LVDT-датчики перемещения
Аббревиатура LVDT образована от словосочетания Linear Variable Differential Transformer — линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи. LVDT-датчики — электромеханический преобразователь, преобразующий прямолинейное перемещение объекта, с которым он связан механически, в электрический сигнал. К отличительным особенностям рассматриваемых датчиков можно причислить очень большой динамический диапазон измеряемых перемещений (от десятков микрон до ±0,5 м) и возможность работать в самых жестких условиях эксплуатации. Первое следует из принципа действия, а второе — из конструктивного исполнения.
Существует довольно много импульсных датчиков перемещения, принцип действия которых основан на регистрации момента пересечения (с помощью магнитных или оптронных датчиков) движущимся объектом определенной метки. При наступлении указанного события на выходе датчика генерируется импульс. Подобные устройства по понятным причинам имеют не только ограниченный динамический диапазон измерений перемещений, но и увеличивают ошибку вычисления скорости и ускорения (первая и вторая производная от перемещения), что не всегда является приемлемым. Рассматриваемые в статье LVDT-датчики, в силу того что их выходной сигнал непрерывен, лишены отмеченных недостатков.
Принцип действия LVDT-датчика
На рисунке 1 схематично представлена конструкция LVDT-датчика, основными составляющими которого являются первичная и две вторичные обмотки (как правило, обмотки расположены на неподвижном сердечнике) и подвижное ядро. Первичная обмотка размещена симметрично между двумя идентичными вторичными обмотками. Катушки расположены на цельном термостабильном армированном полимере и заключены в герметичную оболочку, защищающую их от попадания влаги и агрессивных сред. Подвижное ядро, выполненное из высокопроницаемого магнитного материала, имеет цилиндрическую форму и свободно перемещается по внутренней полости датчика.
Электропитание первичной обмотки осуществляется переменным синусоидальным напряжением — типовое значение 3 В, 3 кГц. Выходным сигналом датчика является разность напряжений вторичных обмоток u8212 — дифференциальное напряжение. Обычно дифференциальное переменное напряжение преобразуется встроенным электронным модулем в сигнал постоянного тока.
На рисунке 2 проиллюстрирован принцип действия LVDT-датчика. Если подвижное ядро находится строго в центре (так называемая нулевая позиция), то магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой Р, симметрично, следовательно магнитные потоки через вторичные обмотки S1 и S2 равны, а значит равны и ЭДС Е1 и Е2, индуцируемые в этих обмотках, а значит равно нулю дифференциальное напряжение. Если же подвижное ядро смещается относительно нулевого положения, то искажается симметрия магнитного поля — через одну из вторичных обмоток, в зависимости от положения ядра, проходит больший магнитный поток, нежели чем через другую (см. рис. 2). Следовательно, различаются и ЭДС, индуцируемые во вторичных обмотках, — чем больше магнитный поток, тем больше ЭДС.
На рисунке 3а показано, как изменяется амплитуда дифференциального выходного напряжения ЕOUT в зависимости от положения ядра внутри сердечника. Максимальное значение ЕOUT обычно достигает нескольких Вольт. Угол сдвига фаз выходного напряжения ЕOUT относительно первичного напряжения остается постоянным вплоть до нулевой позиции, при пересечении которой сдвиг фаз изменяется на 180 градусов (см. рис. 3б). Сдвиг фазы можно использовать для определения направления движения относительно нулевой позиции при преобразовании сигнала переменного тока электронным модулем. Тогда выходной сигнал последнего будет иметь вид, как показано на рисунке 3в.
Из принципа действия и конструкции LVDT-датчика следует ряд очевидных преимуществ.
Отсутствие трущихся частей — одно из главных преимуществ LVDT-датчика. При использовании в штатном режиме нет механического контакта между подвижным ядром и катушками. Это преимущество особенно важно при измерениях малых перемещений, например при контроле вибраций.
Высокая чувствительность: отсутствие трения и физический принцип действия позволяют измерять очень малые перемещения ядра при хорошей повторяемости результатов измерений. Минимальная величина измерения ограничивается шумом и разрешением индицирующего прибора.
Практически неограниченная механическая износостойкость является следствием отсутствия трущихся частей. Из-за отсутствия трения и механических контактов между ядром и катушками нет факторов, оказывающих отрицательное влияние на механическую износостойкость. Следовательно, повышается надежность, что очень важно при использовании, например, в аэрокосмической промышленности и ядерной энергетике, а также в других приложениях, где надежность является ключевым параметром.
Повышенная защита от выбега за пределы трансформатора. Внутреннее отверстие большинства LVDT-датчиков открыто с обеих сторон, поэтому в случае «зашкаливания» (перемещения контролируемого объекта и жестко связанного с ним ядра за предусмотренные пределы) не происходит механического повреждения датчика — подвижное ядро попросту вылетает за пределы датчика, не нанося тому никаких повреждений. Эта неуязвимость очень хороша для применений в тензометрах и экстензометрах (приборы для измерения удлинений), которые используются в тестах на растяжение материалов.
Одно направление чувствительности. LVDT-датчик реагирует на перемещение ядра только в одном направлении и нечувствителен к перемещению в других направлениях. Эта особенность важна в приложениях, когда ядро передвигается не по идеальной прямой линии, а слегка «рыскает » при перемещении.
Разделение катушек и ядра. Катушки механически отделены от подвижного ядра, причем катушки помещены в герметичную капсулу. Это обстоятельство часто используется для применения LVDT в гидроприводах и сервоприводах.
Устойчивость к воздействию внешней среды. Материалы и конструкция, используемые в LVDT, антикоррозионные, износоустойчивые и прочные, что делает LVDT маловосприимчивым к негативным воздействиям внешней среды. Обмотки залиты эпоксидной смолой и почти невосприимчивы к влажности и осадкам, хорошо противостоят одиночным ударам и вибрациям. Внутренний экран из магнитопроницаемого материала минимизирует эффект внешних электромагнитных полей. И ядро и сердечник изготовлены из антикоррозионных материалов, также являющихся магнитными экранами. Для применения датчика во взрыво- и пожароопасных средах, а также в агрессивных средах датчик может быть изолирован от внешней среды посредством заключения в капсулу и «запечатан» с помощью сварки. Обычно LVDT-датчики работают в расширенном диапазоне рабочих температур и могут применяться и в криогенной технике, и при повышенных температурах и радиации, например в ядерных реакторах.
Повторяемость нулевой точки. Положение нулевой точки чрезвычайно стабильно и повторяемо даже при сверхшироких температурных диапазонах.
Хорошие динамические свойства. Отсутствие трения позволяет LVDT очень быстро изменять положение ядра. Динамический отклик ограничивается только массой ядра.
Источник: «Электронные компоненты» #11 2006