Traductoarele de mișcare care folosesc principiul inducției electromagnetice sunt denumite traductoare cu inductanță-variabilă. Când un cuplaj de flux (definit drept densitatea fluxului magnetic ori numărul de spire în conductor) printr-un conductor electric variază, o tensiune este indusă în conductor. Aceasta, la rândul său, generează un câmp magnetic, care se opune câmpului primar. Prin urmare, o forță mecanică este necesară pentru a susține variația cuplajului de flux. Dacă variația cuplajului de flux se produce prin mișcare relativă, energia mecanică asociată este convertită direct (indusă) în energie electrică. Aceasta este baza inducției electromagnetice și este principiul funcționării generatoarelor electrice și a traductoarelor cu inductanță-variabilă. Rețineți că, în aceste dispozitive, variația cuplajului de flux este cauzată de o mișcare mecanică, iar transferul de energie mecanică-la-electrică are loc în condiții aproape-ideale. Tensiunea indusă sau variația în inductanță pot fi utilizate ca măsură a mișcării. Traductoarele cu inductanță variabilă sunt, în general, dispozitive electromecanice cuplate prin câmp magnetic.

Există multe tipuri diferite de traductoare cu inductanță-variabilă. Pot fi identificate următoarele trei tipuri principale:

1. Traductoare cu inducție-reciprocă (mutuală)
2. Traductoare de auto-inducție
3. Traductoare cu magnet-permanent

Acele traductoare cu inductanță-variabilă care utilizează un mediu feromagnetic nemagnetizat pentru a modifica reluctanța (rezistența magnetică) căii de flux sunt cunoscute ca traductoare cu reluctanță-variabilă. Unele dintre traductoarele cu inducție reciprocă și cele mai multe traductoare de auto-inducție sunt de acest tip. Traductoarele cu magnet-permanent nu sunt considerate traductoare cu reluctanță-variabilă.

6.3.1 Traductoare cu inducție-reciprocă

Aranjamentul de bază a unui traductor cu inducție-reciprocă constituie două bobine: înfășurarea primară și înfășurarea secundară. Una dintre bobine (înfășurarea primară) poartă o excitație de curent alternativ (AC), care induce o tensiune AC constantă în cealaltă bobină (înfășurare secundară). Nivelul (amplitudinea, valoarea rădăcinii-medie-pătrată [rms] etc.) a tensiunii induse depinde de cuplajul de flux dintre bobine. Niciunul dintre aceste traductoare nu utilizează glisiere de contact sau inele de alunecare și perii, la fel ca traductoarele cuplate rezistiv (potențiometru). În consecință, vor avea o durată de viață crescută și o încărcare mecanică scăzută. În traductoarele cu inducție-reciprocă, o variație a cuplajului de flux este efectuată prin una dintre cele două tehnici comune. O tehnică este de a muta un obiect din material feromagnetic în calea fluxului. Aceasta modifică reluctanța căii de flux, cu o variație asociată a cuplajului de flux în bobina secundară. Acesta este principiul de funcționare al transformatorului diferențial liniar-variabil (LVDT), al transformatorului diferențial rotativ-variabil (RVDT) și al sondei de proximitate cu inducție-reciprocă. Toate acestea sunt, de fapt, traductoare cu reluctanță-variabilă. Celălalt mod comun de a varia cuplajul de flux este de a muta o bobină în raport cu cealaltă. Acesta este principiul de funcționare a resolver-ului, al sincro-transformatorului și al unor tipuri de tahometre AC. Dar, acestea nu sunt traductoare cu reluctanță-variabilă.

Mișcarea poate fi măsurată folosind semnalul secundar în mai multe moduri. De exemplu, semnalul AC din bobina secundară poate fi „demodulat” prin rejectarea semnalului purtător (adică componenta semnalului la frecvența de excitație) și măsurarea directă a semnalului rezultat, care reprezintă mișcarea. Această metodă este adecvată în special pentru măsurarea mișcărilor tranzitorii. Alternativ, poate fi măsurată amplitudinea sau valoarea rms a tensiunii secundare (induse). O altă metodă este măsurarea variației inductanței (sau a reactanței, care este egală cu Ljω, deoarece v = L (di/dt)) în circuitul secundar direct, folosind un dispozitiv precum un circuit în punte de inductanțe (vezi Capitolul 4).

