Введение в линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (linear variable differential transformer, LVDT) представляет собой электромеханический преобразователь, который измеряет механическое смещение сердечника и вырабатывает на выходе переменное напряжение, пропорциональное этому смещению. Высокое разрешение (теоретически бесконечное), высокая линейность (0.5% или лучше), высокая чувствительность и нулевое механическое трение – вот некоторые из важных особенностей устройств LVDT.

В этой статье мы рассмотрим структуру и принципы работы LVDT. Мы также рассмотрим три важных параметра этих датчиков: диапазон линейности, ошибка линейности и чувствительность.

Структура LVDT

На Рисунке 1 показан вид в разрезе, а также схемная модель базового LVDT. Он состоит из одной первичной обмотки, связанной с двумя вторичными обмотками через подвижный сердечник. По мере перемещения магнитопроницаемого сердечника магнитная связь между первичной и каждой из вторичных обмоток соответствующим образом изменяется. В результате на двух обмотках образуются сигналы напряжения, зависящие от положения сердечника, которые можно использовать для определения положения объекта.

Рисунок 1а.	Схемная модель LVDT.

Рисунок 1б.	Вид LVDT в разрезе.

Две вторичные обмотки являются встречно-последовательными, что означает, что они соединены последовательно, но намотаны в противоположных направлениях. Сердечник, обычно с помощью неферромагнитного стержня, крепится к объекту, движение которого измеряется, а узел катушки обычно фиксируется неподвижно. 

Как это работает?

На Рисунке 2 показано, как абсолютно точно центрированный сердечник в идеале дает нулевой сигнал. На вход подается переменное напряжение возбуждения V_EXC соответствующей частоты. Поскольку две вторичные обмотки намотаны симметрично с двух сторон первичной обмотки, находящийся в середине сердечник обеспечивает одинаковую магнитную связь между первичной и двумя вторичными обмотками. При встречно-последовательном включении вторичных обмоток на двух вторичных обмотках будут индуцироваться одинаковые напряжения противоположной полярности (V_S1 = –V_S2). Следовательно, напряжения двух обмоток будут компенсировать друг друга, и общий выходной сигнал будет равен нулю (V_OUT = 0).

Рисунок 2.	LVDT с идеально центрированным сердечником.

При смещении сердечника вверх, как показано на Рисунке 3, связь между первичной и первой вторичной обмоткой усиливается. Это приводит к увеличению переменного напряжения на первой вторичной обмотке по сравнению со второй (|V_S1| > |V_S2|) и появлению ненулевого выходного сигнала V_OUT. Обратите внимание, что выходной сигнал находится в фазе с V_S1, но его амплитуда относительно меньше.

Рисунок 3.	LVDT с сердечником, смещенным вверх.

В примере, показанном на Рисунке 3, при смещении сердечника вверх выходной сигнал должен идеально совпадать по фазе с V_EXC.

Типичные формы сигналов при смещении сердечника вниз показаны на Рисунке 4.

Рисунок 4.	LVDT с сердечником, смещенным вниз.

В этом случае увеличивается магнитная связь между первичной и второй вторичной обмотками, приводя к тому, что |V_S2| > |V_S1|. Как можно видеть, будет получено ненулевое значение V_OUT, которое в идеале сдвинуто по фазе на 180° относительно напряжения возбуждения.

Передаточная функция

На Рисунке 5 показана передаточная функция типичного LVDT. Ось X – это смещение сердечника относительно центра. По оси Y отложена амплитуда выходного переменного напряжения.

В точке начала координат (X = 0) выходное напряжение в идеале равно нулю. При смещении сердечника от центра в любом направлении амплитуда выходного сигнала увеличивается линейно со смещением сердечника. Заметим, что, измеряя только амплитуду выходного сигнала, мы не сможем определить, смещен ли сердечник влево или вправо. Нам нужно знать как амплитуду, так и фазу выходного сигнала.

Диапазон линейности

Как показано на Рисунке 5, линейность передаточной функции LVDT сохраняется только в ограниченном диапазоне смещений сердечника. Это определяется как диапазон линейности LVDT.

Рисунок 5.	Передаточная функция типичного LVDT.

Почему за пределами этого диапазона характеристика устройства перестает быть линейной?

Можно представить, что когда смещение сердечника от нулевого положения превышает определенное значение, магнитный поток, попадающий на сердечник из первичной обмотки, уменьшается. Это, соответственно, приводит к уменьшению напряжения, возникающего на соответствующей вторичной обмотке. Максимальное расстояние, на которое может сместиться сердечник от своего нулевого положения при сохранении линейности передаточной функции, называется диапазоном измерений.

Доступен широкий выбор LVDT, охватывающий диапазон смещений от ±100 мкм до ±25 см. LVDT, способные выполнять измерения в бóльших диапазонах, также находят применение в лабораторном, промышленном и погружном оборудовании.

Ошибка линейности

График зависимости выходного сигнала LVDT от смещения сердечника не является идеальной прямой линией даже в линейном диапазоне. Выходные напряжения могут немного отклоняться от прямой линии, построенной для наилучшего соответствия выходным данным.

Одним из механизмов, который может быть причиной нелинейности в номинально линейном диапазоне устройства, является насыщение магнитного материала. Это может привести к появлению третьей гармоники даже в том случае, если сердечник находится в нулевом положении. Эта гармоника может быть подавлена с помощью фильтра нижних частот, включенного на выходе LVDT.

Максимальное отклонение выходного сигнала LVDT от ожидаемой прямой линии рассматривается как ошибка линейности. Ошибка линейности обычно выражается в процентах +/- от выходного сигнала полного диапазона. Например, максимальная ошибка линейности LVDT типа E-100 компании Measurement Specialties составляет ±0.5% от полной шкалы.

Чувствительность

Чувствительность, или коэффициент передачи, позволяет связать выходное напряжение со смещением сердечника D. Для определения чувствительности нужно подать на первичную обмотку напряжение возбуждения V_PRIMARY рекомендуемого уровня (для LVDT E-100 это 3 В с.к.з.) и сместить сердечник из нулевого положения в крайнюю точку диапазона измерений. Теперь надо измерить напряжения на двух вторичных обмотках, чтобы найти общее выходное напряжение V_OUT. Подставляя эти значения в следующую формулу, можно найти чувствительность S:

Чувствительность обычно указывается в милливольтах на вольт возбуждения на тысячные доли дюйма смещения сердечника (мВ/В/мил). Например, чувствительность LVDT E-100 равна 2.4 мВ/В/мил. Зная чувствительность, можно определить требуемый коэффициент усиления схемы формирования сигнала.