Bộ chuyển đổi là gì?

Bộ chuyển đổi (Transducer) là một thiết bị hữu ích trong việc chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Thông thường, bộ chuyển đổi chuyển đổi tín hiệu ở dạng năng lượng này sang tín hiệu ở dạng năng lượng khác. Bộ chuyển đổi thường được sử dụng tại ranh giới của các hệ thống tự động hóa, đo lường và điều khiển, nơi tín hiệu điện được chuyển đổi sang và từ các đại lượng vật lý khác (năng lượng, lực, mô-men xoắn, ánh sáng, chuyển động, vị trí, v.v.). Quá trình chuyển đổi một dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác được gọi là chuyển đổi.

Các loại bộ chuyển đổi

Bộ chuyển đổi cơ học chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu đầu ra cơ học hoặc ngược lại

Bộ chuyển đổi điện chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu đầu ra hoặc tín hiệu điện. Ví dụ:

• cặp nhiệt điện biến đổi chênh lệch nhiệt độ thành điện áp nhỏ
• máy biến áp vi sai biến thiên tuyến tính (LVDT), được sử dụng để đo sự thay đổi dịch chuyển (vị trí) bằng tín hiệu điện.

Cảm biến, Bộ truyền động van và bộ thu phát

Bộ chuyển đổi có thể được phân loại theo hướng thông tin đi qua chúng:

• Cảm biến là bộ chuyển đổi tiếp nhận và phản hồi tín hiệu hoặc kích thích từ một hệ thống vật lý. Nó tạo ra một tín hiệu đại diện cho thông tin về hệ thống, được sử dụng bởi một số loại hệ thống đo từ xa, thông tin hoặc điều khiển.
• Bộ truyền động van là một thiết bị chịu trách nhiệm di chuyển hoặc điều khiển một cơ cấu hoặc hệ thống. Nó được điều khiển bởi tín hiệu từ hệ thống điều khiển hoặc điều khiển thủ công. Nó được vận hành bởi một nguồn năng lượng, có thể là lực cơ học, dòng điện, áp suất chất lỏng thủy lực hoặc áp suất khí nén, và chuyển đổi năng lượng đó thành chuyển động. Bộ truyền động van là cơ chế mà hệ thống điều khiển tác động lên môi trường.

Bộ chuyển đổi hai chiều có thể chuyển đổi các hiện tượng vật lý thành tín hiệu điện và tín hiệu điện thành hiện tượng vật lý. Một ví dụ về bộ chuyển đổi hai chiều vốn có là ăng-ten, có thể chuyển đổi sóng vô tuyến (sóng điện từ) thành tín hiệu điện để bộ thu vô tuyến xử lý, hoặc chuyển đổi tín hiệu điện từ bộ phát thành sóng vô tuyến.

Máy thu phát tích hợp chức năng hai chiều đồng thời. Ví dụ phổ biến nhất có lẽ là máy thu phát vô tuyến (được gọi là bộ đáp trên máy bay), được sử dụng trong hầu hết mọi hình thức truyền thông (viễn thông) không dây và kết nối thiết bị mạng. Một ví dụ khác là máy thu phát siêu âm được sử dụng trong các máy quét siêu âm (echo) y tế.

Bộ chuyển đổi chủ động và thụ động

Bộ chuyển đổi thụ động cần nguồn điện bên ngoài để hoạt động, được gọi là tín hiệu kích thích. Tín hiệu được điều chế bởi cảm biến để tạo ra tín hiệu đầu ra.

Ví dụ, nhiệt điện trở không tạo ra bất kỳ tín hiệu điện nào, nhưng bằng cách cho dòng điện chạy qua nó, điện trở của nó có thể được đo bằng cách phát hiện sự thay đổi dòng điện hoặc điện áp trên nhiệt điện trở.

Ngược lại, bộ chuyển đổi chủ động tạo ra dòng điện để đáp ứng với kích thích bên ngoài, đóng vai trò là tín hiệu đầu ra mà không cần nguồn năng lượng bổ sung.

Ví dụ như điốt quang, cảm biến áp điện, quang điện, cặp nhiệt điện.

Đặc điểm của bộ chuyển đổi

Một số thông số kỹ thuật được sử dụng để đánh giá bộ chuyển đổi:

• Dải động: Đây là tỷ số giữa tín hiệu biên độ lớn nhất và tín hiệu biên độ nhỏ nhất mà bộ chuyển đổi có thể chuyển đổi hiệu quả. Bộ chuyển đổi có dải động lớn hơn sẽ “nhạy” hơn và chính xác hơn.
• Độ lặp lại: Đây là khả năng bộ chuyển đổi tạo ra đầu ra giống hệt nhau khi được kích thích bởi cùng một đầu vào.
• Nhiễu: Tất cả các bộ chuyển đổi đều thêm một số nhiễu ngẫu nhiên vào đầu ra của chúng. Trong các bộ chuyển đổi điện, đây có thể là nhiễu điện do chuyển động nhiệt của các điện tích trong mạch. Nhiễu làm hỏng các tín hiệu nhỏ nhiều hơn các tín hiệu lớn.
• Độ trễ: Đây là một đặc tính trong đó đầu ra của bộ chuyển đổi không chỉ phụ thuộc vào đầu vào hiện tại mà còn phụ thuộc vào đầu vào trước đó.