6.3.2 Transformator diferențial liniar-variabil

Transformatorul diferențial este un senzor de deplasare fără contact, care nu prezintă multe dintre deficiențele potențiometrului. Este un traductor cu inductanță-variabilă și este, de asemenea, un traductor cu reluctanță variabilă și un traductor cu inducție-reciprocă. Spre deosebire de potențiometru, LVDT este considerat a fi un traductor pasiv, deoarece deplasarea măsurată furnizează energie pentru „variația” tensiunii induse, chiar dacă o sursă de alimentare externă este utilizată pentru a alimenta bobina primară, care la rândul său induce o tensiune constantă de frecvența purtătoarei în bobina secundară. În forma sa cea mai simplă (vezi figura 6.5), LVDT constă dintr-o „formă” izolatoare, nemagnetică (o structură cilindrică pe care o bobină este înfășurată și este integrată cu carcasa), care are o bobină primară în segmentul mijlociu și o bobină secundară înfășurată simetric la cele două segmente de capăt, așa cum este reprezentată schematic în figura 6.5b. Carcasa este realizată din oțel inoxidabil magnetizat pentru a proteja senzorul de câmpurile exterioare. Bobina primară este alimentată de o sursă AC cu tensiunea vref. Aceasta va genera, prin inducție reciprocă, o tensiune AC de aceeași frecvență în bobina secundară. Un miez din material feromagnetic este introdus coaxial prin forma cilindrică, fără să îl atingă, așa cum este arătat. Pe măsură ce miezul se mișcă, reluctanța căii de flux se schimbă. Gradul de cuplaj al fluxului depinde de poziția axială a miezului. Deoarece cele două bobine secundare sunt conectate în opoziție în serie (așa cum se arată în figura 6.6), astfel încât potențialele induse în cele două segmente ale bobinei secundare să se opună reciproc, se vede că tensiunea indusă netă este zero atunci când miezul este centrat între cele două segmente ale înfășurării secundare. Aceasta este cunoscută sub numele de poziția de nul. Atunci când miezul este deplasat din această poziție, va fi generată o tensiune indusă nenulă. În stare de echilibru, amplitudinea vo a acestei tensiuni induse este proporțională cu deplasarea miezului x în regiunea liniară (de operare) (a se vedea figura 6.5c). În consecință, vo poate fi utilizat ca măsură a deplasării. Rețineți că, din cauza înfășurărilor secundare opuse, LVDT oferă direcția, precum și amploarea deplasării. Dacă semnalul de ieșire nu este demodulat, direcția este determinată de unghiul de fază între tensiunea primară (de referință) și tensiunea secundară (de ieșire), care include semnalul semnalul purtător.

FIGURA 6.5 LVDT: (a) O unitate comercială (De la Schaevitz Sensors);
(b) diagrama schematică; (c) o curbă de operare tipică

FIGURA 6.6 Conectare serie în opoziție a înfășurărilor secundare

Pentru ca un LVDT să măsoare cu exactitate mișcările tranzitorii, frecvența tensiunii de referință (frecvența purtătoare) trebuie să fie de cel puțin de 10 ori mai mare decât cea mai înaltă componentă de frecvență semnificativă în mișcarea măsurată și, de obicei, poate fi de până la 20 kHz. Pentru deplasări cvasidinamice și tranzitorii lente, de ordinul câtorva hertzi, este suficientă o alimentare standard de curent alternativ (la frecvența liniei de 50 Hz). Totuși, performanța (în special sensibilitatea și acuratețea) este îmbunătățită odată cu frecvența de excitație. Deoarece amplitudinea semnalului de ieșire este proporțională cu amplitudinea semnalului primar, tensiunea de referință trebuie reglată pentru a obține rezultate exacte. În particular, sursa de alimentare ar trebui să aibă o impedanță redusă de ieșire.

6.3.2.1 Defazarea și tensiunea de nul

O eroare cunoscută sub denumirea de tensiune de nul este prezentă la unele transformatoare diferențiale. Aceasta se manifestă ca o citire nenulă în poziția de nul (adică la deplasare zero). Ea este de obicei 90° defazată de semnalul principal de ieșire și, prin urmare, este cunoscută sub numele de eroare de cuadratură. Un motiv major pentru această eroare o constituie neuniformitățile în înfășurări (impedanțe inegale în cele două segmente ale înfășurării secundare). Tensiunea de nul poate rezulta, de asemenea, din componente de zgomot armonic în semnalul primar și neliniarități în dispozitiv. Tensiunea de nul este de obicei neglijabilă (de obicei aproximativ 0,1% din scala completă). Această eroare poate fi eliminată din măsurători utilizând practici adecvate de condiționare a semnalului și calibrare.

Semnalul de ieșire de la un transformator diferențial nu este în mod normal în fază cu tensiunea de referință. Inductanța din bobina primară și inductanța de scurgere în bobina secundară sunt responsabile în principal pentru această defazare. Deoarece demodularea implică extragerea semnalului de modulare prin rejectarea componentei de frecvență purtătoare din semnalul secundar, este important să înțelegem dimensiunea acestei deplasări de fază. Nivelul de dependență al deplasării de fază pe sarcină (inclusiv circuitul secundar) poate fi redus prin creșterea impedanței de sarcină.

6.3.2.2 Condiționarea semnalului

Condiționarea semnalului asociată cu transformatoarele diferențiale include filtrarea și amplificarea. Filtrarea este necesară pentru îmbunătățirea SNR a semnalului de ieșire. Amplificarea este necesară pentru a crește puterea semnalului pentru achiziție și procesare de date. Deoarece frecvența de referință (frecvența purtătoare) este indusă (și încorporată) în semnalul de ieșire, este, de asemenea, necesară interpretarea corectă a semnalului de ieșire, în special pentru mișcări tranzitorii.

Semnalul secundar (de ieșire) al unui LVDT este un semnal modulat în amplitudine în care componenta semnalului la frecvența purtătoare este modulată de semnalul tranzitoriu cu frecvență inferioară produs ca urmare a mișcării miezului (x). Două metode sunt utilizate în mod obișnuit pentru a interpreta semnalul de ieșire brut de la un transformator diferențial: redresarea și demodularea. Reprezentările diagramelor bloc ale acestor două proceduri sunt arătate în figura 6.7. În prima metodă (redresare), ieșirea de curent alternativ de la transformatorul diferențial este redresată pentru a obține un semnal DC. Acest semnal este amplificat și apoi filtrat trece-jos pentru a elimina componentele de zgomot de înaltă-frecvență. Amplitudinea semnalului rezultat oferă citirea traductorului. În această metodă, o schimbare de fază în ieșirea LVDT trebuie verificată separat pentru a determina direcția de mișcare. În a doua metodă (demodulare), componenta de frecvență purtătoare este rejectată din semnalul de ieșire, comparând-o cu o versiune defazată și ajustată în amplitudine a semnalului primar (de referință). Rețineți că defazarea este necesară deoarece, așa cum s-a discutat anterior, semnalul de ieșire nu este în fază cu semnalul de referință. Rezultatul este semnalul modulator (proporțional cu x), care este ulterior amplificat și filtrat.

