Линейный регулируемый дифференциальный трансформатор

Вид LVDT в разрезе. Ток протекает через первичную катушку в точке A , в результате чего индукционный ток генерируется во вторичных катушках в B. точке

Линейный регулируемый дифференциальный трансформатор ( LVDT ), также называемый линейным регулируемым трансформатором смещения , датчик линейного переменного смещения , или просто дифференциальный трансформатор – это тип электрического трансформатора , используемый для измерения линейного смещения (положения в заданном направлении). Аналог этого устройства, который используется для измерения вращательного смещения, называется поворотным регулируемым дифференциальным трансформатором (RVDT).

Введение

LVDT — это надежные датчики абсолютного линейного положения/перемещения; по своей сути не подвержены трению, при правильном использовании они имеют практически бесконечный срок службы. Поскольку LVDT, работающие от переменного тока, не содержат никакой электроники, они могут быть рассчитаны на работу при криогенных температурах или до 1200 ° F (650 ° C), в суровых условиях, а также при высоких уровнях вибрации и ударов. LVDT широко используются в таких приложениях, как силовые турбины , гидравлика , автоматизация, самолеты , спутники, ядерные реакторы и многие другие. Эти преобразователи имеют низкий гистерезис и превосходную повторяемость.

LVDT преобразует положение или линейное смещение от механического эталона (нулевого или нулевого положения) в пропорциональный электрический сигнал, содержащий информацию о фазе (для направления) и амплитуде (для расстояния). Работа LVDT не требует электрического контакта между движущейся частью (зондом или сердечником) и узлом катушки, а вместо этого опирается на электромагнитную связь.

Операция

Линейный регулируемый дифференциальный трансформатор имеет три соленоидные катушки, расположенные вплотную вокруг трубки. Центральная катушка является первичной, а две внешние катушки — верхней и нижней вторичными. Цилиндрический ферромагнитный сердечник, прикрепленный к объекту, положение которого необходимо измерить, скользит вдоль оси трубки. Переменный ток возбуждает первичную обмотку и вызывает индуцирование напряжения в каждой вторичной обмотке, пропорциональное длине сердечника, соединенного со вторичной обмоткой. Частота 10 обычно находится в диапазоне от 1 до кГц .

По мере движения сердечника связь первичной обмотки с двумя вторичными катушками меняется, что приводит к изменению индуцированных напряжений. Катушки соединены так, что выходное напряжение представляет собой разницу (следовательно, «дифференциал») между верхним и нижним вторичным напряжением. Когда сердечник находится в своем центральном положении, на равном расстоянии между двумя вторичными обмотками, в двух вторичных катушках индуцируются равные напряжения, но два сигнала компенсируются, поэтому выходное напряжение теоретически равно нулю. На практике незначительные различия в способе соединения первичной обмотки с каждой вторичной обмоткой означают, что на выходе получается небольшое напряжение, когда сердечник находится в центре.

Это небольшое остаточное напряжение возникает из-за фазового сдвига и часто называется квадратурной ошибкой. Это неприятно в системах управления с замкнутым контуром, поскольку может привести к колебаниям около нулевой точки, а также может быть неприемлемо в простых измерительных приложениях. Это следствие использования синхронной демодуляции с прямым вычитанием вторичных напряжений переменного тока. Современные системы, особенно те, которые связаны с безопасностью, требуют обнаружения неисправностей LVDT, и обычный метод состоит в том, чтобы демодулировать каждую вторичную обмотку отдельно, используя прецизионные полуволновые или полноволновые выпрямители на основе операционных усилителей, и вычислять разницу путем вычитания сигналов постоянного тока. . Поскольку при постоянном напряжении возбуждения сумма двух вторичных напряжений практически постоянна на протяжении всего рабочего хода LVDT, ее значение остается в пределах небольшого окна и может контролироваться так, что любые внутренние неисправности LVDT приведут к изменению суммарного напряжения. отклоняться от его пределов и быстро обнаруживаться, вызывая индикацию неисправности. В этой схеме нет квадратурной ошибки, и зависящее от положения разностное напряжение плавно проходит через ноль в нулевой точке.

Если в системе доступна цифровая обработка в виде микропроцессора или FPGA , обычно устройство обработки выполняет обнаружение неисправностей и, возможно, логометрический анализ. обработка для повышения точности путем деления разницы вторичных напряжений на сумму вторичных напряжений, чтобы сделать измерение независимым от точной амплитуды сигнала возбуждения. Если имеется достаточная мощность цифровой обработки, становится обычным использовать ее для генерации синусоидального возбуждения через ЦАП и, возможно, также для выполнения вторичной демодуляции через мультиплексированный АЦП .

Когда сердечник смещается вверх, напряжение в верхней вторичной обмотке увеличивается, а напряжение в нижней уменьшается. Результирующее выходное напряжение увеличивается от нуля. Это напряжение находится в фазе с первичным напряжением. При движении сердечника в другом направлении выходное напряжение также увеличивается от нуля, но его фаза противоположна первичной. Фаза выходного напряжения определяет направление смещения (вверх или вниз), а амплитуда указывает величину смещения. Синхронный детектор может определять выходное напряжение со знаком, связанное со смещением.

LVDT спроектирован с длинными тонкими катушками, чтобы сделать выходное напряжение практически линейным при смещении длиной до нескольких дюймов (нескольких сотен миллиметров).

LVDT можно использовать в качестве датчика абсолютного положения. Даже если питание отключено, при его перезапуске LVDT показывает те же измерения, и никакая информация о положении не теряется. Его самыми большими преимуществами являются повторяемость и воспроизводимость при правильной настройке. Также, кроме одноосного линейного движения сердечника, любые другие движения, такие как вращение сердечника вокруг оси, не будут влиять на его измерения.

Поскольку скользящий сердечник не касается внутренней части трубки, он может двигаться без трения, что делает LVDT очень надежным устройством. Отсутствие каких-либо скользящих или вращающихся контактов позволяет полностью герметизировать LVDT от окружающей среды.

LVDT обычно используются для обратной связи по положению в сервомеханизмах , а также для автоматизированных измерений в станках и во многих других промышленных и научных приложениях.

См. также

• Соглашение о точках
• Линейный энкодер
• Поворотный энкодер

Ссылки

• Баумайстер, Теодор; Маркс, Лайонел С., ред. (1967), Стандартный справочник для инженеров-механиков (седьмое изд.), McGraw-Hill, LCCN   16-12915.

Внешние ссылки

• Как работают LVDT : интерактивное объяснение
• Пояснение поэтапности
• Модели и приложения LVDT
• Техническое описание Analog Devices AD598 : Формирователь сигнала LVDT