Akademia Svantek Logo
svantek.com

Przetworniki: konwersja energii, typy, zastosowania i najlepsze praktyki

Przetworniki zamieniają energię z jednej formy w inną, umożliwiając pomiar, monitorowanie i kontrolę różnych zjawisk fizycznych, zwłaszcza w aplikacjach związanych z dźwiękiem i drganiami, gdzie przekształcają energię mechaniczną w sygnały elektryczne lub odwrotnie. Wybór i stosowanie odpowiedniego przetwornika wymaga zapewnienia prawidłowego połączenia, zasilania, kalibracji oraz regularnej konserwacji, aby utrzymać dokładność i niezawodność.

Czym jest przetwornik?

Przetwornik to urządzenie, które zamienia energię z jednej formy na inną, zazwyczaj przekształcając sygnał w jednej formie energii na sygnał w innej. Przetworniki są często stosowane w automatyce, systemach pomiarowych i kontrolnych do przekształcania wielkości fizycznych, takich jak energia, siła, moment obrotowy, światło, ruch i pozycja, w sygnały elektryczne lub odwrotnie. Proces ten, znany w fizyce i inżynierii jako transdukcja, umożliwia pomiar, monitorowanie i kontrolę różnych zjawisk fizycznych.

W przypadku dźwięku i drgań, przetworniki specjalizują się w przekształcaniu energii mechanicznej (drgań lub fal dźwiękowych) w energię elektryczną lub odwrotnie. Te przetworniki są kluczowe w aplikacjach takich jak nagrywanie dźwięku, odtwarzanie oraz pomiary hałasu i drgań. Na przykład mikrofony zamieniają fale dźwiękowe na sygnały elektryczne do nagrywania i wzmacniania, podczas gdy głośniki przekształcają sygnały elektryczne z powrotem na fale dźwiękowe do odtwarzania audio. Przetworniki drgań, takie jak akcelerometry, przekształcają drgania mechaniczne na sygnały elektryczne do monitorowania i analizy.

transducer sv85 accelerometer

Aktywne przetworniki generują sygnały elektryczne bezpośrednio w odpowiedzi na zewnętrzny bodziec, bez potrzeby zewnętrznego źródła zasilania.

  • Kryształy piezoelektryczne: Te przetworniki generują ładunek elektryczny bezpośrednio w odpowiedzi na naprężenie mechaniczne. Chociaż mogą wymagać zewnętrznego zasilania do wzmocnienia sygnału, początkowe generowanie sygnału nie wymaga zewnętrznego źródła.
  • Geofony: Te urządzenia generują sygnały elektryczne poprzez ruch cewki w polu magnetycznym w odpowiedzi na drgania gruntu. Nie potrzebują zewnętrznego źródła zasilania do generowania sygnału.

Pasywne przetworniki wymagają zewnętrznego źródła zasilania, aby działać i generować sygnał wyjściowy.

  • Mikrofony pojemnościowe: Te mikrofony potrzebują zewnętrznego zasilania, aby utrzymać pole elektryczne w kondensatorze, co pozwala im przekształcać fale dźwiękowe w sygnały elektryczne.
  • Mikrofony MEMS: Te mikrofony oparty na mikrosystemach elektromechanicznych wymagają zasilania do działania. Chociaż zazwyczaj zużywają mniej energii, nadal potrzebują zewnętrznego źródła zasilania.

Przetworniki mechaniczne wykorzystują układy mechaniczne generujące ruch, który jest konwertowany na sygnały elektryczne przez wewnętrzne mechanizmy (jak w geofonach). Z kolei przetworniki elektryczne bezpośrednio przekształcają wielkości fizyczne na sygnały elektryczne, co sprawia, że są bardziej odpowiednie do zastosowań wymagających wzmocnienia sygnału i analizy (np. mikrofony pojemnościowe, które wymagają zewnętrznego zasilania do działania).

Zapytaj o ofertę na przetworniki dźwięku i drgań

Jakie są rodzaje przetworników dźwięku i wibracji?