Ca urmare a progreselor înregistrate în tehnologia circuitului integrat în miniatură (IC), în prezent sunt disponibile în mod obișnuit transformatoare diferențiale cu microelectronică încorporată pentru condiționarea semnalului. Un transformator diferențial DC utilizează o sursă de alimentare DC (de obicei ± 15 V) pentru a-l activa. Un circuit oscilator încorporat generează semnalul purtător. Restul dispozitivului este identic cu un transformator diferențial AC. Tensiunea de ieșire amplificată la scală completă poate fi și de ±10 V. Să ilustrăm abordarea de demodulare a condiționării semnalului pentru un LVDT, folosind un exemplu.

FIGURA 6.7 Metode de condiționare a semnalului pentru un transformator diferențial:
(a) Redresare; (b) demodulare

Exemplul 6.1

Figura 6.8 prezintă o diagramă bloc a unui sistem simplificat de condiționare a semnalului pentru un LVDT. Variabilele și parametrii sistemului sunt indicați în figură.

În particular,

x(t) este deplasarea miezului LVDT (măsurand, care trebuie măsurat)
ω_c este frecvența tensiunii purtătoare
v_o este semnalul de ieșire al sistemului (măsurare)

Rezistențele R1, R2 și R și capacitatea C sunt și ele marcate. În plus, putem introduce un parametru de transformare r pentru LVDT, după cum este necesar.

(i) Explicați funcțiile diferitelor componente ale sistemului prezentate în figura 6.8.

(ii) Scrieți ecuațiile pentru circuitele de amplificare și filtru și, folosindu-le, dați expresii pentru semnalele de tensiune v₁, v₂, v₃ și v_o notate în figura 6.8. Rețineți că excitația din bobina primar este v_p sin ω_ct.

(iii) Să presupunem că frecvența purtătoarei este ωc = 500 rad/s și rezistența filtrului R = 100 kΩ. Dacă nu trec mai mult de 5% din componenta purtătoare prin filtru, estimați valoarea necesară a capacității filtrului C. De asemenea, care este intervalul de frecvență util (lățimea de bandă de măsurare) a sistemului în rad/s cu aceste valori ale parametrilor?

(iv) Dacă deplasarea x(t) crește liniar (adică viteza este constantă), schițați semnalele u(t), v₁, v₂, v₃ și v_o ca funcții de timp.

FIGURA 6.8 Sistem de condiționare a semnalului pentru un LVDT

Soluţie

(i) LVDT are o bobină primară, care este excitată de o tensiune de curent alternativ v_psin ω_ct. Miezul feromagnetic este atașat la obiectul în mișcare a cărui deplasare x(t) urmează să fie măsurată. Cele două bobine secundare sunt conectate în opoziție în serie, astfel încât ieșirea LVDT să fie zero în poziția de nul și să fie detectată și direcția de mișcare. Amplificatorul este de tip neinversor. El amplifică ieșirea LVDT, care este un semnal AC (purtător) de frecvență ωc, care este modulat de deplasarea miezului x(t).

Circuitul multiplicator produce produsul semnalului primar (purtător) și semnalului secundar (ieșire LVDT). Acesta este un pas important în demodularea ieșirii LVDT.

Semnalul produs de la multiplicator are o componentă purtătoare de înaltă-frecvență (2ωc) adunată la componenta de modulare x(t). Filtrul trece-jos elimină această componentă inutilă de înaltă-frecvență pentru a obține semnalul demodulat, care este proporțional cu deplasarea miezului x(t).

(ii) Amplificatorul neinversor

Rețineți că potențialele la terminalele + și - ale op-amp sunt aproape egale. De asemenea, curenții prin aceste terminale sunt aproape zero. (Acestea sunt cele două ipoteze obișnuite utilizate pentru un op-amp; vezi Capitolul 4). Atunci, balanța de curenți la nodul A dă (v2-v1)/R2 = v1/R1. Prin urmare, v2 = kv1 cu k = (R1 + R2)/R1 = câștig amplificator.

Filtrul trece-jos:

Întrucât terminalul + al op-amp are potențial aproximativ zero (masă), tensiunea la punctul B este și ea aproximativ zero. Balanța curenților pentru nodul B dă

unde τ = RC = constantă de timp a filtrului. Funcția de transfer a filtrului este v_o/v₃ = −k_o/(1+ τs) cu câștigul filtrului k_o = R/R1. În domeniul-frecvență, v_o/v₃ = - k_o/(1+ τjω).

