28

Inleiding Mechanica & Transductietechniek

Hoofdstuk 5: Inleiding Transductietechniek


dλ I

+q -q

dq

+ -

u

1/28



Transducenten zijn omzetters van energie en informatie van het ene fysisch domein naar het andere

2/28



Transducenten zijn omzetters van energie en informatie van het ene fysisch domein naar het andere Magnetisch? Hydraulisch?

Translatie?

Rotatie? Thermisch?

Whatever Domein?

Chemisch?

3/28



Voorbeelden van energievormen: • kinetische energie

• elektrochemische energie

• gravitatie (potentiële) energie

• chemische energie

• elastische energie (veer)

• elektrische energie

• thermische energie

• magnetische energie

• nucleaire energie

• mechanische energie

4/28



In gesloten systemen wordt geen energie aan- of op-gemaakt; er wordt alleen energie omgezet

5/28




Energie omzetting ⇔ Informatie omzetting

6/28




Energie omzetting ⇔ Informatie omzetting

Transducenten motoren, generatoren

⇒ "vermogens" omzetters

sensoren

⇒ "informatie" omzetters Informatie ⇔ energie: liefst zo weinig mogelijk Vermogen ⇔ energie: liefst zo efficient mogelijk 7/28



Vormen van informatie Plaatsafhankelijk •

magnetische strukturen

•

mechanische strukturen (CD, boek)

•

optische strukturen (hologram)

•

elektrische structuur (print-matrijs)

•

chemisch (foto)

8/28



Vormen van informatie Plaatsafhankelijk

Tijdsafhankelijk

•

magnetische strukturen

•

•

mechanische strukturen (CD, boek) •

elektrische signalen (electronica)

•

optische strukturen (hologram)

•

EM-golven (radio, radar, licht)

•

elektrische structuur (print-matrijs)

•

mechanisch (oude sein-palen)

•

chemisch (foto)

⇒ alles wat plaatsafhankelijk is en beweegt!

magnetische velden (leeskopje)

Informatie-opslag: tijdsafhankelijke structuren ⇔ plaatsafhankelijke structuren

9/28



Rol Transductietechniek Belang Transductietechniek neemt toe

Groei > groei µ-electronica Transducenten steeds belangrijker (“computer heeft zintuigen en ledematen nodig”) Beschrijving van belang

10/28





µ-sensoren

Leunt sterk op ontwikkelingen in de IC-technologie

11/28





µ-sensoren

Leunt sterk op ontwikkelingen in de IC-technologie

Mechatronica

Verweving mechanica, transdutietechniek, elektronica, informatica

12/28



Voorbeelden transducenten: Transducent

Energetische domeinen

Recorderkop

magnetisch ⇔ elektrisch

Luidspreker

elektrisch ⇔ mechanisch

Piëzo

mechanisch ⇔ elektrisch

13/28



Voorbeelden transducenten: Transducent

Energetische domeinen

Recorderkop

magnetisch ⇔ elektrisch

Luidspreker

elektrisch ⇔ mechanisch

Piëzo

mechanisch ⇔ elektrisch

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Kompas

magnetisch ⇒ mechanisch

Photo-diode

optisch ⇒ elektrisch

Laser-diode

elektrisch ⇒ optisch

Surface Acoustic Wave device

elektrisch ⇒ mechanisch ⇒ optisch

14/28



Hoofdsoorten transducenten Generator

Modulator

Energie bufferend

Elektrostatisch Piëzo-elektrisch Ideaal gas

Capacitieve opnemers Inductieve opnemers Mechanisch filter

Energie dissiperend

Thermokoppel Peltier element Verhittingsdraad

Anemometer Rekstrookjes (piëzo-resistief) ISFET ion-detector Optische golfgeleider sensor

Stralend (hybride)

Gloeilamp Zonnecel Elektroluminiscentie

15/28



Hoofdsoorten transducenten Generator

Modulator

Energie bufferend

Elektrostatisch Piëzo-elektrisch Ideaal gas

Capacitieve opnemers Inductieve opnemers Mechanisch filter

Energie dissiperend

Thermokoppel Peltier element Verhittingsdraad

Anemometer Rekstrookjes (piëzo-resistief) ISFET ion-detector Optische golfgeleider sensor