Ứng dụng của Transducer

Điện từ

• Ăng-ten – chuyển đổi sóng điện từ lan truyền thành tín hiệu điện dẫn
• Hộp từ – chuyển đổi chuyển động vật lý tương đối thành tín hiệu điện
• Đầu băng, đầu đọc ghi đĩa – chuyển đổi từ trường trên môi trường từ thành tín hiệu điện
• Cảm biến hiệu ứng Hall – chuyển đổi mức từ trường thành tín hiệu điện
• Cảm biến từ trở biến đổi – chuyển động của các vật kim loại đen gần đó tạo ra tín hiệu điện xoay chiều
• Bộ thu – phát hiện chuyển động của các sợi kim loại và tạo ra tín hiệu điện (điện áp xoay chiều)

Đầu dò điện hóa

• Đầu dò pH
• Cảm biến oxy điện hóa
• Cảm biến hydro
• Cảm biến điện thế

Cơ điện

Đầu vào cơ điện cung cấp tín hiệu cho đồng hồ đo và cảm biến, trong khi các thiết bị đầu ra cơ điện thường được gọi chung là Bộ truyền động van):

• Gia tốc kế
• Cảm biến lưu lượng khí
• Polyme hoạt động điện
• Động cơ quay, động cơ tuyến tính
• Điện kế
• Máy biến áp vi sai tuyến tính hoặc máy biến áp vi sai quay biến thiên
• Cảm biến lực – chuyển đổi lực thành tín hiệu điện mV/V bằng cảm biến ứng suất
• Hệ thống vi cơ điện tử
• Chiết áp (khi dùng để đo vị trí)
• Cảm biến áp suất
• Chiết áp dạng dây
• Cảm biến xúc giác
• Máy phát điện rung
• Con quay hồi chuyển cấu trúc rung

Điện âm thanh

• Loa, tai nghe – chuyển đổi tín hiệu điện thành âm thanh (tín hiệu khuếch đại → từ trường → chuyển động → áp suất không khí)
• Microphone – chuyển đổi âm thanh thành tín hiệu điện (áp suất không khí → chuyển động của dây dẫn/cuộn dây → từ trường → tín hiệu điện)[3]
• Bộ chuyển đổi xúc giác – chuyển đổi tín hiệu điện thành rung động (tín hiệu điện → rung động)
• Nhiệt kế – chuyển đổi tín hiệu điện thành dao động nhiệt độ, sau đó trở thành âm thanh (tín hiệu điện → sự gia nhiệt định kỳ của một dây dẫn mỏng → sóng nhiệt → sóng âm)
• Tinh thể áp điện – chuyển đổi biến dạng của tinh thể rắn (dao động) thành và từ tín hiệu điện
• Địa kế – chuyển đổi chuyển động mặt đất (dịch chuyển) thành điện áp (dao động → chuyển động của dây dẫn/cuộn dây → từ trường → tín hiệu)
• Đầu thu của máy hát – (áp suất không khí → chuyển động → từ trường → điện Tín hiệu)
• Thủy âm – chuyển đổi sự thay đổi áp suất nước thành tín hiệu điện
• Bộ phát đáp sonar (áp suất nước → Chuyển động của dây dẫn/cuộn dây → từ trường → tín hiệu điện)
• Máy thu phát siêu âm, truyền siêu âm (chuyển đổi từ điện) cũng như thu sóng siêu âm sau khi phản xạ âm thanh từ các vật thể mục tiêu, có chức năng chụp ảnh các vật thể đó

Điện quang

• Đèn huỳnh quang – chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng không liên tục
• Đèn sợi đốt – chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng không liên tục
• Điốt phát quang – chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng không liên tục
• Điốt laser – chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng liên tục
• Điốt quang, quang trở, quang bán dẫn, bộ nhân quang – chuyển đổi mức độ ánh sáng thay đổi thành tín hiệu điện
• Bộ tách sóng quang hoặc quang trở hoặc điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) – chuyển đổi sự thay đổi mức độ ánh sáng thành sự thay đổi điện trở
• Ống tia âm cực (CRT) – chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu hình ảnh

Tĩnh điện

Điện kế

Nhiệt điện

• Đầu dò nhiệt điện trở (RTD) – chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện trở
• Cặp nhiệt điện – chuyển đổi nhiệt độ tương đối của các mối nối kim loại thành điện áp
• Nhiệt điện trở (bao gồm điện trở PTC và điện trở NTC)

Radio acoustic

• Ống Geiger-Müller – chuyển đổi bức xạ ion hóa tới thành tín hiệu xung điện
• Máy thu vô tuyến – chuyển đổi tín hiệu điện từ thành tín hiệu điện.
• Máy phát vô tuyến – chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu điện từ.