În cele din urmă, neglijând schimbarea de fază în LVDT, avem v₁ = v_pr x(t) sin ω_ct; v₂ = v_prk x(t) sinω_ct; v₃ = v_p²rk x(t) sin²ω_ct; sau

FIGURA 6.9 Natura semnalelor în diferite locații dintr-un circuit de măsurare LVDT

Semnalul purtător va fi filtrat de filtrul trece-jos cu o frecvență cut-off adecvată. Atunci, v_o = ((v_p²rk_o)/2) x(t)

Pentru a nu trece mai mult de 5% din componenta purtătoare (2ωc), trebuie să avem

sau τω ≥ 10 (aproximativ). Alegeți τω = 10. Cu R = 100 kΩ, ωc = 500 rad/s avem C × 100 × 10³ × 500 = 10. De aici, C = 0,2 μF.

Conform frecvenței purtătoare (500 rad/s), ar trebui să putem măsura deplasările x(t) până la aproximativ 50 rad/s. Dar regiunea plată a filtrului este de până la aprox. ωτ = 0,1, care cu valoarea actuală de τ = 0,02 s oferă o lățime de bandă de numai 5 rad/s.

(iv) Vezi Figura 6.9 pentru o schiță a diferitelor semnale în sistemul de măsurare LVDT.

Avantajele LVDT includ următoarele:

1. Este, în esență, un dispozitiv fără contact, fără rezistență la frecare. Conversia energiei electromecanice aproape ideală și un miez ușor vor duce la forțe rezistive foarte mici. Histerezisul (atât histerezisul magnetic, cât și reculul mecanic) este neglijabil.

2. Are o impedanță redusă de ieșire, tipic de ordinul a 100 Ω. (De obicei, amplificarea semnalului nu este necesară dincolo de ceea ce este furnizat de circuitul de condiționare.)

3. Se obțin măsurători direcționale (pozitive/negative).

4. Este disponibil în dimensiuni mici (de exemplu, 1 cm lungime cu o deplasare maximă de 2 mm).

5. Are o construcție simplă și robustă (ieftină și durabilă).

6. Sunt posibile rezoluții fine (teoretic, rezoluție infinitezimală; practic, mult mai bine decât un potențiometru cu bobină).

În dispozitivele cu inductanță-variabilă, tensiunea indusă este generată prin viteza de variație a cuplajului de flux magnetic. Prin urmare, citirile de deplasare sunt distorsionate de viteză; în mod similar, citirile de viteză sunt afectate de accelerație. Pentru aceeași valoare a deplasării, citirea traductorului va depinde de viteza la deplasarea respectivă. Această eroare este cunoscută ca eroarea de viteză și crește odată cu raportul (viteza ciclică a miezului)/(frecvența purtătoare).

Prin urmare, eroarea de viteză poate fi redusă prin creșterea frecvenței purtătoarei. Motivul pentru aceasta este următorul:

La frecvențe înalte, tensiunea indusă datorită efectului transformatorului (având frecvența semnalului primar) este mai mare decât tensiunea indusă datorită efectului de viteză al elementului în mișcare. Prin urmare, eroarea va fi mică. Pentru a estima o limită mai mică pentru frecvența purtătoarei pentru a reduce efectele de viteză, putem proceda după cum urmează. Pentru un LVDT,

Viteza maximă de operare/cursa LVDT = ω_o (6.5)

Frecvența de excitație a bobinei primare ar trebui să fie aleasă 5ω_o sau mai mare.

6.3.3 Resolver

Unele traductoare de deplasare cu inducție-reciprocă folosesc mișcarea relativă între bobina primară și bobina secundară pentru a produce o variație în cuplajul de flux. Un astfel de dispozitiv este resolver-ul. Acesta nu este însă un traductor cu reluctanță variabilă, deoarece nu folosește un element feromagnetic în mișcare.

FIGURA 6.10 Diagrama schematică a unui rezolver

Un rezolver este utilizat pe scară largă pentru măsurarea deplasărilor unghiulare. O diagramă bloc simplificată a rezolver-ului este prezentată în figura 6.10. Rotorul conține bobina primară. Este format dintr-un singur element de înfășurare cu doi poli, alimentat de o tensiune de alimentare AC vref. Rotorul este atașat direct la obiectul a cărui rotație este măsurată. Statorul este format din două seturi de înfășurări așezate la 90° una de alta. Dacă poziția unghiulară a rotorului față de o pereche de înfășurări ale statorului este notată cu θ, tensiunea indusă în această pereche de înfășurări este dată de

Tensiunea indusă în cealaltă pereche de înfășurări este dată de

Rețineți că acestea sunt semnale modulate în amplitudine - semnalul purtător vref este modulat prin mișcarea θ. Parametrul constant a depinde în principal de caracteristicile geometrice și materiale ale dispozitivului, de exemplu, raportul dintre numărul de spire în înfășurările rotorului și ale statorului.

Oricare dintre cele două semnale de ieșire vo1 și vo2 pot fi utilizate pentru a determina poziția unghiulară în primul cadran (0 ≤ θ ≤ 90°). Ambele semnale sunt necesare, însă, pentru a determina deplasarea (direcția, precum și magnitudinea) în toate cele patru cadrane (0 ≤ θ ≤ 360°) fără a provoca nicio ambiguitate. De exemplu, aceeași valoare sinusoidală este obținută atât pentru 90°+θ, cât și pentru 90°-θ (adică, o rotație pozitivă și o rotație negativă din poziția de 90°), dar valorile cosinus corespondente au semne opuse, asigurând astfel direcție adecvată.

