Máy biến áp vi sai tuyến tính là một bộ chuyển đổi vị trí rất chính xác và không ma sát được sử dụng để đo chuyển vị thẳng của một vật thể với điện áp đầu ra tỷ lệ với vị trí của lõi chuyển động của nó
Một biến áp vi sai tuyến tính , hoặc LVDT cho ngắn, là một vị trí bộ chuyển đổi điện (cảm biến) cung cấp thông tin phản hồi vị trí chính xác và không ma sát về vị trí cơ tuyến tính của một lực lượng bên ngoài hoặc đối tượng. Như tên gọi của nó, máy biến áp vi sai tuyến tính hoạt động trên nguyên tắc giống như máy biến áp xoay chiều nhưng thay vì cung cấp dòng tải hoặc điện áp cao, nó sử dụng nguyên tắc cơ bản của máy biến áp là điện cảm tương hỗ để đo chuyển động tuyến tính.
Trong hướng dẫn của chúng tôi về hiện tượng tự cảm lẫn nhau, chúng tôi đã thấy rằng khi hai hoặc nhiều cuộn dây solenoidal dài được quấn với nhau trên cùng một đầu hoặc lõi, từ thông tạo ra bởi bất kỳ cuộn dây nào trong số các cuộn dây này sẽ liên kết với các cuộn dây khác bằng từ thông tạo ra bởi cuộn dây dẫn động hoặc chống lại từ thông tạo ra bởi các cuộn dây khác. Do đó, bất kỳ dòng điện xoay chiều nào chạy qua một cuộn dây sẽ tạo ra điện áp vào các cuộn dây khác được ghép từ tính và đây là nguyên tắc cơ bản của LVDT.
Biến áp vi sai tuyến tính
Sau đó, LVDT là một đầu dò cảm ứng thụ động yêu cầu nguồn điện bên ngoài để hoạt động. Nó sử dụng cuộn dây và một từ trường xoay chiều để tạo ra điện áp đầu ra tương tự, biến nó thành một bộ chuyển đổi cảm ứng . Do đó, “máy biến áp vi sai biến đổi tuyến tính” đo khoảng cách dọc theo một trục tuyến tính.
Một cảm biến biến áp vi sai tuyến tính điển hình
LVDT bao gồm ba cuộn dây riêng lẻ được quấn tuần tự xung quanh một ống rỗng, cách điện không từ tính. Một cuộn dây của dây từ được phân loại là cuộn sơ cấp và các cuộn dây còn lại tạo thành hai cuộn dây thứ hai giống nhau.
Hai cuộn thứ cấp được nối với nhau theo kiểu mắc nối tiếp, nghĩa là chúng lệch pha nhau 180 o . Do đó sai phần nếu tên của nó.
Cuộn sơ cấp đơn đặt ở trung tâm của LVDT được cung cấp năng lượng bởi một nguồn dạng sóng hình sin xoay chiều không đổi với tần số nằm trong khoảng từ 1kHz đến 10kHz. Từ thông do cuộn sơ cấp tạo ra được ghép qua lõi tới một hoặc cả hai cuộn thứ cấp đặt ở hai bên của nó.
Sự sắp xếp này tạo ra một điện áp đầu ra chênh lệch tỷ lệ với độ dịch chuyển của lõi, do đó đặt cho nó cái tên bổ sung là “cảm biến biến dạng”. Khi đó máy biến áp vi sai biến đổi tuyến tính bao gồm một cuộn dây kích thích sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp được nối theo kiểu “đối đầu nối tiếp” (Vi sai).
Một lõi sắt từ mềm bằng sắt, được gọi là “lõi”, “sên”, “pít tông” hoặc “phần ứng”, được phép di chuyển tự do bên trong ống rỗng trung tâm theo đường thẳng do dịch chuyển của vật được nối tăng lên hoặc giảm độ tự cảm giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp làm tăng hoặc giảm điện áp cảm ứng ở mỗi cuộn thứ cấp. Sản xuất một thiết bị rất chính xác để đo độ dịch chuyển tuyến tính và có đầu ra tỷ lệ với vị trí của lõi có thể chuyển động của nó. Do đó phần Biến tuyến tính trong tên của nó.