Mikrofony pomiarowe:

  • Mikrofony pojemnościowe: Wykorzystują zmiany pojemności do przekształcania fal dźwiękowych na sygnały elektryczne.  
    • Mikrofony pojemnościowe z wewnętrzną polaryzacją (tzw. prepolaryzowane): Posiadają wewnętrzny ładunek, co upraszcza ich system zasilania, dzięki czemu są łatwiejsze w obsłudze i mogą być bardziej praktyczne w różnych zastosowaniach.

Do mikrofonów prepolaryzowanych zalicza się mikrofony elektretowe. To rodzaj mikrofonu pojemnościowego z trwale naładowanym dielektrykiem (elektretem), co eliminuje potrzebę zewnętrznego źródła polaryzacji. Są szeroko stosowane ze względu na swoją trwałość, niskie koszty oraz kompaktową budowę, dzięki czemu są powszechnie wykorzystywane w urządzeniach konsumenckich, takich jak telefony i rejestratory dźwięku.

    • Mikrofony pojemnościowe z zewnętrzną polaryzacją: Wymagają zewnętrznego źródła zasilania do polaryzacji i zazwyczaj są stosowane w laboratoriach do precyzyjnych pomiarów. Charakteryzują się szerszym zakresem częstotliwości i wyższą czułością w porównaniu do mikrofonów z wstępną polaryzacją, co czyni je idealnymi do zastosowań wymagających maksymalnej dokładności i szerokiego pasma częstotliwości.

Mikrofony MEMS wykorzystują mikrofony pojemnościowe z zewnętrzną polaryzacją. Mikrofony oparte na mikrosystemach elektromechanicznych, zbudowane przy użyciu technologii półprzewodnikowej i mikroobróbki. Są powszechnie stosowane w elektronice konsumenckiej, np. w smartfonach, laptopach i urządzeniach do rozpoznawania mowy, ze względu na ich mały rozmiar, wysoką czułość i niskie zużycie energii.

Przetworniki drgań:

  • Akcelerometry:
    • Akcelerometry piezoelektryczne: Wykorzystują materiały piezoelektryczne do generowania sygnału elektrycznego w odpowiedzi na naprężenie mechaniczne spowodowane drganiami, szeroko stosowane w aplikacjach przemysłowych i naukowych.
    • Akcelerometry pojemnościowe: Wykrywają drgania poprzez zmiany pojemności spowodowane przesunięciem mikroelementów w stosunku do stałych elektrod. Ta technologia jest podstawą akcelerometrów MEMS, gdzie mikroskopijne elementy mechaniczne przesuwają się w odpowiedzi na przyspieszenie, zmieniając pojemność i generując sygnał elektryczny odpowiadający poziomowi drgań.
    • Akcelerometry MEMS: Wykorzystują technologię mikrofabrykacji do produkcji kompaktowych, bardzo czułych akcelerometrów opartych na zmianie pojemności, które są stosowane w motoryzacji, elektronice konsumenckiej oraz systemach monitorowania przemysłowego. Ich niewielkie rozmiary, niski pobór energii i wysoka precyzja sprawiają, że są idealne do pomiaru przyspieszeń w różnych aplikacjach, takich jak systemy bezpieczeństwa pojazdów, smartfony, oraz urządzenia monitorujące drgania.
  • Przetworniki prędkości (geofony): Mierzą drgania gruntu, przekształcając ruch mechaniczny cewki w polu magnetycznym na sygnały elektryczne. Są szeroko stosowane w badaniach sejsmicznych i geofizycznych do wykrywania wibracji gruntu.
  • Młotki uderzeniowe: Używane do generowania kontrolowanych uderzeń w analizie modalnej w testach NVH (hałas, drgania i komfort jazdy), przekształcają energię mechaniczną uderzenia na znaną siłę do testowania strukturalnego. Urządzenia te zazwyczaj wykorzystują akcelerometry piezoelektryczne do mierzenia drgań i sił, które są generowane podczas uderzeń.
  • Optyczne wibrometry laserowe: Używają technologii laserowej do pomiaru drgań bez fizycznego kontaktu, wykrywając częstotliwość i amplitudę drgań poprzez przesunięcie Dopplera odbitych wiązek laserowych.

