Линейный переменный дифференциальный трансформатор ( LVDT ) (также называемый линейный трансформатор переменного смещения , [1] линейной переменной датчик перемещения , [2] или просто дифференциальный трансформатор [3] ) представляет собой тип электрического трансформатора используется для измерения линейного перемещения (положение). Аналог этого устройства, которое используется для измерения вращательного смещения, называется вращающимся переменным дифференциальным трансформатором ( RVDT ).
Введение [ править ]
LVDT - это надежные датчики абсолютного линейного положения / смещения; по своей сути не имеющие трения, они имеют практически бесконечный срок службы при правильном использовании. Поскольку LVDT с питанием от переменного тока не содержат никакой электроники, они могут быть спроектированы для работы при криогенных температурах или до 1200 ° F (650 ° C) в суровых условиях и при высоких уровнях вибрации и ударов. LVDT широко используются в таких приложениях, как силовые турбины , гидравлика , автоматика, самолеты , спутники, ядерные реакторы и многие другие. Эти преобразователи имеют низкий гистерезис и отличную воспроизводимость.
LVDT преобразует положение или линейное смещение из механического эталона (нулевое или нулевое положение) в пропорциональный электрический сигнал, содержащий информацию о фазе (для направления) и амплитуде (для расстояния). Работа LVDT не требует электрического контакта между подвижной частью (зонд или узел сердечника) и узлом катушки, но вместо этого полагается на электромагнитную связь.
Операция [ править ]
Линейный регулируемый дифференциальный трансформатор имеет три соленоидные катушки, расположенные встык вокруг трубки. Центральная катушка является первичной, а две внешние катушки - верхней и нижней вторичными обмотками. Цилиндрический ферромагнитный сердечник, прикрепленный к объекту, положение которого необходимо измерить, скользит по оси трубки. Переменный ток приводит в действие первичные и вызывает напряжение , чтобы быть индуцируется в каждой вторичной пропорциональна длине сердечника , соединяющего к вторичной. [3] частота , как правило , в диапазоне от 1 до 10 кГц .
Когда сердечник движется, связь первичной обмотки с двумя вторичными катушками изменяется и вызывает изменение индуцированного напряжения. Катушки соединены так, что выходное напряжение представляет собой разницу (следовательно, «дифференциал») между верхним вторичным напряжением и нижним вторичным напряжением. Когда сердечник находится в своем центральном положении, на равном расстоянии между двумя вторичными обмотками, в двух вторичных обмотках индуцируются равные напряжения, но два сигнала отменяются, поэтому выходное напряжение теоретически равно нулю. На практике незначительные изменения в способе подключения первичной обмотки к каждой вторичной обмотке означают, что небольшое напряжение выводится, когда сердцевина находится в центре.
Это небольшое остаточное напряжение возникает из-за фазового сдвига и часто называется квадратурной ошибкой. Это неудобно для систем управления с обратной связью, поскольку может привести к колебаниям около нулевой точки, а также может быть неприемлемым 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 неисправности LVDT, и нормальный метод заключается в демодуляции каждой вторичной обмотки отдельно с использованием прецизионных полуволновых или двухполупериодных выпрямителей на основе операционных усилителей и вычислении разницы путем вычитания сигналов постоянного тока. . Поскольку при постоянном напряжении возбуждения сумма двух вторичных напряжений почти постоянна на протяжении рабочего хода LVDT,его значение остается в небольшом окне и может контролироваться, так что любые внутренние отказы LVDT будут вызывать отклонение суммарного напряжения от его пределов и быстрое обнаружение, вызывая индикацию неисправности. В этой схеме отсутствует квадратурная ошибка, и зависящее от положения разностное напряжение плавно проходит через ноль в нулевой точке.
Если в системе доступна цифровая обработка в форме микропроцессора или ПЛИС , то обычно устройство обработки выполняет обнаружение неисправности и, возможно, логометрическую [4] обработку для повышения точности путем деления разницы вторичных напряжений на сумма вторичных напряжений, чтобы измерение не зависело от точной амплитуды сигнала возбуждения. Если доступна достаточная мощность цифровой обработки, становится обычным использование 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 катушке увеличивается, а напряжение в нижней части уменьшается. Результирующее выходное напряжение увеличивается с нуля. Это напряжение синфазно с первичным напряжением. Когда сердечник движется в другом направлении, выходное напряжение также увеличивается от нуля, но его фаза противоположна фазе первичной обмотки. Фаза выходного напряжения определяет направление смещения (вверх или вниз), а амплитуда указывает величину смещения. Синхронный детектор может определить , подписанное выходное напряжение , которое относится к перемещению.
LVDT разработан с длинными тонкими катушками, чтобы сделать выходное напряжение практически линейным при смещении до нескольких дюймов (нескольких сотен миллиметров) в длину.
LVDT может использоваться как датчик абсолютного положения. Даже если питание отключено, при перезапуске LVDT показывает то же измерение, и никакая информация о местоположении не теряется. Его самые большие преимущества - повторяемость и воспроизводимость после правильной настройки. Кроме того, кроме одноосного линейного движения сердечника, любые другие движения, такие как вращение сердечника вокруг оси, не повлияют 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 изолировать 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 [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ https://www.google.com/patents/US4149409
- ^ http://www.omega.com/manuals/manualpdf/M1120.pdf
- ^ a b Baumeister & Marks 1967 , стр. 16–8
- ^ Арун Т. Вемури; Мэттью Салливан (2016). «Ратиометрические измерения в контексте преобразования сигнала LVDT-датчика» (PDF) . Журнал промышленных аналоговых приложений Texas Instruments . Проверено 27 октября 2017 года .
- Баумейстер, Теодор; Маркс, Лайонел С., ред. (1967), Стандартное руководство для инженеров-механиков (седьмое издание), McGraw-Hill, LCCN 16-12915
Внешние ссылки [ править ]
- Как работают LVDT (интерактивно)
- Как работают LVDT
- Объяснение фазировки
- LVDT модели и приложения
- Лист данных Analog Devices AD598
- http://www.meas-spec.com/downloads/LVDT_Selection,_Handling_and_Installation_Guidelines.pdf Руководство по выбору, обращению и установке LVDT; описывает параметры, которые важны при применении LVDT
- http://www.meas-spec.com/downloads/Principles_of_the_LVDT.pdf LVDT: конструкция и принцип работы
- http://www.meas-spec.com/downloads/LVDT_Technology.pdf Март 2013 г .; фотографии внутренней конструкции; отклонение поперечной оси, экранирование, проблемы с коррозией