Biến áp vi sai tuyến tính
Hình ảnh trên cho thấy nguyên tắc tổng quát của LDVT. Khi lõi sắt từ mềm bằng sắt có thể chuyển động được đặt ở vị trí chính giữa của hai cuộn thứ cấp, “vị trí rỗng”, thì lượng từ thông sơ cấp gây ra trong mỗi cuộn thứ cấp là hoàn toàn như nhau. Vì hai cuộn thứ cấp được quấn lệch pha với nhau 180 o nên hai suất cảm ứng ở hai đầu cuộn thứ cấp triệt tiêu lẫn nhau có giá trị V SEC1 = V SEC2 , do đó điện áp đầu ra thứ cấp bằng không (V HẾT = 0). Vì vậy, không vôn có nghĩa là lõi hoàn toàn tập trung ở vị trí rỗng của nó.
Khi lõi bị dịch chuyển một chút sang bên này hoặc bên kia từ vị trí không hoặc bằng không này, sẽ có một lượng lớn từ thông gây ra trong một trong các cuộn dây thứ cấp hơn so với lõi kia do hiệu ứng ghép nối của lõi sắt từ. Điều này làm cho hai cuộn thứ cấp trở nên mất cân bằng vì điện áp cảm ứng vào cuộn thứ cấp càng xa lõi càng nhỏ, trong khi điện áp cảm ứng vào cuộn thứ cấp gần lõi trở nên lớn hơn. Sự cân bằng từ trường này giữa hai cuộn thứ cấp tạo ra điện áp ra (V OUT ) so với tần số hình sin của điện áp đỉnh đặt vào cuộn dây của cuộn dây kích từ sơ cấp.
Rõ ràng khi đó điện áp chênh lệch giữa hai đầu ra thứ cấp, V SEC1 – V SEC2 theo một hướng và V SEC2 – V SEC1 theo hướng khác sẽ là điện áp RMS nhân với cosin của dịch pha. Do đó, độ dịch chuyển của lõi di chuyển từ vị trí rỗng trung tâm sang đầu này hay đầu kia của nó càng lớn, (chiều dài hành trình của nó) thì điện áp đầu ra càng lớn.
Cực tính và độ lớn của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào hướng và lượng dịch chuyển của lõi chuyển động mà bản thân nó được xác định bởi chuyển động của đối tượng được kết nối. Kết quả dịch chuyển này là đầu ra điện áp vi sai thay đổi tuyến tính theo vị trí lõi. Do đó, điện áp đầu ra rms từ loại cảm biến vị trí này có cả biên độ là hàm tuyến tính của sự dịch chuyển lõi và cực cho biết hướng chuyển động như hình minh họa.
Điện áp đầu ra LDVT
Chúng ta có thể thấy từ biểu đồ vị trí so với điện áp ở trên rằng khi lõi di chuyển từ đầu này sang đầu kia của nó qua vị trí trung tâm, liên kết từ tính lớn hơn giữa cuộn sơ cấp và bất kỳ cuộn thứ cấp nào trong hai cuộn thứ cấp. Điện áp đầu ra thay đổi từ cực đại đến 0 và trở lại cực đại theo hướng ngược lại bởi một lượng có liên quan đến khoảng cách lõi đã được dịch chuyển từ 0. Điều này cho phép LVDT tạo ra tín hiệu AC đầu ra có độ lớn đại diện cho lượng chuyển động từ vị trí trung tâm “rỗng” và góc pha của nó đại diện cho hướng chuyển động của lõi có thể di chuyển.
Việc kết nối một đối tượng với lõi cho phép bộ chuyển đổi biến áp vi sai tuyến tính cung cấp thông tin khá chính xác về vị trí của đối tượng. Phạm vi hoặc hành trình có thể từ vài mm đến hàng trăm mm khi đầu ra của chúng được hiệu chỉnh để tạo ra điện áp cụ thể trên mỗi mm, ví dụ, 20 hoặc 200 mV / mm. Đó là sự dịch chuyển lõi của một milimet sẽ tạo ra điện áp đầu ra là 200 mV. Nếu so sánh góc pha của điện áp ra (0 o hoặc 180 o ) so với góc pha của điện áp kích từ cuộn sơ cấp (0 o ) thì có thể biết nửa cuộn thứ cấp của lõi nằm ở vị trí nào và từ đó biết được chiều của du lịch.