Przetworniki przemieszczenia:

  • Liniowe różnicowe transformatory zmienne (LVDT): Mierzą przemieszczenie liniowe, przekształcając ruch mechaniczny na sygnał elektryczny.
  • Czujniki przemieszczenia laserowe: Używają wiązek laserowych do precyzyjnego pomiaru odległości lub przemieszczenia, często stosowane w aplikacjach wymagających pomiarów bezkontaktowych.

Przetworniki audio:

  • Głośniki: Przekształcają sygnały elektryczne na fale dźwiękowe za pomocą indukcji elektromagnetycznej, gdzie prąd zmienny przepływa przez cewkę, poruszającą się w stałym polu magnetycznym, wytwarzając siłę, która porusza membraną.
  • Mikrofony dynamiczne: Szeroko stosowane do nagrań głosowych i występów. Przekształcają fale dźwiękowe na sygnały elektryczne poprzez indukcję elektromagnetyczną. Posiadają membranę połączoną z cewką drutu, która porusza się w polu magnetycznym magnesu, generując prąd elektryczny. Mikrofony dynamiczne są znane ze swojej trwałości i zdolności do obsługi wysokich poziomów ciśnienia akustycznego, co czyni je idealnymi do występów na żywo i nagrań studyjnych.
geophone transducer

Jakie są kategorie przetworników?

Przetworniki można podzielić na sensory, aktuatory i nadajniki-odbiorniki.

  • Sensory: Przekształcają zjawiska fizyczne na sygnały elektryczne. Przykłady to mikrofony pomiarowe (mikrofony pojemnościowe, elektretowe i MEMS) oraz przetworniki drgań (akcelerometry, geofony, optyczne wibrometry laserowe, LVDT oraz laserowe czujniki przemieszczenia).
  • Aktuatory: Przekształcają sygnały elektryczne w działania fizyczne. Przykłady to głośniki (które zamieniają sygnały elektryczne na fale dźwiękowe), aktuatory mechaniczne (wzbudniki, shaker’y) oraz aktuatory elektrostatyczne (używane do precyzyjnych ruchów i kalibracji).
  • Nadajniki-odbiorniki: Przesyłają i odbierają sygnały. Przykłady to nadajniki-odbiorniki ultradźwiękowe stosowane w medycynie (ultrasonografia) i systemach sonarowych oraz akustyczne modemy używane w komunikacji podwodnej.

Jakie są główne cechy przetworników?

Główne cechy przetworników w aplikacjach związanych z dźwiękiem i drganiami obejmują:

Zakres pracy:

  • Zakres dynamiczny: Stosunek między największymi a najmniejszymi sygnałami amplitudy, które przetwornik może efektywnie obsłużyć. Większy zakres dynamiczny pozwala na dokładny pomiar zarówno bardzo słabych, jak i bardzo silnych sygnałów.
  • Szum własny (wewnętrzny): Zakłócenia generowane wewnątrz przetwornika, które mogą wpływać na jakość sygnału pomiarowego. Niższy poziom szumu wewnętrznego poprawia dokładność i niezawodność pomiarów.
  • Czułość: Stopień, w jakim przetwornik reaguje na dany sygnał fizyczny, zazwyczaj wyrażony jako sygnał wyjściowy na jednostkę sygnału wejściowego (np. miliwolt na paskal). Wyższa czułość pozwala na wykrywanie mniejszych zmian w mierzonym zjawisku.
  • Zakres częstotliwości: Zakres częstotliwości, w których przetwornik może dokładnie reagować na sygnały wejściowe. Szeroki i płaski zakres częstotliwości zapewnia, że przetwornik może wiernie mierzyć lub odtwarzać sygnały w szerokim spektrum. Zakres częstotliwości jest kluczowy w zastosowaniach związanych z analizą dźwięku i drgań, gdzie dokładny pomiar różnych częstotliwości jest niezbędny.

