla colpisce un cristallo piezoelettrico che crea una tensione attraverso una scintilla accendere il gas.
Altri sono utilizzati in progetti su larga scala come il più grande trasduttore di coppia al mondo, con un peso di 4,6 tonnellate e misurando coppie fino a 10MNm, da Datum Electronics.
Spiegazione dell'effetto piezoelettrico
È possibile trovare l'effetto piezoelettrico in molti materiali, ma è importante differenziarli dai sensori, una delle loro applicazioni nei trasduttori. I trasduttori piezoelettrici adattano il materiale tra due piastre metalliche. L'impostazione genera piezoelettricità quando il materiale viene unito. Questo converte la forza meccanica della spinta in elettricità.
Puoi pensare al materiale piezoelettrico che viene premuto insieme come una batteria con un'estremità positiva e un'estremità negativa. La corrente scorre se si collegano le due facce della batteria in un circuito elettrico.
È possibile anche il contrario. Se dovessi indurre una corrente elettrica attraverso il materiale, subirebbe uno stress meccanico che si unisce, noto come effetto piezoelettrico inverso, e nei sensori piezoelettrici vengono utilizzati sia i meccanismi avanti che indietro.
Trasduttore piezoelettrico rispetto alle differenze del sensore
Sensori piezoelettrici differiscono dai trasduttori in quanto sono un esempio specifico di trasduttore piezoelettrico che utilizza un certo tipo di forza trasformata in energia elettrica che indica che si è verificata una sorta di osservazione. Quando si osserva l'effetto piezoelettrico in natura, come nelle fonti naturali di zucchero di canna, Berlinite e quarzo, possono agire come sensori di forza biologica in grado di dirti se una certa reazione chimica è stata effettuata a seguito dell'effetto piezoelettrico.
Allo stesso modo, i sensori piezoelettrici che gli ingegneri creano sono in grado di rilevare variazioni di pressione nel suono per l'uso in microfoni, pickup per chitarra elettrica, imaging medico e test industriali non distruttivi. In contrasto, attuatori piezoelettrici utilizzare l'effetto piezoelettrico inverso per indurre uno stress meccanico in risposta a una corrente elettrica applicata.
I momenti di dipolo elettrico (la separazione delle cariche positive e negative in un materiale) dalle strutture reticolari cristalline nei materiali provocano l'effetto piezoelettrico. Quando i materiali vengono premuti insieme, i dipoli si allineano in modo tale che la carica elettrica possa fluire.
Il poling, un processo in cui viene utilizzato un grande campo elettrico per allineare le regioni dei dipoli stessi, può essere eseguito su alcuni materiali piezoelettrici per aumentarne l'efficienza. Questi materiali piezoelettrici non devono avere un centro di simmetria perché, se lo facessero, la carica netta si annullerebbe a zero e la corrente non potrebbe fluire.
Altri raggruppamenti di esempi di trasduttori
Poiché i trasduttori sono così ampi con molte applicazioni, è possibile raggrupparli anche con altri metodi. I trasduttori possono essere ordinati in base al tipo di quantità misurata. Esistono trasduttori che misurano temperatura, pressione, spostamento, forza, flusso e induttanza.
Le termocoppie misurano la temperatura e generano una tensione elettrica specifica basata su di essa. Trasduttore a membranas converte le variazioni di pressione in piccole variazioni di spostamento di un diaframma. Questi utilizzano un materiale con fori microscopici che consentono il trasporto di acqua e ioni idrossile o gas tra l'anodo e il catodo di una cella elettrica.
Applicazione di trasduttori a membrana
Estensimetri, dispositivi che rilevano minime variazioni della resistenza elettrica quando viene applicata una forza meccanica, sono un ottimo esempio di applicazione di trasduttori a diaframma. Sono utilizzati nelle bilance come metodi precisi per misurare la massa di un oggetto o materiali posti su di essi. Gli estensimetri rilevano piccoli cambiamenti nelle dimensioni dell'indicatore in risposta a una resistenza di una corrente elettrica indotta.
Gli estensimetri sono costruiti a zigzag su un supporto che rileva i cambiamenti di resistenza. Il fattore di gauge rappresenta questa sensibilità al cambiamento e può essere calcolato come variazione della resistenza divisa per il valore della deformazione come δR / δS.
Il filo è nominalmente di sezione circolare. Quando la tensione viene applicata al calibro, la forma della sezione trasversale del filo di resistenza si distorce, modificando l'area della sezione trasversale. Poiché la resistenza del filo per unità di lunghezza è inversamente proporzionale all'area della sezione trasversale, vi è un conseguente cambiamento nella resistenza.
La relazione input-output di un estensimetro è espressa dal fattore di gauge, che è definito come la variazione della resistenza δR per un dato valore di deformazione δS, ovvero fattore di gauge = δR / δS. I meccanismi alla base dell'estensimetro, sebbene simili a quelli dell'effetto piezoelettrico, mostrano quanto possano essere ampie le applicazioni in fisica e ingegneria dei trasduttori.
Mentre entrambi convertono l'energia meccanica in energia elettrica, l'effetto piezoelettrico si basa principalmente sulla composizione chimica dei materiali, mentre l'estensimetro utilizza la resistenza in un circuito elettrico.
Fisica e applicazioni del trasduttore di pressione
UN trasduttore di pressione è un altro esempio di trasduttore estensimetro. Un trasduttore di pressione utilizza un estensimetro in silicone per calcolare la corrente che ha una pressione e uno spostamento del livello dell'acqua corrispondenti. Per questi tipi di trasduttori, 9,8 kPa di pressione sono correlati a 1 m di altezza dell'acqua.
Un trasduttore di pressione utilizza in genere cavi ventilati per ridurre l'influenza delle variazioni atmosferiche della pressione insieme a un registratore di dati digitale per un output continuo di dati che uno scienziato o un ingegnere può facilmente analizzare.
Un trasduttore di pressione generale può anche subire intasamenti a causa dell'idrossido di ferro e di altri materiali che si formano come precipitati, danni da ambienti acidi o corrosione dovuti al gas per i loro usi negli ambienti di estrazione.