6.3.3.1 Demodularea

În ceea ce privește transformatoarele diferențiale (de exemplu, LVDT), semnalele de deplasare tranzitorii ale unui rezolver pot fi extrase demodulând ieșirile sale modulate. Acest lucru se realizează prin filtrarea semnalului purtător, extragând astfel semnalul de modulare. Cele două semnale de ieșire vo1 și vo2 ale unui rezolvator sunt denumite semnale în cuadratură. Să presupunem că semnalul purtător (primar) este

Semnalele pătratice induse sunt vo1 = ava cosθ sinωt și vo2 = ava sinθ sinωt. Înmulțiți fiecare semnal în cuadratură cu vref pentru a obține

Întrucât frecvența purtătoare ω este de aproximativ 10 ori mai mare decât conținutul de frecvență maximă în deplasarea unghiulară θ, se poate utiliza un filtru trece-jos cu o cut-off setată la ω/20 pentru a elimina componentele purtătoare în vm1 și vm2. Aceasta oferă următoarele ieșiri demodulate:

Rețineți că ecuațiile 6.9 și 6.10 furnizează atât cos θ cât și sin θ, și de aici mărimea și semnul lui θ.

Semnalele de ieșire ale unui resolver sunt funcții neliniare (trigonometrice) ale unghiului de rotație. (Istoric, resolver-ele au fost folosite pentru a calcula funcții trigonometrice sau pentru a „rezolva” un vector în componente ortogonale.) În aplicațiile de control robot, aceasta este uneori privită ca o binecuvântare. Pentru controlul cuplului calculat al manipulatoarelor robot, de exemplu, sunt necesare funcții trigonometrice ale unghiurilor de articulații pentru a calcula semnalele de intrare necesare (cupluri de articulații). În consecință, când resolver-ele sunt folosite pentru a măsura unghiurile articulațiilor în manipulatoare, există o reducere asociată în timpul de procesare, deoarece funcțiile trigonometrice sunt disponibile ca măsurători directe.

Avantajele principale ale resolver-ului includ următoarele:

1. Rezoluție fină și acuratețe ridicată
2. impedanță scăzută de ieșire (nivele ridicate de semnal)
3. Dimensiuni mici (de exemplu, 10 mm diametru)

Principalele sale limitări sunt următoarele:

1. Semnale de ieșire neliniare (un avantaj în unele aplicații în care sunt necesare funcții trigonometrice ale rotațiilor)
2. Lățimea de bandă limitată de frecvența de alimentare
3. Inelele alunecătoare și periile ar fi necesare dacă trebuie măsurate rotații complete și multiple (ceea ce adaugă încărcare mecanică și creează, de asemenea, uzura componentelor, oxidarea și probleme termice și de zgomot)

6.3.4 Traductoare de auto-inducție

Aceste traductoare se bazează pe principiul auto-inducției. Spre deosebire de traductoarele cu inducție-reciprocă, se folosește o singură bobină. Această bobină este activată de o tensiune de alimentare AC de o frecvență suficient de înaltă. Curentul produce un flux magnetic, care este cuplat înapoi cu bobina. Nivelul cuplajului de flux (sau auto-inductanță) poate fi variat prin mutarea unui obiect feromagnetic în câmpul magnetic. Această mișcare variază reluctanța căii de flux și inductanța în bobină. Variația în auto-inductanță, care poate fi măsurată folosind un circuit de măsurare a inductanței (de exemplu, o punte de inductanțe; vezi Capitolul 5), reprezintă măsurandul (deplasarea obiectului). Rețineți că traductoarele de auto-inducție sunt de obicei dispozitive cu reluctanță-variabilă.

FIGURA 6.11 Schema unui senzor de proximitate cu auto-inducție

Un traductor tipic de auto-inducție este un senzor de proximitate cu auto-inducție. O diagramă schematică a acestui dispozitiv este prezentată în figura 6.11. Acest dispozitiv poate fi utilizat ca senzor de deplasare pentru deplasări transversale. De exemplu, distanța dintre vârful senzorului și suprafața feromagnetică a unui obiect în mișcare, cum ar fi o grindă sau un arbore, poate fi măsurată. Senzorii de proximitate sunt folosiți într-o mare varietate de aplicații referitoare la detectarea fără contact a deplasării și la calibrarea dimensională. Unele aplicații tipice sunt următoarele:

1. Măsurarea și controlul interstițiului dintre un cap al pistoletului robotic de sudură și suprafața de lucru

2. Etalonarea grosimii plăcilor metalice în operațiunile de fabricație (de exemplu, laminare și formare)

3. Detectarea neregulilor de suprafață din piese prelucrate

4. Măsurarea vitezei unghiulare în stare constantă prin numărarea numărului de rotații pe unitatea de timp

5. Măsurarea vibrațiilor în mașini rotative

6. Detectarea nivelului (de exemplu, în industria de umplere, îmbuteliere și procese chimice)

7. Monitorizarea proceselor de asamblare a rulmenților

Măsurările deplasării de mare viteză pot duce la eroare de viteză (eroare de rată) atunci când sunt folosiți senzori de deplasare cu inductanță-variabilă (inclusiv traductoare de auto-inducție). Acest efect poate fi redus, ca și în cazul altor senzori de inductanță- variabilă activați-AC, prin creșterea frecvenței purtătoarei.