Zakres temperatur: Zakres temperatur, w którym przetwornik może działać skutecznie bez znaczącej degradacji wydajności. Zapewnia to, że przetwornik działa poprawnie w różnych warunkach środowiskowych, co czyni go odpowiednim do różnych zastosowań.

Waga: Waga fizyczna przetwornika. Szczególnie istotna w aplikacjach przenośnych lub tam, gdzie przetwornik musi być zamontowany na delikatnych strukturach bez wpływu na ich zachowanie.

Kompatybilność:

  • Źródło zasilania: Rodzaj zasilania potrzebnego do działania przetwornika (np. zasilanie bateryjne, zewnętrzne źródło zasilania). Kompatybilność z dostępnymi źródłami zasilania jest kluczowa dla płynnej integracji z istniejącymi systemami. Dla akcelerometrów standardem jest zasilanie IEPE/CCLD, które zapewnia stabilne i niskoszumowe działanie.
  • Wielkość wyjściowa: Typ sygnału wyjściowego produkowanego przez przetwornik (np. napięcie, prąd). Zapewnienie kompatybilności z instrumentami pomiarowymi lub miernikami, do których będzie podłączony przetwornik, jest niezbędne dla dokładnego zbierania i analizy danych.

Biorąc pod uwagę te cechy, można wybrać najbardziej odpowiedni przetwornik do specyficznych zastosowań związanych z dźwiękiem i drganiami, zapewniając optymalną wydajność i dokładne pomiary.

Jak wybrać odpowiedni przetwornik?

Wybór odpowiedniego przetwornika polega na dopasowaniu jego cech do specyficznych wymagań aplikacji:

Określenie wymagań aplikacji:

  • Zdefiniuj zakres wielkości fizycznych (np. poziomy dźwięku, drgania), które musisz mierzyć.
  • Weź pod uwagę akceptowalny poziom szumu wewnętrznego w przypadku aplikacji wymagających wysokiej precyzji.

Ocena czułości:

  • Upewnij się, że przetwornik ma odpowiednią czułość do wykrywania najmniejszych zmian w mierzonym zjawisku fizycznym.

Ocena zakresu częstotliwości:

  • Zidentyfikuj interesujący Cię zakres częstotliwości i upewnij się, że przetwornik obejmuje ten zakres z płaską i szeroką odpowiedzią częstotliwościową.

Sprawdzenie zakresu temperatur:

  • Wybierz przetwornik, który działa skutecznie w warunkach temperaturowych środowiska, w którym będzie używany.

Rozważenie wagi:

  • Upewnij się, że przetwornik jest wystarczająco lekki do aplikacji przenośnych lub do montażu na delikatnych strukturach.

Weryfikacja kompatybilności:

  • Sprawdź, czy przetwornik może być zasilany przez dostępne źródła w Twojej konfiguracji.
  • Upewnij się, że sygnał wyjściowy przetwornika jest kompatybilny z Twoimi instrumentami pomiarowymi lub systemami akwizycji danych.
accelerometer-calibration

Jak zapewnić prawidłowe wykorzystanie przetworników w pomiarach dźwięku i drgań?

Prawidłowe użytkowanie przetworników wymaga odpowiedniego połączenia, zasilania, kalibracji i regularnej konserwacji. Oto krótki przewodnik:

Prawidłowe połączenie:

  • Kable i złącza: Używaj wysokiej jakości kabli i złączy, aby zapewnić niezawodną transmisję sygnału. Sprawdzaj oznaki zużycia lub uszkodzenia i wymieniaj je w razie potrzeby.
  • Stabilne połączenia: Upewnij się, że wszystkie połączenia są stabilne, aby uniknąć utraty sygnału lub zakłóceń.

