ตัวแปรสัญญาณ

ตัวแปรสัญญาณ (อังกฤษ: Transducer) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่แปลงรูปแบบพลังงานในรูปแบบหนึ่งให้กลายเป็นเป็นพลังงานในอีกรูปแบบหนึ่ง^[1] โดยทั่วไป ตัวแปรสัญญาณจะแปลงสัญญาณในรูปแบบพลังงานหนึ่ง ให้กลายไปสัญญาณในอีกรูปแบบ^[2] ตัวแปรสัญญาณสามารถแปลงพลังงานได้กลายรูปแบบ เช่น พลังงานไฟฟ้า, เครื่องกล, แม่เหล็กไฟฟ้า (รวมทั้งแสง), พลังงานเคมี, พลังงานเสียง และ พลังงานความร้อน^[3] ตัวแปรสัญญาณปกติจะหมายถึง เซ็นเซอร์ หรือ เครื่องตรวจจับ อันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องมือวัดต่างๆ

เซ็นเซอร์จะใช้ในการตรวจสอบพารามิเตอร์ในรูปแบบหนึ่ง และรายงานในอีกรูปแบบหนึ่งของพลังงาน ซึ่งมักจะเป็นสัญญาณไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ความดันอาจตรวจจับความดัน (รูปแบบเชิงกลของพลังงาน) และแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าสำหรับจอแสดงผลที่เครื่องวัดระยะไกล ตัวแปรสัญญาณมักมีการใช้งานในระบบอัตโนมัติ การวัด และ ระบบควบคุม ที่สัญญาณไฟฟ้าจะถูกแปลงให้เป็นรูปแบบทางกายภาพอื่น อาทิ พลังงาน แรง ทอร์ก แสง การเคลื่อนที่ ฯลฯ กระบวนการนี้มีชื่อเรียกว่า การแปรสัญญาณ (Transduction)

ตัวกระตุ้น (Actuator) คือ ตัวแปรสัญญาณ (Transducer) รูปแบบหนึ่ง, ตัวกระตุ้นจะรับพลังงานไฟฟ้าและเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนไหว เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า และ ลำโพง อุปกรณ์สองอย่างนี้แปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นการเคลื่อนไหว^[4]

ประเภท

ตัวแปรสัญญาณไฟฟ้า และ ตัวแปรสัญญาณใช้พลังงานกล

ตัวแปรสัญญาณที่แปรพลังงานอื่น ๆ เป็นพลังงานกล เรียกว่า ตัวแปรสัญญาณกล (Mechanical transducers) ส่วนตัวแปรสัญญาณที่แปรพลังงานอื่น ๆ เป็นพลังงานไฟฟ้าเรียกว่า ตัวแปรสัญญาณไฟฟ้า อาทิเช่น เครื่องคู่ควบความร้อน (Thermocouple) เปลี่ยนความแตกต่างของอุณหภูมิให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า หรือ LVDT (Linear variable differential transformer) ที่ใช้วัดการเคลื่อนตำแหน่ง

การประยุกต์ใช้

ตัวแปรสัญญาณที่ใช้ในระบบการสื่อสารอิเล็กทรอนิกส์เพื่อแปลงสัญญาณจากรูปแบบทางกายภาพต่างๆ ให้เป็นสัญญาณ อิเล็กทรอนิกส์ และในทางกลับกัน