Stralend (hybride)

Gloeilamp Zonnecel Elektroluminiscentie

16/28



Toepassing transducenten

17/28



Toepassing transducenten Medisch

•

Consumertoepassingen

Milieubewaking, chemie, farmacie, landbouw

Fabricage

• (bio)chemische sensoren, analyse systemen, robots

•

produktiefaciliteiten voor chips

• on-line bewaking van gas uitstoot en afval

•

controle instrumentatie in de procesindustrie, metaalindustrie

•

industriële robots

•

microrobots voor produktcontrole

Wetenschap

protheses en hulpmiddelen voor oog en oor

•

automotive sensors

•

•

informatieopslag microsystemen

sensoren en zenuw stimulatie

•

cd-spelers

•

doseersystemen voor medicijnen

•

inkt jet printers

•

controle instrumentatie

•

implanteerdbare doseersystemen

•

(optische) communicatiesystemen

•

minimum invasive surgery

•

• mesoscopische materiaalkunde

geïmplanteerde drainagesystemen

• scanning microscopie

•

endoscopie met actieve draden

•

oppervlakte structurering voor implantaten

• bestrijding ongedierte m.b.v. microrobots • geluidsintensiteit sensoren (µ-Flown)

• microinstrumentatie: ∗ windtunnels (druk en flow in/om auto’s en vliegtuigen) ∗ ruimtevaart ∗ cel micromanipulatie ∗ distributed sensing voor b.v. turbulentie

18/28



Informatie verwerkende systemen:

Memory

Process

SENSOR

Person

Communication channel

Information processing system INPUT DATA

OUTPUT DATA

ACTUATOR

Memory

Person Process Communication channel

Complexe structuren door Cascade van omzettingen: (mech ⇔ elektr) + (elektr ⇔ opt) = (mech ⇔ opt) Grote hoeveelheid sensoren + rekenkracht 19/28



Poorten Magnetisch? Hydraulisch?

Translatie?

Rotatie? Thermisch?

Whatever Domein?

Chemisch?

Energiedomein van transducent ⇔ poort naar het desbetreffende domein 20/28



Energieverandering door poort dEtot = Effort • ∆Toestandsgrootheid

21/28



Energieverandering door poort dEtot = Effort • ∆Toestandsgrootheid

Voorbeelden van poorten: Effort F (kracht) u (elektrische spanning) i (stroom) T (moment) T (temperatuur) µ (chemische potentiaal)

Toestandsgrootheid dx (verplaatsing) dq (ladingsverandering)

dEtot Fdx udq

dλ (gekoppelde flux)

idλ

dα (rotatie) dS (entropieverandering) dN (hoeveelheid stof)

Tdα TdS µdN

22/28



Beschrijving transducenten: Elektromagnetisme: Wetten van Maxwell

Veldkrachten: Lorentzkracht Coulombkracht Gravitatiekracht

Bewegingswetten: Axioma's van Newton

Thermodynamica: Hoofdwetten Algemene gaswet (pv=NRT)

Chemie

Atoom-fysica

23/28



Condensator ⇒ energie in het elektrische domein:

24/28




Elektrisch vermogen:

Capaciteit: Energie toename:

dq dE = P = ui = u dt dt C = q/u q

q2  2 (E 2 − E 1 ) =    2C  q 1

25/28




Elektrisch vermogen:

Capaciteit: Energie toename:

dq dE = P = ui = u dt dt C = q/u q

q2  2 (E 2 − E 1 ) =    2C  q 1 Transducent indien capaciteit van geometrie afhangt 26/28



Voorbeeld tweepoort: condensator met beweegbare plaat

27/28



Voorbeeld tweepoort: condensator met beweegbare plaat

Analyse generatortype transducent:

⇒ bepaling van de poorten ⇒ opstellen van de energiefuncties ⇒ bepalen instelpunten ⇒ klein-signaal gedrag ⇒ stabiliteit 28/28

28

Recommend Documents