Prawidłowe zasilanie:

  • Wymagania dotyczące zasilania: Upewnij się, że przetwornik jest zasilany zgodnie z jego specyfikacją, czy to z zewnętrznego źródła zasilania, czy z baterii.
  • Jakość zasilania: Używaj stabilnych i czystych źródeł zasilania, aby zapobiec szumom i zapewnić dokładne pomiary.

Kalibracja:

  • Początkowa kalibracja: Kalibruj przetwornik zgodnie z jego specyfikacją czułości przed użyciem. To zapewnia dokładne i wiarygodne odczyty.
  • Kalibratory ręczne: Używaj przenośnych kalibratorów do kontroli w terenie, zwłaszcza w aplikacjach przenośnych lub polowych.

Okresowa weryfikacja:

  • Regularna kalibracja: Planuj regularne sesje kalibracyjne, aby utrzymać dokładność w czasie. Pomaga to w identyfikacji odchyleń lub zmian czułości.
  • Weryfikacja w pełnym systemie: Przetworniki powinny być sprawdzane w ramach całego systemu pomiarowego, w tym mierników dźwięku lub drgań, aby zapewnić dokładność i niezawodność.

Kontrole w miejscu pracy:

  • Kalibratory ręczne: Wykonuj okresowe kontrole w miejscu pracy przy użyciu kalibratorów ręcznych, aby zweryfikować wydajność przetwornika w rzeczywistym środowisku pracy.
  • Szybka weryfikacja: Te kontrole umożliwiają szybką weryfikację i w razie potrzeby dostosowanie, zapewniając ciągłą dokładność.

Praktyczne wskazówki dotyczące prawidłowego użytkowania:

  • Instalacja: Zamontuj przetwornik zgodnie z wytycznymi producenta, aby uniknąć błędów w pomiarach.
  • Warunki środowiskowe: Upewnij się, że przetwornik jest odpowiedni do warunków środowiskowych, w jakich będzie używany, w tym temperatury, wilgotności oraz narażenia na pył czy chemikalia. Dodatkowo, upewnij się, że przetwornik jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne, szczególnie w pobliżu urządzeń elektroenergetycznych i radiowych.
  • Dokumentacja: Prowadź szczegółową dokumentację wszystkich działań związanych z kalibracją i weryfikacją, aby śledzić wydajność przetwornika w czasie.

Przestrzegając tych kroków, możesz zapewnić prawidłowe użytkowanie przetworników w aplikacjach związanych z dźwiękiem i drganiami, utrzymując dokładność i niezawodność pomiarów.

correct use of transducers

Kluczowe Wnioski

  1. Przetworniki przekształcają energię z jednej formy w drugą, ułatwiając pomiar, monitorowanie i kontrolę różnych zjawisk fizycznych.
  2. Przetworniki w aplikacjach związanych z dźwiękiem i drganiami przekształcają energię mechaniczną (drgania lub fale dźwiękowe) w energię elektryczną lub odwrotnie.
  3. Mikrofony i głośniki wykorzystują przetworniki do zamiany fal dźwiękowych na sygnały elektryczne i sygnałów elektrycznych z powrotem na fale dźwiękowe.
  4. Akcelerometry i geofony to rodzaje przetworników drgań, które przekształcają drgania mechaniczne i ruchy gruntu na sygnały elektryczne do analizy i monitorowania.
  5. Młotki uderzeniowe służą do generowania kontrolowanych uderzeń w celu analizy drgań, natomiast optyczne wibrometry laserowe mierzą drgania bezkontaktowo, wykorzystując technologię laserową.
  6. Przetworniki można podzielić na sensory, aktuatory i nadajniki-odbiorniki, z których każdy pełni inną rolę w systemach pomiarowych i kontrolnych.
  7. Aktywne przetworniki generują sygnały elektryczne bezpośrednio w odpowiedzi na zewnętrzny bodziec, nie wymagając zewnętrznego zasilania, podczas gdy pasywne przetworniki potrzebują zewnętrznego zasilania, aby przekształcić bodziec fizyczny w sygnał elektryczny.
  8. Geofony i kryształy piezoelektryczne to przykłady aktywnych przetworników, które generują sygnały bez zasilania zewnętrznego, natomiast mikrofony pojemnościowe i przetworniki MEMS są pasywne i wymagają zasilania zewnętrznego.
  9. Wybór odpowiedniego przetwornika polega na dopasowaniu jego cech, takich jak czułość, zakres częstotliwości i kompatybilność, do specyficznych wymagań aplikacji.
  10. Prawidłowe użytkowanie przetworników wymaga odpowiedniego połączenia, zasilania, kalibracji oraz regularnej konserwacji, w tym kontroli w miejscu pracy i okresowej weryfikacji, aby utrzymać dokładność i niezawodność.

