Принцип работы LVDT-датчика
Дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT) представляет собой 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 LVDT-датчиков.
В этой статье мы рассмотрим структуру и принципы работы LVDT-датчика. Мы также рассмотрим три важных параметра этих датчиков: линейный диапазон, погрешность линейности и чувствительность.
Структура LVDT
На следующих рисунках показан вид в разрезе и схемная модель базового LVDT-датчика. 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 соответственно изменяется. Это создает зависящие от положения сигналы напряжения на двух обмотках, которые можно использовать для определения положения объекта.
Две вторичные обмотки 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 работает LVDT-датчик
На следующем рисунке показано, как идеально центрированный сердечник в идеале дает нулевой выходной сигнал. Вход возбуждается переменным напряжением соответствующей частоты (VEXC). 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 (Vs1 = -Vs2). Следовательно, напряжения на двух обмотках уменьшатся, и общий выходной сигнал будет равен нулю (Vout = 0).
Когда сердечник смещается вверх, как показано на следующем рисунке, 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 обмоткой (| Vs1 |> | Vs2 |) и ненулевому выходу (Vout). Обратите внимание, что выходной сигнал находится в фазе с Vs1, но его амплитуда относительно меньше. В примере, изображенном на нижеприведенном рисунке, выходной сигнал должен быть идеально синфазен с VEXC, когда сердечник смещается вверх.
Типичные формы сигналов для смещения сердечника вниз показаны на следующем рисунке.
В этом случае магнитная связь между первичной и второй вторичной обмотками увеличивается, что приводит к | Vs2 | > | Vs1 |. Как видите, у нас будет ненулевой выход Vout, который в идеале сдвинут по фазе на 180° по отношению к напряжению возбуждения.
Передаточная функция
На следующем рисунке показана передаточная функция стандартного LVDT-датчика. По оси абсцисс отложено смещение сердечника от центра. По оси ординат – амплитуда выходного переменного напряжения.
В начале координат (x = 0) выход в идеале равен нулю. Когда 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, смещен ли сердечник влево или вправо. Нам нужно знать как амплитуду, так и фазу выходного сигнала.
Линейный диапазон
Как показано на предыдущем рисунке, LVDT-датчик 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. Следовательно, это 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.
Доступны широкие диапазоны LVDT, охватывающие 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-датчика 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-датчика. Максимальное отклонение выходного сигнала LVDT-датчика 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 передаточный коэффициент позволяют связать выходное напряжение со смещением сердечника. Чтобы определить чувствительность, мы включаем первичную обмотку на рекомендуемом уровне привода (3 VRMS для E-100 LVDT) и перемещаем сердечник из нулевого положения с помощью полного смещения. Теперь мы измеряем напряжения на двух вторичных обмотках, чтобы определить общее выходное напряжение (Vout). Подставляя эти значения в следующее уравнение, мы можем найти чувствительность LVDT-датчика.
Чувствительность обычно указывается в выходных милливольтах на 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 необходимый коэффициент усиления схемы преобразования сигнала.
LVDT-датчик – 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 прекрасно характеризуют эти датчики.
© digitrode.ru