Введение в линейные дифференциальные трансформаторы (LVDT)

Ищете краткое введение в LVDT? В этой статье объясняются основы LVDT, включая структуру, схему, передаточную функцию, линейный диапазон, чувствительность и многое другое.

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT) - это электромеханический преобразователь, который определяет механическое смещение сердечника и выдает пропорциональное переменное напряжение на выходе. Высокое разрешение (теоретически бесконечное), высокая линейность (0,5% или лучше), высокая чувствительность и нулевое механическое трение - вот некоторые из важных характеристик устройств LVDT.

В этой статье мы рассмотрим структуру и принципы работы LVDT. Мы также рассмотрим три важных параметра этих датчиков:линейный диапазон, погрешность линейности и чувствительность.

Структура LVDT

На рис. 1 показан вид в разрезе и схемная модель базового LVDT. Он состоит из одной первичной обмотки, соединенной с двумя вторичными обмотками через подвижный сердечник. Когда магнитопроницаемый сердечник движется, магнитная связь между первичной и каждой вторичной обмотками изменяется соответственно. Это создает зависящие от положения сигналы напряжения на двух обмотках, которые можно использовать для определения положения объекта.

Рисунок 1 (а). Вид LVDT в разрезе. Изображение предоставлено Honeywell

Рисунок 1 (б). Схема модели LVDT

Две вторичные обмотки соединены последовательно, что означает, что они соединены последовательно, но намотаны в противоположных направлениях. Сердечник, обычно через неферромагнитный стержень, прикрепляется к объекту, движение которого измеряется, и узел катушки обычно фиксируется в неподвижной форме.

Как это работает?

На рисунке 2 показано, как идеально центрированный сердечник в идеале дает нулевой выходной сигнал. Вход возбуждается переменным напряжением соответствующей частоты (V _EXC ). Поскольку две вторичные обмотки намотаны симметрично с двух сторон первичной обмотки, центрированный сердечник обеспечивает равную магнитную связь между первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками. Если вторичные обмотки соединены последовательно, равные напряжения с противоположной полярностью будут индуцироваться на двух вторичных обмотках (V _s1 =-V _s2 ). Следовательно, напряжения двух обмоток уменьшатся, и общий выходной сигнал будет равен нулю (V _out =0).

Рисунок 2. LVDT с идеально центрированным сердечником

Когда сердечник смещается вверх, как показано на рисунке 3, связь между первичной обмоткой и первой вторичной обмоткой становится сильнее. Это приводит к большему напряжению переменного тока на первой вторичной обмотке по сравнению со второй вторичной (| V _s1 |> | V _s2 |) и ненулевой вывод (V _out ). Обратите внимание, что вывод находится в фазе с V _s1 но его амплитуда относительно меньше.

В примере, изображенном на рисунке 3, выходной сигнал должен быть идеально синфазен с V _EXC когда ядро ​​испытывает смещение вверх.

Рисунок 3. LVDT с ядром, перемещенным вверх

Типичные формы сигналов для смещения сердечника вниз показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. LVDT с ядром, перемещенным вниз

В этом случае магнитная связь между первичной и второй вторичной обмотками увеличивается, что приводит к | V _s2 |> | V _s1 |, Как видите, у нас будет ненулевой V _out которое в идеале сдвинуто по фазе на 180 ° по отношению к напряжению возбуждения.

Передаточная функция

На рисунке 5 показана передаточная функция типичного LVDT. По оси абсцисс отложено смещение сердечника от центра. По оси ординат отложена амплитуда выходного переменного напряжения.

Рисунок 5. Изображение любезно предоставлено Рамоном Паллас-Арени и Джоном Г. Вебстером, «Датчики и обработка сигналов»

В начале координат (x =0) выход в идеале равен нулю. Поскольку сердечник смещается от центра в любом направлении, амплитуда выходного сигнала увеличивается линейно с перемещением сердечника. Обратите внимание, что измеряя только амплитуду выходного сигнала, мы не можем определить, смещено ли сердечник влево или вправо. Нам нужно знать как амплитуду, так и фазу выходного сигнала.

Линейный диапазон

Как показано на рисунке 5, LVDT демонстрирует линейную передаточную функцию только в ограниченном диапазоне смещения сердечника. Это определяется как линейный диапазон LVDT.

Почему устройство перестает иметь линейную зависимость за пределами этого диапазона?

Мы можем представить, что, когда смещение сердечника из нулевого положения превышает определенное значение, магнитный поток, который передается сердечнику от первичной обмотки, уменьшается. Это, следовательно, приводит к снижению напряжения, которое появляется на соответствующей вторичной обмотке. Максимальное расстояние, на которое сердечник может пройти из своего нулевого положения при наличии линейной передаточной функции, называется полномасштабным смещением.

Доступен широкий диапазон LVDT, охватывающий диапазон смещения от ± 100 мкм до ± 25 см. LVDT, способные измерять большие диапазоны, также находят применение в лабораторных, промышленных и подводных средах.

Ошибка линейности

График зависимости выхода LVDT от смещения сердечника не является идеальной прямой линией даже в линейном диапазоне. Выходные данные могут немного отклоняться от прямой линии, построенной для наилучшего соответствия выходным данным.

Одним из механизмов, который может привести к нелинейности в номинальном линейном диапазоне устройства, является насыщение магнитного материала. Это может привести к возникновению 3-й гармонической составляющей, даже если сердечник находится в нулевом положении. Эту гармонику можно подавить, применив фильтр нижних частот к выходу LVDT.

Максимальное отклонение выходного сигнала LVDT от ожидаемой аппроксимации прямой линии считается ошибкой линейности. Ошибка линейности обычно выражается как +/- процент от полного диапазона выходного сигнала. Например, E-100 LVDT от Measurement Specialties, Inc. имеет максимальную погрешность линейности ± 0,5% от полного диапазона.

Чувствительность

Чувствительность или передаточное отношение позволяет связать выходное напряжение со смещением сердечника. Чтобы определить чувствительность, мы запитываем первичную обмотку на рекомендованном уровне привода (3 В _RMS для E-100 LVDT) и переместите сердечник из нулевого положения с помощью полного перемещения. Теперь мы измеряем напряжения на двух вторичных обмотках, чтобы найти общее выходное напряжение (V _out ). Подставляя эти значения в следующее уравнение, мы можем найти чувствительность LVDT:

\ [Sensitivity =\ frac {V_ {out}} {V_ {Primary} \ times (Core ~ ​​Displacement)} \]

Чувствительность обычно указывается в милливольтах на один вольт возбуждения на тысячные доли дюйма смещения сердечника (мВ / В / мил). Например, чувствительность E-100 составляет 2,4 мВ / В / мил. Имея чувствительность, мы можем определить необходимое усиление схемы преобразования сигнала.

<час />

LVDT - это электромеханический преобразователь, который можно использовать для определения механического смещения объекта. Высокое разрешение (теоретически бесконечное), высокая линейность (0,5% или лучше), высокая чувствительность и нулевое механическое трение - вот некоторые из важных характеристик устройств LVDT.