Linear Variable Differential Transformers (LVDT): фундаментальы, дизайн и ключевые метрики производительности

Исследуйте ключевые принципы LVDT: структура, операция, передаточная функция, линейный диапазон, линейность и чувствительность.

Linear variable differential transformer (LVDT) — прецизионный электромеханический трансдюсер, конвертирующий механическое смещение ядра в пропорциональное AC напряжение. Он доставляет практически бесконечное разрешение, суб-0.5% линейность, высокую чувствительность и практически нулевое механическое трение, делая его идеальным для критических измерительных приложений.

В этой статье мы детализируем физическую компоновку, рабочие принципы и три критичных параметра производительности — линейный диапазон, ошибка линейности и чувствительность.

Структура LVDT

Рисунок 1 иллюстрирует типичный LVDT cut-away и его эквивалентную цепь. Устройство состоит из одиночной первичной обмотки, окруженной двумя вторичными обмотками. Ферромагнитное ядро, обычно не-ферродистый стержень, свободно движется вдоль оси катушек. По мере смещения ядра, магнитное сцепление с каждой вторичной меняется, производя позиционно-зависимые напряжения.

Рисунок 1(a). Cut-away вид LVDT. Изображение courtesy of Honeywell

Рисунок 1(b). Цепная модель LVDT

Две вторичные обмотки series-opposed: они соединены в серии но намотаны в противоположных направлениях. Ядро присоединяется к измеряемому объекту; катушечная сборка остается стационарной.

Как это работает

Когда ядро сидит в центре, равный магнитный флюкс связывает обе вторичные. Потому что вторичные намотаны противоположно, их индуцированные напряжения компенсируются, давая нулевое выходное напряжение (V_out = 0). Это показано в Рисунке 2.

Рисунок 2. LVDT с идеально отцентрованным ядром

Смещение ядра вверх усиливает сцепление с первой вторичной, создавая большее напряжение там чем во второй вторичной (|V_s1| > |V_s2|). Результирующий выход не-нулевой и в фазе с возбуждением, как иллюстрировано в Рисунке 3.

Рисунок 3. LVDT со смещенным вверх ядром

И наоборот, смещение ядра вниз фаворит вторую вторичную, производя негативный выход, идеально 180° out of phase с возбуждением. Волновые формы для этого сценария показаны в Рисунке 4.

Рисунок 4. LVDT со смещенным вниз ядром

Передаточная функция

Отношение между смещением ядра и выходным напряжением захвачено в Рисунке 5. Кривая передачи линейна вокруг нулевой точки, но только в ограниченном диапазоне смещения.

Рисунок 5. Изображение courtesy of Ramón Pallàs-Areny и John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning

Измерение только амплитуды не может указать направление смещения; фазовая информация эссеншл для разрешения влево против вправо движения.

Линейный диапазон

За пределами линейного региона, магнитное сцепление насыщается и выход отклоняется от прямолинейного тренда. Максимальное смещение, по которому выход остается линейным, определяется как full-scale range. LVDTs доступны от ±100 µm до ±25 cm, подходящи для лабораторных, промышленных и суборжильных применений.

Ошибка линейности

Даже в пределах номинального линейного диапазона, выходная кривая не идеально прямая. Наибольшее отклонение от best-fit линии называется ошибкой линейности, типично выраженной как процент от full-scale выходного. Например, Measurement Specialties E-100 LVDT листит ±0.5% ошибку линейности.

Магнитное насыщение может вводить третью гармонику даже в нуле; это может быть смягчено low-pass фильтром на выходе.

Чувствительность

Чувствительность — или передаточное отношение — связывает выходное напряжение со смещением ядра. С первичной, энергизированной на ее рекомендованном уровне (3 V_RMS для E-100), ядро смещается на full-scale смещение. Результирующее выходное напряжение дает чувствительность через:

\[\text{Чувствительность} = \frac{V_{out}}{V_{Primary}\times\text{Смещение ядра}}\]

Типичные единицы — милливольты выход на вольт возбуждения на тысячную дюйма смещения ядра (mV/V/mil). E-100 предлагает 2.4 mV/V/mil, позволяя дизайнерам точно размеровать кондиционирующий усилитель.

---

В сумме, LVDTs комбинируют высокое разрешение, отличную линейность и нулевое механическое трение, делая их краеугольным камнем трансдюсера для прецизионного измерения смещения по широкому диапазону приложений.