6.3.5 Traductoare de curent Eddy (turbionari)

Dacă un mediu conducător (de exemplu, cu rezistivitate scăzută) este supus unui câmp magnetic fluctuant, în mediu sunt generați curenți eddy. Intensitatea curenților eddy crește odată cu intensitatea câmpului magnetic și frecvența fluxului magnetic. Acest principiu este utilizat în senzorii de proximitate cu curent eddy. Senzorii de curent eddy pot fi folosiți fie ca dispozitive de calibrare dimensională, fie ca senzori de deplasare.

În figura 6.12a este prezentată o diagramă schematică a unui senzor de proximitate cu curent eddy. Spre deosebire de senzorii de proximitate cu inductanță-variabilă, obiectul-țintă al senzorului de curent eddy nu trebuie să fie realizat dintr-un material feromagnetic. Este necesar un obiect țintă conductiv, dar o peliculă subțire de material conductiv, cum ar fi folia de aluminiu de uz casnic lipită pe un obiect țintă care nu este conductor, ar fi adecvată. Capul sondei are două bobine identice, care vor forma două brațe ale unei punți de impedanță. Bobina de la fața sondei este bobina activă. Cealaltă bobină este bobina de compensare. Ea compensează variațiile ambientale, în special efectele termice. Cele două brațe rămase ale punții vor fi constituite din elemente pur rezistive (a se vedea figura 6.12b). Puntea este excitată de o sursă de tensiune de radio-frecvență. Frecvența poate varia de la 1 la 100 MHz. Acest semnal este generat de la un convertor de radio-frecvență (un oscilator) care este alimentat de obicei de la o sursă de 20 V DC. Atunci când obiectul vizat (detectat) este absent, ieșirea punții de impedanță este zero, ceea ce corespunde condiției echilibrate. Când obiectul țintă se apropie de senzor, în mediul conductor sunt generați curenți eddy datorită fluxului magnetic de radio-frecvență din bobina activă.

FIGURA 6.12 Senzor de proximitate cu curent Eddy:
(a) Schemă; (b) puntea de impedanțe

Câmpul magnetic al curenților eddy se opune câmpului primar, care generează acești curenți. Prin urmare, inductanța bobinei active crește, creând un dezechilibru în punte. Ieșirea rezultată din punte este un semnal modulat în amplitudine care conține purtătoarea de radio-frecvență. Acest semnal poate fi demodulat prin îndepărtarea purtătoarei. Semnalul rezultat (semnal modulator) măsoară deplasarea tranzitorie a obiectului țintă. Filtrarea trece-jos este utilizată pentru a elimina zgomotul rămas de înaltă-frecvență în semnalul de ieșire odată ce purtătoarea este îndepărtată. Pentru deplasări mari, ieșirea nu este legată liniar de deplasare. În plus, sensibilitatea unei sonde de curent eddy depinde neliniar de natura mediului conductor, în special de rezistivitate. De exemplu, pentru rezistivități scăzute, sensibilitatea crește odată cu rezistivitatea; pentru rezistivități ridicate, sensibilitatea scade odată cu rezistivitatea. O unitate de calibrare este de obicei disponibilă cu senzori comerciali de curent eddy pentru a găzdui diferite obiecte țintă și neliniarități. Factorul de calibrare este de obicei exprimat în volți/milimetru. Rețineți că sondele de curent eddy pot fi utilizate și pentru a măsura rezistivitatea și duritatea suprafeței (care afectează rezistivitatea) în metale.

Zona facială a mediului conducător pe obiectul țintă trebuie să fie puțin mai mare decât zona frontală a capului de sondă cu curent eddy. Dacă obiectul țintă are o suprafață curbată, raza sa de curbură trebuie să fie de cel puțin patru ori mai mare decât diametrul sondei. Acestea nu sunt restricții serioase, deoarece diametrul tipic al unui cap de sondă este de aproximativ 2 mm.

Senzorii de curent Eddy sunt dispozitive de impedanță medie; Este tipică impedanța de ieșire de 1000 Ω.

Sensibilitatea este de ordinul a 5 V/mm. Deoarece frecvența purtătoarei este foarte ridicată, dispozitivele cu curent eddy sunt adecvate pentru măsurători de deplasare extrem de tranzitorii; de exemplu, lățimi benzii de până la 100 kHz. Un alt avantaj al senzorului de curent eddy este faptul că este un dispozitiv fără contact; prin urmare, nu există nicio încărcare mecanică pe obiectul în mișcare (țintă).

6.3.6 Tahometre cu magnet permanent

A treia categorie de traductoare cu inductanță-variabilă o reprezintă traductoarele cu magnet-permanent, care au un magnet permanent pentru a genera un câmp magnetic uniform și constant. O mișcare relativă între câmpul magnetic și un conductor electric induce o tensiune, care este proporțională cu viteza la care conductorul traversează câmpul magnetic (adică viteza de variație a cuplajului de flux). În unele modele, în locul unui magnet permanent este utilizat un câmp magnetic unidirecțional generat de o sursă DC (adică un electromagnet). Totuși, ele sunt în general denumite traductoare cu magnet-permanent. Vom lua în considerare un tahometru DC și un tahometru AC în această categorie. Tahometrul cu inducție AC, care nu intră în această categorie (deoarece nu utilizează un magnet permanent) este, de asemenea, discutat pentru întregire.

