Εφαρμογή των μετατροπέων

Περιεχόμενο

• Παραδείγματα μορφοτροπέα
• Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εξηγείται
• Πιεζοηλεκτρικός ανιχνευτής έναντι διαφορών αισθητήρων
• Άλλες ομαδοποιήσεις παραδειγμάτων μορφοτροπέα
• Εφαρμογή μετασχηματιστών μεμβράνης
• Φυσική ανιχνευτή πίεσης και εφαρμογές

Από τα μικρόφωνα στις συναυλίες μέχρι τους ανιχνευτές pH που δοκιμάζουν χημικές ουσίες για την οξύτητα, θα βρείτε μετατροπείς σε μια ευρεία σειρά εφαρμογών. Το όνομα μετατροπέα αναφέρεται σε οποιαδήποτε συσκευή που μετατρέπει μηχανικά φαινόμενα σε ηλεκτρικά φαινόμενα ή αντίστροφα. Αυτό τους κάνει να εμφανίζονται σε πολλές περιοχές της ζωής από κεραίες ραδιοφώνου έως ακουστικά.

Παραδείγματα μορφοτροπέα

Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να περιγράψουμε τις διαφορετικές εφαρμογές των μετατροπέων επειδή υπάρχουν πολλοί τρόποι κατηγοριοποίησης τους. Μια γενική μέθοδος που δείχνει πώς διαφέρουν μεταξύ τους είναι η σύγκριση του τρόπου με τον οποίο οι μετατροπείς μετατρέπουν την ενέργεια και τις ομαδοποιούν με αυτό.

Ένα παράδειγμα εφαρμογής μετατροπής μορφοτροπέα είναι ένας μετατροπέας θερμοκρασίας ο οποίος μετατρέπει τη θερμοκρασία σε ένα ηλεκτρικό δυναμικό. Αυτή η μέθοδος κατηγοριοποίησης είναι χρήσιμη για να σας ενημερώσουμε για το τι χρησιμοποιείται ένας τύπος μετατροπέα.

Οι μορφοτροπείς μπορούν να είναι φωτοβολταϊκοί, πιεζοηλεκτρικοί, χημικοί, αμοιβαίοι με βάση την επαγωγή, ηλεκτρομαγνητικοί, φωτοαγώγιμοι ή με βάση Hall. ο φωτοβολταϊκός μορφοτροπέας μετατρέπει το φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Πιεζοηλεκτρικοί μορφοτροπείς χρησιμοποιήστε το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα για να μετατρέψετε τη μηχανική τάση σε ηλεκτρική ενέργεια. Χημικοί μετατροπείς μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε άλλες μορφές ενέργειας.

Μεταγωγείς που χρησιμοποιούν αμοιβαία επαγωγή μέτρηση μιας ποσότητας όπως ροπή, δύναμη, ταχύτητα, γραμμική μετατόπιση, πίεση, επιτάχυνση ή κάποια άλλη ιδιότητα και αντιδρούν με επαγωγή, την ικανότητα ενός αγωγού να αντιτίθεται σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα που εφαρμόζεται μέσω αυτού.

Ηλεκτρομαγνητικοί μετατροπείς μετατρέπουν τις αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο σε ηλεκτρική ενέργεια. Φωτοαγώγιμοι μορφοτροπείς μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια. Μετατροπείς που βασίζονται στο Hall effect (η παραγωγή διαφοράς τάσης σε ηλεκτρικό αγωγό) μετατρέπει τις αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο σε ηλεκτρική ενέργεια.

Μερικοί από αυτούς τους τύπους μετατροπέων έχουν τις εφαρμογές τους σε καθημερινές συσκευές, όπως πώς χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικοί μορφοτροπείς σε ηλεκτρικούς αναπτήρες τσιγάρων στους οποίους, όταν πιέζετε το κουμπί του, ένα σφυρί με ελατήριο χτυπά έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο που δημιουργεί τάση διαμέσου ενός διακένου σπινθήρα ανάψτε το αέριο.

Άλλες χρησιμοποιούνται σε έργα μεγάλης κλίμακας, όπως ο μεγαλύτερος μετατροπέας ροπής στον κόσμο, με βάρος 4,6 τόνων και ροπή μέτρησης ροπής μέχρι 10MNm, από την εταιρεία Electronics.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εξηγείται

Μπορείτε να βρείτε το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα σε πολλά υλικά, αλλά είναι σημαντικό να τα διαφοροποιήσετε από τους αισθητήρες, μία από τις εφαρμογές τους σε μετατροπείς. Οι πιεζοηλεκτρικοί μορφοτροπείς τοποθετούν υλικό ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες. Η ρύθμιση δημιουργεί πιεζοηλεκτρικότητα όταν το υλικό ωθείται μαζί. Αυτό μετατρέπει τη μηχανική δύναμη της πίεσης σε ηλεκτρική ενέργεια.

