Un transformator diferențial variabil liniar, sau LVDT pe scurt, este un traductor de poziție electromecanic (senzor) care oferă informații de feedback pozițional exacte și fără frecare despre poziția mecanică liniară a unei forțe sau unui obiect extern. După cum sugerează și numele său, transformatorul diferențial variabil liniar funcționează pe același principiu ca și transformatorul de curent alternativ, dar în loc să furnizeze un curent de sarcină sau o tensiune înaltă, folosește principiile de bază ale transformatorului de inductanță reciprocă pentru a măsura mișcarea liniară.

În tutorialul nostru despre inductanța reciprocă am văzut că atunci când două sau mai multe bobine solenoidale lungi sunt înfășurate împreună pe același miez, fluxul magnetic produs de oricare dintre bobine se leagă de celelalte cu fluxul magnetic produs de bobinei de acționare adăugând sau opunându-se fluxului produs de celelalte bobine. Astfel, orice curent alternativ care curge printr-o bobină va induce o tensiune în celelalte bobine cuplate magnetic și acesta este principiul de bază al LVDT.

Transformator diferențial variabil liniar

LVDT este un traductor inductiv pasiv care necesită o sursă externă de putere pentru a funcționa. Folosește bobine și un câmp magnetic alternativ pentru a produce o tensiune de ieșire analogică, făcându-l un traductor inductiv variabil. Astfel „transformatorul diferențial variabil liniar” măsoară distanța de-a lungul unei axe liniare.

LVDT constă din trei bobine individuale înfășurate secvențial în jurul unui tub gol, nemagnetic izolat. O bobină de sârmă magnetică este clasificată ca bobină primară și celelalte bobine formând două secundare identice.

Cele două bobine secundare sunt conectate împreună într-o configurație opusă-serie, adică sunt electric defazate la 180⁰ între ele. De aici și partea diferențială dată numelui său.

Bobina primară LVDT, situată central, este alimentată de o sursă cu formă de undă sinusoidală constantă cu o frecvență cuprinsă între aproximativ 1 kHz și 10 kHz. Fluxul magnetic produs de înfășurarea primară este cuplat prin miez la una sau ambele dintre cele două bobine secundare plasate de fiecare parte a acesteia.

Acest aranjament produce o tensiune diferențială de ieșire proporțională cu deplasarea miezului, dându-i astfel numele suplimentar de „senzor de deplasare”. Atunci transformatorul diferențial variabil liniar constă dintr-o bobină primară de excitație și două bobine secundare conectate în „opoziție-serie” (diferențială).

Un miez feromagnetic din fier moale, numit „miez”, „slug”, „piston” sau „armătură”, este permis să se miște liber în interiorul tubului central gol într-o linie dreaptă, ca urmare a deplasării obiectului conectat, crescând sau scăzând inductanța reciprocă între bobinele primar și secundare, care la rândul lor cresc sau scad tensiunea indusă în fiecare bobină secundară, producând un dispozitiv foarte exact pentru măsurarea deplasării liniare și a cărui ieșire este proporțională cu poziția miezului său mobil. De aici și partea variabil liniară a numelui său.

Imaginea de mai sus arată principiul generalizat al LDVT. Când miezul feromagnetic din fier moale mobil este poziționat în centrul celor două bobine secundare, „poziție de nul”, cantitatea de flux magnetic primar indus în fiecare dintre cele două bobine secundare este exact aceeași. Deoarece cele două bobine secundare sunt înfășurate defazat la 180^o, cele două emf induse în cele două înfășurări secundare se anulează reciproc deoarece VSEC1 = VSEC2, deci tensiunea de ieșire secundară rezultată este zero (VOUT = 0). Astfel, zero volți înseamnă că nucleul este complet centrat în poziția sa de nul.

Pe măsură ce miezul este deplasat ușor pe o parte sau pe cealaltă din această poziție de nul sau zero, va exista o cantitate mai mare de flux magnetic indus într-una din bobina secundară decât cealaltă, datorită efectului de cuplare al miezului feromagnetic. Acest lucru face ca cele două bobine secundare să devină dezechilibrate pe măsură ce tensiunea indusă în bobina secundară mai departe de miez devine mai mică, în timp ce tensiunea indusă în bobina secundară cea mai apropiată de miez devine mai mare. Acest dezechilibru magnetic dintre cele două înfășurări secundare produce o tensiune de ieșire (VOUT) relativă la frecvența sinusoidală a tensiunii de vârf aplicată înfășurării bobinei primare de excitație.

În mod clar, tensiunea diferențială dintre cele două ieșiri secundare, VSEC1 - VSEC2 într-o direcție și VSEC2 - VSEC1 în cealaltă direcție va fi o tensiune RMS înmulțită cu cosinusul defazării. Prin urmare, cu cât deplasarea miezului mobil este mai mare de la poziția sa de nul centrală la un capăt sau altul, (lungimea cursei sale) cu atât va fi mai mare tensiunea de ieșire rezultată.