• แม่เหล็กไฟฟ้า :
  • สายอากาศ - แปลงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า และแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
  • หัวอ่าน/เขียนเทป ดิสก์ - แปลงสนามแม่เหล็กบนสื่อแม่เหล็กไปเป็นสัญญาณไฟฟ้า(อ่าน)และแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นแม่เหล็ก(เขียน)
  • เซ็นเซอร์ Hall Effect - แปลงระดับของสนามแม่เหล็กเป็นสัญญาณไฟฟ้า
• ไฟฟ้าเคมี :
  • หัววัดค่า pH
  • เซลล์เชื้อเพลิงแบบไฟฟ้าเคมี
  • เซ็นเซอร์ไฮโดรเจน
• เครื่องกลไฟฟ้า :
  • โพลีเมอ electroactive มีคุณสมบัติที่จะเปลี่ยนรูปถ้าจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไป, เป็น actuator ใช้ทำกล้ามเนื้อเทียมของหุ่นยนต์
  • เครื่องวัดกระแสไฟฟ้า
  • ระบบ Microelectromechanical
  • มอเตอร์โรตารี มอเตอร์แนวราบ
  • เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขับเคลื่อนโดยการสั่นสะเทือน
  • Potentiometer เมื่อนำมาใช้สำหรับการวัดตำแหน่ง
  • หม้อแปลงไฟฟ้าเชิงเส้นตัวแปรแตกต่าง หรือ หม้อแปลงไฟฟ้าโรตารี่ตัวแปรแตกต่าง
  • โหลดเซลล์ - แปลงแรงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าระดับ mV/V โดยใช้มาตรวัดความเครียด
  • มิเตอร์วัดความเร็ว (อังกฤษ: accelerometer)
  • มิเตอร์วัดความเครียด (อังกฤษ: Strain gauge)
  • มิเตอร์วัดแรงดึง (อังกฤษ: String potentiometer)
  • เซ็นเซอร์วัดการไหลของอากาศ (อังกฤษ: Air flow sensor)
  • เซ็นเซอร์สัมผัส (อังกฤษ: Tactile sensor)
• เสียงacoustic :
  • ลำโพง หูฟัง - แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นเสียง (ขยายสัญญาณ → สนามแม่เหล็ก → การเคลื่อนไหว → แรงกดดันอากาศ)
  • ไมโครโฟน - แปลงเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า(แรงดันอากาศ → การเคลื่อนไหวของตัวนำ/ขดลวด → สนามแม่เหล็ก → สัญญาณไฟฟ้า)
  • Pickup (เทคโนโลยีดนตรี) - แปลงการเคลื่อนไหวของสายลวดโลหะเป็นสัญญาณไฟฟ้า(แม่เหล็ก → สัญญาณไฟฟ้า)
  • คริสตัล piezoelectric - แปลงการเปลี่ยนรูปร่างของคริสตัล solid-state (การสั่นสะเทือน) ไปเป็นสัญญาณไฟฟ้า ใช้ทำ ringer ในโทรศัพท์มือถือ
  • geophone - เปลี่ยนการเคลื่อนไหวของพื้นดิน(การแยกออก)เป็นแรงดันไฟฟ้า ( การสั่นสะเทือน → การเคลื่อนไหวของตัวนำ/ขดลวด → สนามแม่เหล็ก → สัญญาณ )
  • Gramophone pickup - (ความดันอากาศ → เคลื่อนไหว → สนามแม่เหล็ก → สัญญาณไฟฟ้า )
  • Hydrophone - แปลงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันน้ำเป็นสัญญาณไฟฟ้า
  • Sonar transponder (แรงดันน้ำ → การเคลื่อนไหวของตัวนำ/ขดลวด → สนามแม่เหล็ก → สัญญาณไฟฟ้า)
  • Ultrasonic transceiver ส่งสัญญาณอัลตราซาวนด์ที่ได้รับจากการสะท้อนกลับเมื่อเสียงกระทบวัตถุเป้าหมาย ใช้สร้างภาพของวัตถุนั้น
• Electro-optical (Photoelectric):
  • หลอดไฟ, LED, Laser Diode - แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงที่ไม่ต่อเนื่องกัน
  • Photodiode, photoresistor, phototransistor, photomultiplier - แปลงการเปลี่ยนระดับแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า
  • Photodetector หรือ photoresistor หรือ ตัวต้านทานขึ้นอยู่กับแสง (LDR ) - แปลง เปลี่ยนแปลงระดับแสงสว่างมาเป็นการเปลี่ยนแปลงในความต้านทานไฟฟ้า
• ไฟฟ้าสถิต :
  • Electrometer เครี่องวัดไฟฟ้าสถิต

องค์ประกอบง่ายๆของ Peltier Cooler, ขั้ว Thermoelectric ต่อขนานกันด้านอุณหภูมิแต่อนุกรมกันด้านไฟฟ้า

• Thermoelectric:
  • ตัวตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน (อังกฤษ: Resistance Temperature Detector) หรือ RTD - แปลงอุณหภูมิของตัวต้านทานให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า
  • คู่ควบความร้อน - แปลงอุณหภูมิสัมพันธ์ของรอยต่อโลหะให้เป็นแรงดันไฟฟ้า
  • Peltier Cooler - แปลงอุณหภูมิสัมพัทธ์ของรอยต่อโลหะให้เป็นแรงดันไฟฟ้าหรือกลับกัน ใช้ในการหล่อเย็น CPU ใน PC หรือเป็นตัวกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก
  • เทอร์มิสเตอร์ (รวมตัวต้านทานแบบ Positive Temperature Coefficient (PTC) และ ตัวต้านทานแบบ Negative Temperature Coefficient (NTC)
• Radioacoustic :
  • Geiger–Müller tube - แปลงการแผ่รังสีที่ถูก ionize ให้เป็นสัญญาณแรงกระตุ้นไฟฟ้า
  • ตัวรับ (วิทยุ)
  • เครื่องส่งสัญญาณ - แปลงสัญญาณเสียงให้เป็นสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าส่งกระจายเสียง

ดูเพิ่ม

• Tactile sensor
• Horn analyzer

อ้างอิง

1. Agarwal, Anant. Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits.Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005, p. 43
2. Winer, Ethan (2013). "Part 3". The Audio Expert. New York and London: Focal Press. ISBN 978-0-240-82100-9.
3. Fraden J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications 5th ed. Springer. p.7
4. Southwest Center for Microsystems Education (SCME) University of New Mexico (2009). "Introduction to Transducers, Sensors, and Actuators เก็บถาวร 2019-11-27 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน" สืบค้นเมื่อ 18 พฤษภาคม ค.ศ.2020