6.3.7 Tahomometru DC

Acesta este un senzor cu viteză DC cu magnet-permanent în care este utilizat principiul inducției electromagnetice între un magnet permanent și o bobină conductoare. În funcție de configurație, se pot măsura viteze rectilinii sau viteze unghiulare. Schemele celor două configurații sunt prezentate în figura 6.13. Rețineți că acestea sunt traductoare pasive, deoarece energia pentru semnalul de ieșire vo este obținută din mișcarea (semnalul măsurat) în sine. Întregul dispozitiv este de obicei închis într-o carcasă de oțel pentru a-l proteja (izola) de câmpurile magnetice ambientale.

FIGURA 6.13 Traductoare DC cu magnet permanent:
(a) Traductor dreptunghiular de viteză rectilinie; (b) tahometru DC

În traductorul de viteză rectilinie (figura 6.13a), bobina conductor este înfășurată pe un miez și plasată central între doi poli magnetici, care produc un câmp magnetic transversal. Miezul este atașat de obiectul în mișcare a cărui viteză v trebuie măsurată. Această viteză este proporțională cu tensiunea indusă vo. Alternativ, un magnet în mișcare și o bobină fixă ​​pot fi folosiți ca tahometru DC. Acest aranjament este poate de dorit din moment ce elimină necesitatea oricăror contacte glisante (inele de alunecare și perii) pentru cablurile de ieșire, reducând astfel erorile de încărcare mecanică, uzura și problemele aferente.

Tahometrul DC (sau tahogenerator) este un traductor comun pentru măsurarea vitezelor unghiulare. Principiul său de funcționare este același ca acela pentru un generator DC (sau acționarea inversă a unui motor DC). Acest principiu de funcționare este ilustrat în figura 6.13b. Rotorul este conectat direct la obiectul rotativ. Semnalul de ieșire care este indus în bobina rotativă este preluat ca tensiune DC vo folosind un dispozitiv comutator adecvat - format în mod obișnuit dintr-o pereche de perii de cărbune cu rezistență scăzută - care este staționar, dar face contact cu bobina rotativă prin inele de alunecare divizate, astfel că pentru a menține direcția tensiunii induse de-a lungul fiecărei rotații (a se vedea comutarea în motoare DC - Capitolul 9). Conform legii lui Faraday, tensiunea indusă este proporțională cu viteza de variație a cuplajului de flux magnetic. Pentru o bobină de înălțime h și lățime 2r care are n spire, care se deplasează cu o viteză unghiulară ωc într-un câmp magnetic uniform cu densitatea fluxului β, aceasta este dată de

Această proporționalitate între vo și ωc este utilizată pentru a măsura viteza unghiulară ωc. Constanta de proporționalitate k este cunoscută sub numele de constantă e.m.f.-inversă sau constantă de tensiune.

6.3.7.1 Comutarea electronică

Inelele alunecătoare, periile și dezavantajele asociate pot fi eliminate într-un tahometru DC, utilizând comutația electronică. În acest caz, sunt utilizate un rotor cu magnet-permanent împreună cu un set de înfășurări de stator. Ieșirea tahometrului este extrasă din bobina staționară (stator). Ea trebuie convertită într-un semnal DC folosind un mecanism de comutare electronică, care trebuie sincronizat cu rotirea tahometrului (vezi Secț. 7.3.3). Ca urmare a comutării și a variațiilor asociate în câmpul magnetic al semnalului de ieșire, vor rezulta tensiuni induse cunoscute sub numele de tranziții de comutare. Acesta este un dezavantaj în comutarea electronică.

6.3.7.2 Considerații de încărcare

Cuplul necesar pentru acționarea unui tahometru este proporțional cu curentul generat (la ieșirea DC). Constanta de proporționalitate asociată este constanta de cuplu. Cu unități consistente, în cazul conversiei ideale a energiei, această constantă este egală cu constanta de tensiune. Deoarece cuplul tahometrului acționează asupra obiectului în mișcare a cărui viteză este măsurată, cuplul mare corespunde unei încărcări mecanice ridicate, ceea ce nu este de dorit. Prin urmare, este necesar de redus cât mai mult curentul tahometrului. Acest lucru poate fi realizat făcând impedanța de intrare a dispozitivului de achiziție a semnalului (adică citirea tensiunii și hardware-ul interfeței) pentru tahometru cât mai mare. Mai mult, denaturarea semnalului de ieșire a tahometrului (tensiune) poate rezulta din cauza încărcării reactive (inductive și capacitive) a tahometrului. Când tahometrele DC sunt utilizate pentru a măsura viteze tranzitorii, o oarecare eroare va rezulta din efectul ratei (accelerație). Această eroare crește în general cu frecvența maximă semnificativă care trebuie reținută în semnalul de viteză tranzitoriu, care la rândul său depinde de viteza maximă care trebuie măsurată. Toate aceste tipuri de erori pot fi reduse prin creșterea impedanței de sarcină.

Notă: un tahometru digital este un traductor de viteză, care este guvernat de principii oarecum diferite. Generează impulsuri de tensiune la o frecvență proporțională cu viteza unghiulară. Prin urmare, este considerat un traductor digital.