Polaritatea și amploarea semnalului de ieșire depind de direcția și cantitatea de deplasare a miezului în mișcare, care este determinată de mișcarea obiectului conectat. Rezultatul acestei deplasări este o ieșire de tensiune diferențială care variază liniar cu poziția miezului. Prin urmare, tensiunea de ieșire RMS de la acest tip de senzor de poziție are atât o amplitudine care este o funcție liniară de deplasarea miezului, cât și o polaritate care indică direcția de mișcare așa cum se arată.

Tensiunea de ieșire LDVT

Putem vedea din graficul poziție versus tensiune de mai sus că, pe măsură ce miezul se deplasează de la un capăt al cursei sale la celălalt prin poziția centrală, apare o legătură magnetică mai mare între primar și oricare dintre cele două bobine secundare. Tensiunile de ieșire se schimbă de la maxim la zero și înapoi la maxim din nou în direcția opusă cu o cantitate care este legată de cât de departe a fost deplasat miezul de la zero. Acest lucru permite LVDT să producă un semnal de ieșire AC a cărui magnitudine reprezintă cantitatea de mișcare de la poziția centrală de „nul” și al cărei unghi de fază reprezintă direcția de mișcare a miezului mobil.

Conectarea unui obiect la miez permite traductorului cu transformator diferențial variabil liniar să furnizeze informații destul de precise despre poziția obiectului. Intervalul sau cursa pot fi de la câțiva milimetri până la multe sute de milimetri, deoarece ieșirea este calibrată pentru a produce o tensiune specifică pe milimetru, de exemplu, 20 sau 200 mV/mm. Adică o deplasare a miezului de un milimetru va produce o tensiune de ieșire de 200 mV. Dacă unghiul de fază al tensiunii de ieșire (0^o sau 180^o) este comparat cu cel al tensiunii primare de excitație a bobinei (0^o) este posibil să știm în care jumătate a bobinei secundare se află miezul și, prin urmare, să știm direcția deplasării.

Un transformator diferențial variabil are multe avantaje și utilizări pentru măsurarea pozițională comparativ cu un traductor bazat pe potențiometru rezistiv. LVDT-urile au o liniaritate foarte bună, adică tensiunea de ieșire raportată la deplasare este excelentă, precizie foarte bună, rezoluție bună, sensibilitate ridicată, precum și o operare fără fricțiuni datorită faptului că nu există o conexiune mecanică între bobine și miez, deci nu există frecare și nici piese de uzat. De asemenea, partea Transformator a numelui său înseamnă că există o izolare electrică între înfășurările primar și secundare, permițând o conectivitate electrică mai mare.

Întrucât singura interacțiune dintre înfășurările primar, secundare și miez ale unui LVDT este cuplarea magnetică, înfășurările primar și secundare ale LVDT sunt de obicei sigilate într-o încapsulare epoxidică, întregul senzor fiind învelit într-o carcasă metalică, permițându-i utilizarea în siguranță într-o mare varietate de condiții de mediu umede sau dure.

Utilizările tipice ale traductorului cu transformator diferențial variabil liniar sunt în principal în aplicații industriale ca traductor de presiune, unde presiunea măsurată împinge o diafragmă pentru a produce o mișcare liniară care este convertită într-un semnal de tensiune de către LVDT sau în capetele de măsurare robotice utilizate în instrumente de inspecție și indicatoare unde miezul interior al LVDT este încărcat cu arc, permițându-i să revină la un punct de referință presetat. Au, de asemenea, multe utilizări, ca senzori de poziție de nul în sistemele de control servo sau în buclă-închisă unde este necesară repetabilitatea punctului de nul.

LVDT Exemplul nr. 1

Un transformator diferențial variabil liniar are o lungime a cursei de ± 150 mm și produce o rezoluție de 40 mV/mm. Determinați: a) tensiunea maximă de ieșire a LVDT, b) tensiunea de ieșire când miezul este deplasat 120 mm de la poziția sa de nul, c) poziția miezului de la centru când tensiunea de ieșire este de 3,75 volți, d) modificarea tensiunii de ieșire atunci când nucleul este deplasat de la + 80 mm la -80 mm.

a). Tensiunea maximă de ieșire, VOUT

Dacă 1 mm de mișcare produce 40mV, atunci 150 mm de mișcare produce:

VOUT = 40mV x 150mm = 0,04 x 150 = ± 6 Volți

b). VOUT cu 120 mm de deplasare a miezului

Dacă o deplasare a miezului de 150 mm produce o ieșire de 6 volți, atunci o mișcare de 120 mm produce:

c). Poziția miezului când VOUT = 3,75 volți

d). Schimbarea tensiunii de la + 80 mm la -80 mm deplasare

Astfel, tensiunea de ieșire se schimbă de la +3,2 volți la -3,2 volți pe măsură ce nucleul se deplasează de la + 80 mm la -80 mm respectiv.