Poproś o więcej informacji
o przetwornikach Svantek













    Podaj temat zapytania:

    Wyrażam zgodę na przetwarzanie moich danych osobowych w postaci imienia i nazwiska oraz adresu poczty elektronicznej przez SVANTEK Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie, ul. Strzygłowskiej 81 w celu przesyłania mi informacji marketingowych dotyczących produktów i usług oferowanych przez SVANTEK Sp. z o.o. za pomocą środków komunikacji elektronicznej, w szczególności poczty elektronicznej, stosownie do treści przepisu art. 10 ust. 1 i 2 ustawy o świadczeniu usług drogą elektroniczną.

    Wyrażam zgodę na przetwarzanie moich danych osobowych w postaci imienia i nazwiska oraz numeru telefonu przez SVANTEK Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie, ul. Strzygłowskiej 81 w celu prowadzenia działań marketingowych przy użyciu telekomunikacyjnych urządzeń końcowych oraz automatycznych systemów wywołujących w rozumieniu ustawy Prawo telekomunikacyjne.

    Wyrażam zgodę otrzymywanie od SVANTEK Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie, ul. Strzygłowskiej 81 drogą elektroniczną na wskazany przeze mnie adres e-mail newslettera i innych informacji handlowych, dotyczących produktów i usług oferowanych przez SVANTEK Sp. z o.o. w rozumieniu ustawy o świadczeniu usług drogą elektroniczną.


    Oświadczam, że zostałem poinformowany, że moje dane mogą być przekazywane podmiotom przetwarzającym dane osobowe w imieniu Administratora, w szczególności dystrybutorom – przy czym takie podmioty przetwarzają dane na podstawie umowy z administratorem i wyłącznie zgodnie z jego instrukcjami. W takich przypadkach Administrator wymaga od podmiotów trzecich zachowania poufności i bezpieczeństwa informacji oraz weryfikuje czy zapewniają odpowiednie środki ochrony danych osobowych.

    Niektóre spośród podmiotów przetwarzających dane osobowe w imieniu Administratora mają siedzibę poza terytorium EOG. W związku z przekazaniem Twoich danych poza terytorium EOG, Administrator weryfikuje, aby podmioty te dawały gwarancje wysokiego stopnia ochrony danych osobowych. Gwarancje te wynikają w szczególności ze zobowiązania do stosowania standardowych klauzul umownych przyjętych przez Komisję (UE). Masz prawo żądać przekazania kopii standardowych klauzul umownych kierując zapytanie do Administratora.

    Oświadczam, iż zostałem poinformowany, że przysługuje mi prawo cofnięcia wyrażonej zgody na przetwarzanie moich danych osobowych w każdym czasie oraz prawo dostępu do podanych danych osobowych, a także prawo do ich sprostowania, usunięcia, ograniczenia przetwarzania oraz wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania danych, jak też wniesienia skargi do Prezesa Urzędu Ochrony Danych Osobowych, w przypadku naruszeń przepisów RODO.

    svantek consultant

    Konsultant SVANTEK pomoże Ci w ustaleniu szczegółów, takich jak wymagane akcesoria do Twojego zadania monitorowania hałasu.

    processing...