Biến áp vi sai có nhiều ưu điểm và sử dụng để đo vị trí so với biến áp dựa trên chiết áp điện trở. LVDT có độ tuyến tính rất tốt, đó là đầu ra điện áp của nó để dịch chuyển là tuyệt vời, độ chính xác rất tốt, độ phân giải tốt, độ nhạy cao cũng như hoạt động không ma sát do không có kết nối cơ học giữa cuộn dây và lõi, do đó không có ma sát và không có bộ phận nào bị mòn. Ngoài ra, phần Biến áp trong tên gọi của nó có nghĩa là có sự cách ly về điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp cho phép kết nối điện tốt hơn.
Vì tương tác duy nhất giữa cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp và lõi của LVDT là khớp nối từ tính, cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của LVDT thường được niêm phong trong một lớp bọc epoxy với toàn bộ cảm biến được bọc trong một vỏ kim loại cho phép nó được sử dụng an toàn trong nhiều loại của điều kiện môi trường ẩm ướt hoặc khắc nghiệt.
Các ứng dụng điển hình của bộ chuyển đổi biến áp vi sai tuyến tính chủ yếu là trong các ứng dụng công nghiệp như bộ chuyển đổi áp suất, trong đó áp suất được đo sẽ đẩy lên màng ngăn để tạo ra chuyển động tuyến tính được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp bởi LVDT, hoặc trong các đầu đo robot được sử dụng trong các công cụ kiểm tra và đồng hồ đo nơi lõi bên trong của LVDT được nạp vào lò xo cho phép nó quay trở lại một số điểm tham chiếu đã đặt trước. Chúng cũng có nhiều công dụng như cảm biến vị trí rỗng trong hệ thống điều khiển servo hoặc vòng kín đã bị hủy bỏ khả năng lặp lại điểm rỗng.
LVDT Ví dụ No1
Một máy biến áp vi sai biến đổi tuyến tính có chiều dài hành trình là ± 150mm và tạo ra độ phân giải 40mV / mm. Xác định: a) điện áp đầu ra tối đa của LVDT, b) điện áp đầu ra khi lõi được dịch chuyển 120mm từ vị trí rỗng của nó, c) vị trí lõi từ tâm khi điện áp đầu ra là 3,75 vôn, d) sự thay đổi điện áp đầu ra khi lõi được di chuyển từ + 80mm đến -80mm dịch chuyển.
a). Điện áp đầu ra tối đa, V OUT
Nếu 1mm chuyển động tạo ra 40mV, thì 150mm chuyển động tạo ra:
V OUT = 40mV x 150mm = 0,04 x 150 = ± 6 Volts
b). V OUT với 120mm dịch chuyển lõi
Nếu dịch chuyển lõi 150mm tạo ra công suất 6 volt, thì chuyển động 120mm tạo ra:
c). Vị trí lõi khi V OUT = 3,75 volt
d). Thay đổi điện áp từ + 80mm đến -80mm dịch chuyển
Do đó, điện áp đầu ra thay đổi từ +3,2 volt đến -3,2 volt khi lõi di chuyển tương ứng từ + 80mm đến -80mm.
Đầu dò độ dịch chuyển có nhiều chiều dài và kích cỡ để đo từ vài mm đến những đầu dò có thể đo các hành trình dài. Nhưng trong khi LVDT có thể đo chuyển động thẳng theo đường thẳng, có một biến thể của LVDT có thể đo chuyển động theo góc được gọi là Máy biến áp vi sai có thể quay được hoặc RVDT .
Máy biến áp vi sai biến đổi quay
Các bộ chuyển đổi dựa trên chiết áp rất dễ sử dụng và đơn giản nhưng chiết áp điện trở bị mài mòn cơ học do tiếp xúc giữa cần gạt trượt và rãnh điện trở của nó cũng như tạo ra tiếng ồn điện khi gạt nước trượt dọc và bật lên trên rãnh điện trở. Máy biến áp vi sai biến trở quay hoạt động trên nguyên tắc cơ bản giống như LVDT trước đây, ngoại trừ việc sử dụng lõi sắt từ quay.
