Что такое линейный дифференциальный трансформатор

Переменный ток, текущий в одной первичной катушке, можно использовать для наведения переменного напряжения в двух вторичных катушках. Если две вторичные катушки идентичны по своим характеристикам, причем два пути магнитных силовых линий, проходящих через эти катушки, также идентичны, то два генерируемых вторичных напряжения будут равны. Прибор с такой структурой называется дифференциальным трансформатором.

Дифференциальный трансформатор может иметь воздушный сердечник или магнитный сердечник.

Две вторичные катушки можно соединить либо синфазно, либо противофазно, причем в первом случае их напряжения складываются одно с другим, а во втором случае вычитаются одно из другого.

Одна первичная катушка используется для возбуждения двух симметричных вторичных катушек, причем последние могут быть соединены так, чтобы вторичные напряжения суммировались одно с другим, или же так, чтобы они вычитались одно из другого.

Если две катушки соединены по схеме вычитания, то при одинаковых значениях их напряжений общее вторичное напряжение будет равно нулю. Если же характеристики магнитной цепи одной из этих катушек намеренно изменить по сравнению с характеристиками магнитной цепи другой катушки, то два вторичных напряжения будут различаться и их разность не будет равна нулю.

При этих условиях фаза суммарного вторичного напряжения указывает, какой путь магнитных силовых линий имеет большее магнитное сопротивление, тогда как амплитуда этого напряжения отражает значение разности магнитных сопротивлений.

Если и для увеличения магнитного сопротивления одного пути и для уменьшения магнитного сопротивления другого пути используется одно и то же воздействие, то выходное напряжение, отражающее это воздействие, достигает максимального значения, а передаточная функция будет обладать наибольшей возможной линейностью.

Поскольку никакие две вторичные катушки и никакие два пути магнитных силовых линий нельзя сделать совершенно одинаковыми, дифференциальный трансформатор всегда имеете на выходе некоторое напряжение даже при нулевом полезном сигнале на входе.

Кроме того, характеристики магнитных цепей нелинейны. В результате этой нелинейности появляются четные гармонические составляющие основной частоты приложенного первичного напряжения возбуждения, которые невозможно полностью скомпенсировать при любой схеме расположения вторичных катушек.

Магнитное сопротивление ферромагнитной цепи с воздушным зазором является функцией ширины зазора с сильно выраженной нелинейностью. Вследствие этого индуктивность катушки, намотанной вокруг такой цепи — также нелинейная функция ширины зазора.

В то же время, если имеются два более или менее идентичных пути магнитных силовых линий, каждый с воздушным зазором, и если ширина одного зазора увеличивается при уменьшении ширины другого, то разность магнитных сопротивлений этих путей может изменяться в достаточной степени линейно.

Основные принципы устройства дифференциального трансформатора на практике воплощаются в различные конкретные конструктивные конфигурации, предназначенные для множества различных целей.

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT, Linear Variable Differential Transformer) — это пассивный преобразователь (датчик), который работает по принципу взаимной индукции и может использоваться для измерения смещения, натяжения, давления и веса.

Чаще всего они использу ю тся для измерения смещения в диапазоне от нескольких миллиметров до сантиметров напрямую преобразу я смещение в электрический сигнал.

Индуктивность катушки, вблизи или внутри которой находится ферромагнитный стержень, является функцией координаты положения этого стержня по отношению к катушке с сильно выраженной нелинейностью.

Если же такой стержень представляет собой ферромагнитную цепь некоторого дифференциального трансформатора, то вторичное разностное напряжение может служить показателем перемещения стержня, зависящим в достаточной степени линейно от этого перемещения.

Первичная обмотка подключена к источнику переменного тока. Две вторичные обмотки S1 и S2 имеют равное количество витков и установлены последовательно друг против друга.

Таким образом, ЭДС, индуцированная в этих обмотках, не совпадают по фазе на 180° друг с другом, и, таким образом, общий эффект нивелируется.

Положение симметричного ферромагнитного сердечника, предусмотренного в конструкции дифференциального трансформатора, можно определить по фазе и амплитуде вторичного напряжения.

Абсолютная разность двух вторичных напряжений указывает абсолютную величину смещения стержня относительно центрального, или нулевого, положения, а фаза этого разностного напряжения указывает направление смещения.

Кривая ввода-вывода линейно-регулируемого дифференциального трансформатора показана на рисунке.

Пример использования линейного дифференциального трансформатора для обеспечения точной обратной связи по положению при мониторинге и управлении клапанами на химических заводах, электростанциях и сельскохозяйственном оборудовании:

Погружные датчики перемещения LVDT D5W:

Эти преобразователи предназначены для измерения смещения и положения. Они обеспечивают точное измерение положения якоря (скользящей части) относительно корпуса датчика перемещения.

Погружные преобразователи перемещений предназначены для выполнения измерений, когда они погружены в подходящие жидкости. Немагнитные жидкости могут заливать трубку якоря, не влияя на работу преобразователя. Такие преобразователи доступны в версиях с неуправляемым приводом или с пружинным возвратом.

При автоматизации различных технологических процессов часто используются двухсторонние преобразователи с дифференциальным трансформатором с ферромагнитным стержнем, который введен своими концами на одинаковые расстояния внутрь двух вторичных катушек.

При осевом движении стержня он вдвигается глубже в одну из этих катушек и выдвигается из другой. Абсолютная разность двух вторичных напряжений указывает абсолютную величину смещения стержня относительно центрального, или нулевого, положения, а фаза этого разностного напряжения указывает направление смещения.

Роторно-регулируемый дифференциальный трансформатор :

Роторно-регулируемый дифференциальный трансформатор — это пассивный преобразователь, работающий по принципу взаимной индукции. Он используется для измерения углового смещения.

Его конструкция аналогична линейно-регулируемого дифференциального трансформатора, за исключением конструкции сердечника.

Первичная обмотка подключена к источнику переменного тока. Две вторичные обмотки S1 и S2 имеют равное количество витков и установлены последовательно друг против друга.

Преимущества линейного дифференциального трансформатора:

Нет физического контакта между сердечником и катушками ;

Длительный срок эксплуатации.

Это наиболее широко используемый индуктивный датчик благодаря его высокой точности.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT-датчик) и как он работает

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.

Источник