Traductoarele de deplasare au mai multe lungimi și dimensiuni pentru măsurarea de câțiva milimetri la cele care pot măsura curse lungi. Dar, deși LVDT sunt capabile să măsoare mișcarea liniară în linie dreaptă, există o variație a LVDT, care poate măsura mișcarea unghiulară, numită Transformator diferențial variabil rotativ sau RVDT.

Transformator diferențial variabil rotativ

Traductoarele pe bază de potențiometru sunt ușor și simplu de utilizat, dar potențiometrele rezistive suferă de la uzură mecanică datorită contactului dintre cursorul glisant și pista sa rezistivă, precum și producerea zgomotului electric pe măsură ce cursorul alunecă de-a lungul și oscilează peste pista rezistivă. Transformatoarele diferențiale variabile rotative funcționează pe același principiu de bază ca și LVDT anterior, cu excepția faptului că se utilizează un miez feromagnetic rotativ.

Aici miezul transformatorului nu este drept, ci face parte dintr-un cerc (la fel ca pentru transformatoarele toroidale) care permite senzorului să măsoare deplasarea unghiulară a obiectului atașat. Miezul feromagnetic mobil al RVDT se cuplează cu bobinele secundare pe baza poziției sale unghiulare, permițând astfel măsurarea deplasării unghiulare.

Operarea electrică a unui RVDT este exact aceeași ca și pentru versiunea liniară, deoarece se bazează pe modificarea cuplării inductanței reciproce între bobinele primar și secundare. Bobina primar este încă acționată de un curent de excitație AC (de obicei în intervalul kilohertz, kHz), care induce un curent alternativ în fiecare dintre bobinele secundare opuse-serie. Miezul feromagnetic mobil se rotește, în loc să alunece, în corp.

Unul dintre principalele dezavantaje ale transformatorului diferențial variabil rotativ este că acesta poate opera numai într-un interval relativ restrâns de rotație unghiulară. Deși, în teorie, sunt capabili de rotație continuă și măsurare a vitezei, ieșirea tipică a RVDT este doar cu adevărat liniară într-un interval de aproximativ ± 60^o sau mai puțin, de la poziția lor de nul zero (0^o) datorită în principal limitărilor în cuplajul magnetc. Dincolo de aceasta, semnalul de ieșire începe să devină neliniar și mai puțin util. De asemenea, sensibilitatea lor este mult mai mică decât verișorii lor liniari producând aproximativ 2 până la 5mV pe grad de rotație.

Rezumatul Transformatorului diferențial variabil liniar

Am văzut în acest tutorial despre transformatorul diferențial variabil liniar că LVDT este un senzor de poziție folosit pentru a măsura micile deplasări liniare (linie-dreaptă) de la câțiva milimetri la multe sute de milimetri. LVDT nu are niciun contact direct mecanic de alunecare sau piese mobile care să poată fi uzate, făcându-l astfel practic fără frecare, oferind o performanță electrică și o durată de viață mai mari în comparație cu senzorul de deplasare tip potențiometru liniar rezistiv.

LVDT constă dintr-un transformator cu o singură înfășurare primară și două înfășurări secundare care sunt defazate electric una de cealaltă cu 180^o. LVDT constă, de asemenea, dintr-un miez mobil. Când miezul se află în poziția sa centrală, tensiunile induse în cele două înfășurări secundare sunt egale și opuse, dând semnal de ieșire zero. Pe măsură ce miezul se îndepărtează de poziția sa centrală, tensiunea indusă într-o jumătate de înfășurare secundară va fi mai mare decât cealaltă, oferind un semnal a cărui amplitudine este proporțională cu cantitatea de deplasare liniară și a cărei fază reprezintă direcția de deplasare. Astfel, LVDT produce o ieșire de tensiune diferențială care variază liniar cu poziția miezului, cu unghiul de fază al tensiunii de ieșire modificându-se cu 180^o pe măsură ce miezul este mutat de la o parte a poziției de nul la cealaltă.

Dacă deplasarea măsurată a miezului intern al unui LVDT este schimbată de la o mișcare liniară la o mișcare rotativă sau unghiulară, atunci dispozitivul devine un transformator diferențial variabil rotativ (RVDT). Dar, semnalul de ieșire al unui RVDT este cu adevărat liniar într-un interval relativ mic de rotație unghiulară și nu este potrivit pentru măsurarea unei rotații complete de 360^o.