Μπορείτε να σκεφτείτε το πιεζοηλεκτρικό υλικό που πιέζεται μαζί ως μπαταρία με θετικό άκρο και αρνητικό άκρο. Το ρεύμα ρέει εάν συνδέσετε τις δύο όψεις της μπαταρίας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.

Το αντίστροφο είναι επίσης δυνατό. Εάν επρόκειτο να προκαλέσετε ηλεκτρικό ρεύμα σε όλο το υλικό, θα υφίστατο μια μηχανική πίεση που πιέζει το ένα το άλλο, γνωστό ως το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, και οι μηχανισμοί εμπρόσθιας και οπίσθιας όψης χρησιμοποιούνται σε πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες.

Πιεζοηλεκτρικός ανιχνευτής έναντι διαφορών αισθητήρων

Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες διαφέρουν από τους μετατροπείς στο ότι είναι ένα συγκεκριμένο παράδειγμα πιεζοηλεκτρικού μορφοτροπέα που χρησιμοποιεί έναν ορισμένο τύπο δύναμης που μετασχηματίζεται σε μια ηλεκτρική ενέργεια που δείχνει ότι υπάρχει κάποιο είδος παρατήρησης. Όταν παρατηρείτε το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο στη φύση, όπως σε φυσικές πηγές ζάχαρης ζαχαροκάλαμου, Βερολίτη και χαλαζία, μπορούν να λειτουργήσουν ως αισθητήρες βιολογικής δύναμης που μπορούν να σας πουν εάν έχει πραγματοποιηθεί κάποια χημική αντίδραση ως αποτέλεσμα του πιεζοηλεκτρικού αποτελέσματος.

Ομοίως, οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες που δημιουργούν οι μηχανικοί μπορούν να ανιχνεύσουν τις διακυμάνσεις της πίεσης στον ήχο για χρήση σε μικρόφωνα, παγίδες για ηλεκτρική κιθάρα, ιατρική απεικόνιση και βιομηχανικές μη καταστροφικές δοκιμές. Σε αντίθεση, πιεζοηλεκτρικούς ενεργοποιητές χρησιμοποιήστε το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να προκαλέσετε μηχανική καταπόνηση σε απόκριση ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού ρεύματος.

Οι στιγμές ηλεκτρικού διπόλου (ο διαχωρισμός των θετικών και αρνητικών φορτίων σε ένα υλικό) από τις κρυσταλλικές δομές πλέγματος στα υλικά, προκαλούν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Καθώς τα υλικά πιέζονται μαζί, τα δίπολα ευθυγραμμίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να ρέει ηλεκτρικό φορτίο.

Η Poling, μια διαδικασία στην οποία χρησιμοποιείται ένα μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο για την ευθυγράμμιση των περιοχών των ίδιων των διπόλων, μπορεί να γίνει σε ορισμένα πιεζοηλεκτρικά υλικά για να αυξηθεί η αποτελεσματικότητά τους. Αυτά τα πιεζοηλεκτρικά υλικά δεν πρέπει να έχουν κέντρο συμμετρίας γιατί, αν το έκαναν, το καθαρό φορτίο θα ακυρωνόταν στο μηδέν και το ρεύμα δεν μπορούσε να ρέει.

Άλλες ομαδοποιήσεις παραδειγμάτων μορφοτροπέα

Επειδή οι μορφοτροπείς είναι τόσο ευρείς με πολλές εφαρμογές, μπορείτε να τις ομαδοποιήσετε και με άλλες μεθόδους. Οι μορφοτροπείς μπορούν να ταξινομηθούν στον τύπο της ποσότητας που μετράνε. Υπάρχουν μετατροπείς που μετρούν τη θερμοκρασία, την πίεση, τη μετατόπιση, τη δύναμη, τη ροή και την επαγωγή.