Ở đây lõi máy biến áp không thẳng mà tạo thành một phần của hình tròn (giống như đối với máy biến áp hình xuyến) cho phép cảm biến đo độ dịch chuyển góc của vật thể gắn vào. Lõi chuyển động bằng sắt từ của RVDT kết hợp với các cuộn dây thứ cấp dựa trên vị trí góc của nó, do đó cho phép đo dịch chuyển góc.
Hoạt động điện của RVDT giống hệt như đối với phiên bản tuyến tính ở chỗ nó dựa trên sự thay đổi sự ghép điện cảm lẫn nhau giữa các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Cuộn sơ cấp vẫn được điều khiển bởi dòng điện kích thích xoay chiều (thường trong dải kilo-hertz, kHz), tạo ra dòng điện xoay chiều trong mỗi cuộn thứ cấp đối kháng nối tiếp. Lõi sắt từ có thể chuyển động quay thay vì trượt bên trong cơ thể.
Một trong những nhược điểm chính của máy biến áp quay vi sai là nó chỉ có thể hoạt động trên một phạm vi góc quay tương đối hẹp. Mặc dù về lý thuyết, chúng có khả năng quay liên tục và đo tốc độ, đầu ra của RVDT điển hình chỉ thực sự tuyến tính trong phạm vi khoảng ± 60 o hoặc nhỏ hơn từ vị trí rỗng 0 (0 o ) của chúng chủ yếu do các hạn chế trong khớp nối magnetc. Ngoài ra, tín hiệu đầu ra bắt đầu trở nên phi tuyến tính và ít hữu ích hơn. Ngoài ra độ nhạy của chúng cũng nhỏ hơn nhiều so với những người anh em tuyến tính của chúng tạo ra khoảng 2 đến 5mV trên mỗi độ quay.
Tóm tắt máy biến áp vi sai biến tuyến tính
Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn này về máy biến áp vi sai biến thiên tuyến tính LVDT là một cảm biến vị trí được sử dụng để đo các chuyển vị tuyến tính nhỏ (đường thẳng) từ vài milimét đến hàng trăm milimét. LVDT không có tiếp xúc cơ học trượt trực tiếp hoặc các bộ phận chuyển động bị mài mòn, do đó, nó hầu như không có ma sát, mang lại hiệu suất điện và tuổi thọ cao hơn so với cảm biến dịch chuyển kiểu chiết áp tuyến tính điện trở.
LVDT bao gồm một máy biến áp có một cuộn dây sơ cấp duy nhất và hai cuộn dây thứ cấp lệch pha nhau về mặt điện cách nhau 180 o . LVDT cũng bao gồm một lõi có thể di chuyển được. Khi lõi ở vị trí trung tâm của nó, điện áp cảm ứng ở hai cuộn thứ cấp bằng nhau và ngược chiều cho tín hiệu đầu ra bằng không. Khi lõi di chuyển khỏi vị trí trung tâm của nó, điện áp cảm ứng ở một nửa cuộn thứ cấp sẽ lớn hơn nửa kia, tạo ra tín hiệu có biên độ tỷ lệ với lượng dịch chuyển tuyến tính và có pha biểu thị hướng di chuyển. Do đó LVDT tạo ra đầu ra điện áp vi sai thay đổi tuyến tính theo vị trí lõi với góc pha của điện áp đầu ra thay đổi 180 o khi lõi được di chuyển từ bên này của vị trí rỗng sang bên kia.
Nếu độ dịch chuyển đo được của lõi bên trong LVDT được thay đổi từ chuyển động thẳng sang chuyển động quay hoặc chuyển động góc, thì thiết bị sẽ trở thành máy biến áp vi sai có thể quay (RVDT). Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra của RVDT thực sự tuyến tính trong một phạm vi quay góc tương đối nhỏ và không thích hợp để đo toàn bộ góc quay 360 o .