6.3.8 Tahomometru AC cu magnet permanent

Acest dispozitiv are un rotor magnet permanent și două seturi separate de înfășurări ale statorului, așa cum este arătat schematic în figura 6.14a. Un set de înfășurări este alimentat cu ajutorul unei tensiuni de referință AC (purtător). Tensiunea indusă în celălalt set de înfășurări este ieșirea tahometrului. Când rotorul este în staționare sau se deplasează într-un mod cvasistatic, tensiunea de ieșire este un semnal de amplitudine constantă la fel ca tensiunea de referință. Pe măsură ce rotorul se mișcă la o viteză finită, este generată o tensiune indusă suplimentară în înfășurarea secundară, care este proporțională cu viteza rotorului. Aceasta se datorează vitezei de variație a cuplajului de flux în bobina secundară din magnetul rotativ. Ieșirea totală din bobina secundară este un semnal modulat în amplitudine a cărui amplitudine este proporțională cu viteza rotorului. Pentru viteze tranzitorii, trebuie să demodulăm acest semnal pentru a extrage semnalul de viteză tranzitorie (adică semnalul de modulare) din ieșirea totală (modulată). Direcția vitezei este determinată din unghiul de fază al semnalului modulat în raport cu semnalul purtător. Rețineți că într-un LVDT, amplitudinea fluxului magnetic AC (cuplaj) este modificată de poziția miezului feromagnetic. Dar într-un tahometru AC cu magnet-permanent, un flux magnetic DC este generat de rotorul magnetic, iar atunci când rotorul este staționar, nu induce o tensiune în bobine. Fluxul cuplat cu înfășurările statorului variază datorită rotației rotorului, iar viteza de variație a fluxului cuplat este proporțională cu viteza rotorului.

Pentru aplicații de joasă-frecvență (5 Hz sau mai puțin), o sursă de alimentare AC standard la frecvența liniei (50 Hz) poate fi adecvată pentru a alimenta un tahometru AC. Pentru aplicațiile cu frecvență moderată, se poate utiliza o alimentare de 400 Hz. Pentru aplicații de înaltă-frecvență (lățime de bandă mare), un generator de semnal de înaltă-frecvență (oscilator) poate fi utilizat ca semnal primar. În aplicațiile cu lățime de bandă mare, sunt frecvent utilizate frecvențe purtătoare de până la 1,5 kHz. Sensibilitatea tipică a unui tahometru AC cu magnet permanent ca este de ordinul 50–100 mV/rad/s.

6.3.9 Tahomometru cu inducție AC

Acest tahometru este similar în construcție cu un motor cu inducție în două faze (vezi Capitolul 7). Aranjamentul statorului este identic cu cel al tahometrului AC cu magnet-permanent ca cel prezentat anterior. Rotorul are înfășurări, care sunt scurtcircuitate și nu sunt alimentate de o sursă externă, așa cum se arată în figura 6.14b. Una dintre înfășurările statorului este alimentată de o sursă AC. Aceasta induce o tensiune în înfășurările rotorului și este un semnal modulat. Componenta de înaltă-frecvență (purtătoare) a acestui semnal indus se datorează acțiunii de transformare directă a primarului AC. Cealaltă componentă (modulatoare) este indusă de viteza de rotație a rotorului, iar mărimea acesteia este proporțională cu viteza de rotație. Înfășurările nealimentate ale statorului (secundar) asigură ieșirea tahometrului. Această ieșire de tensiune este rezultatul atât a înfășurărilor de stator (primar), cât și a înfășurărilor rotorului. Ca rezultat, ieșirea tahometrului are o componentă AC purtătoare a cărei frecvență este aceeași cu frecvența de semnal din primar și o componentă de modulare, care este proporțională cu viteza de rotație. Pentru a extrage componenta care este proporțională cu viteza unghiulară a rotorului, ar fi necesară demodularea.

FIGURA 6.14 (a) Un tahometru AC cu magnet permanent;
(b) un tahometru AC cu inducție

Principalul avantaj al tahometrelor AC față de omologii lor DC convenționali este absența dispozitivelor cu inel alunecare și perie, deoarece ieșirea este obținută de la stator. În particular, semnalul de la un tahometru DC are de obicei un ripplu (ondulare) de tensiune, cunoscută sub denumirea de ripplu de comutator sau zgomotul periei, care sunt generate pe măsură ce capetele despicate ale inelului de alunecare trec peste perii și ca urmare a oscilației de contact etc. Frecvența ripplului de comutator este proporțională cu viteza de funcționare; în consecință, filtrarea acestuia cu un filtru notch este dificilă (ar fi necesar un filtru notch de urmărire a vitezei). De asemenea, există probleme cu încărcarea prin frecare și oscilația de contact în tahometrele DC, iar aceste probleme sunt absente la tahometrele AC. Rețineți, însă, că un tahometru DC cu comutație electronică nu folosește inele și perii. Dar ele produc tranziții de comutare, care sunt nedorite. Ca pentru orice senzor, componentele de zgomot vor domina la nivele scăzute ale semnalului de ieșire.

În particular, întrucât ieșirea unui tahometru este proporțională cu viteza măsurată, la viteze mici, nivelul de zgomot, ca fracție a semnalului de ieșire, poate fi mare. Prin urmare, eliminarea zgomotului are o importanță crescută la viteze mici.

Se știe că la viteze mari, ieșirea de la un tahometru AC este oarecum neliniară (în principal datorită efectului de saturație). Mai mult, demodularea semnalului este necesară, în special pentru măsurarea vitezei tranzitorii. Un alt dezavantaj al tahometrelor AC este că nivelul semnalului de ieșire depinde de tensiunea de alimentare; prin urmare, este necesară o sursă de tensiune stabilizată care are o impedanță de ieșire foarte mică pentru măsurători exacte.

6.4 Traductoare cu capacitate variabilă