Τα θερμοστοιχεία μετρούν τη θερμοκρασία και εξάγουν μια συγκεκριμένη ηλεκτρική τάση που βασίζεται σε αυτό. Διαφραγματικός μετατροπέαςs μετατρέπει τις μεταβολές της πίεσης σε μικρές μεταβολές στην μετατόπιση ενός διαφράγματος. Αυτοί χρησιμοποιούν ένα υλικό με μικροσκοπικές οπές που επιτρέπουν τη μεταφορά νερού και υδροξυλίου ή αερίων μεταξύ της ανόδου και της καθόδου ενός ηλεκτρικού στοιχείου.

Εφαρμογή μετασχηματιστών μεμβράνης

Μετρητές τάσης, οι συσκευές που ανιχνεύουν μικρές μεταβολές στην ηλεκτρική αντίσταση όταν εφαρμόζεται μια μηχανική δύναμη σε αυτά, αποτελούν ένα μεγάλο παράδειγμα εφαρμογής μετασχηματιστών διαφράγματος. Χρησιμοποιούνται σε ισορροπίες ως ακριβείς μέθοδοι μέτρησης της μάζας ενός αντικειμένου ή υλικών που τοποθετούνται σε αυτά. Οι μετρητές τάσης ανιχνεύουν μικρές μεταβολές στο μέγεθος του μετρητή σε απόκριση μιας αντίστασης ενός επαγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος.

Οι μετρητές τάσης είναι χτισμένοι σε σχήμα ζιγκ-ζαγκ σε ένα υπόστρωμα που ανιχνεύει αλλαγές στην αντίσταση. Ο συντελεστής μέτρησης αντιπροσωπεύει αυτή την ευαισθησία στην αλλαγή και μπορεί να υπολογιστεί ως η μεταβολή της αντίστασης διαιρούμενη με την τιμή του στελέχους ως δR / δS.

Το σύρμα έχει ονομαστική κυκλική διατομή. Καθώς εφαρμόζεται πίεση στο μετρητή, το σχήμα της εγκάρσιας τομής του σύρματος αντίστασης διαστρεβλώνει, αλλάζοντας την περιοχή της εγκάρσιας τομής. Καθώς η αντίσταση του σύρματος ανά μονάδα μήκους είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την περιοχή της εγκάρσιας τομής, υπάρχει μια επακόλουθη αλλαγή στην αντίσταση.

Η σχέση εισόδου-εξόδου ενός μετρητή τάσης εκφράζεται από τον συντελεστή μέτρησης, ο οποίος ορίζεται ως η μεταβολή της αντίστασης δR για μια δεδομένη τιμή του στελέχους δδ, δηλαδή, ο συντελεστής μετρητή = δR / δS. Οι μηχανισμοί πίσω από το μετρητή τάσης, παρόλο που είναι παρόμοιοι με εκείνους του πιεζοηλεκτρικού αποτελέσματος, δείχνουν πόσο ευρείες είναι οι εφαρμογές στη φυσική και τη μηχανική για τους μετατροπείς.

Ενώ και οι δύο μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο βασίζεται κυρίως στη χημική σύνθεση των υλικών ενώ ο μετρητής τάσης χρησιμοποιεί την αντίσταση σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.

Φυσική ανιχνευτή πίεσης και εφαρμογές

ΕΝΑ μετατροπέα πίεσης είναι ένα άλλο παράδειγμα ενός μορφοτροπέα τάσης. Ένας αισθητήρας πίεσης χρησιμοποιεί ένα μετρητή τάσης κατασκευασμένο από πυρίτιο για να υπολογίσει ρεύμα που έχει μια αντίστοιχη πίεση και μετατόπιση της στάθμης του νερού. Για αυτούς τους τύπους μετατροπέων, η πίεση 9,8 kPa συσχετίζεται με ύψος νερού 1 m.

Ένας αισθητήρας πίεσης συνήθως χρησιμοποιεί εξαερισμένα καλώδια για να μειώσει την επίδραση των μεταβολών της πίεσης στην ατμόσφαιρα παράλληλα με ένα ψηφιακό καταγραφικό δεδομένων για συνεχή παραγωγή δεδομένων που ένας επιστήμονας ή μηχανικός μπορεί εύκολα να αναλύσει.

Ένας γενικός μορφοτροπέας πιέσεως μπορεί επίσης να υποστεί φράξιμο ως αποτέλεσμα υδροξειδίου του σιδήρου και άλλων υλικών που σχηματίζουν ιζήματα, βλάβη από όξινα περιβάλλοντα ή διάβρωση λόγω αερίου για χρήσεις τους σε περιβάλλον εξόρυξης.