LVDT چیست؟
با کمک اصل القای متقابل، یک ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) جابجایی خطی را به عنوان یک ابزار اندازهگیری مطلق به یک سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. این ابزار، وضوح بسیار بالایی را در ابزاری مناسب برای انواع کاربردها و موقعیتها ارائه میدهد و طراحی و استفاده از آن نسبتاً ساده است.
LVDT مخفف چیست ؟
ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی که با علامت اختصاری LVDT شناخته میشود، یک مبدل القایی است که حرکت خطی را به سیگنالهای الکتریکی پرکاربرد تبدیل میکند.
اصول کار LVDT
Linear Variable Differential Transformer با اختصار LVDT شناخته میشود. این نوع قابل توجهی از مبدل القایی است؛ مبدلهای القایی آنهایی هستند که طبق اصول اساسی فرآیند انتقال عمل میکنند. مبدل جابجایی متغیر خطی (LVDT) نام دیگری برای LVDTها است که به عنوان مبدلهای القایی نیز شناخته میشوند و جابجایی خطی را از قطبیت و بزرگی نیروی محرکه الکتریکی القایی خالص (emf) اندازهگیری میکنند. LVDT، در سادهترین شکل خود، یک حسگر موقعیت است که میتواند حرکت یا ارتعاشات خطی را تشخیص داده و به سیگنالهای الکتریکی یا جریان الکتریکی متغیر در مدار تبدیل کند.
اصل کار LVDTطبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، که بیان میکند «نیروی محرکه الکتریکی القایی خالص در مدار مستقیماً با نرخ تغییر شار مغناطیسی در سراسر مدار متناسب است و شار مغناطیسی سیمپیچ پیچیده شده با سیمها را میتوان با حرکت یک آهنربای میلهای از طریق سیمپیچ تغییر داد»، عملکرد LVDT بر اساس این اصل است.
LVDT چگونه کار میکند؟
وقتی سیمپیچ اولیه LVDT به منبع تغذیه AC متصل میشود، یک میدان مغناطیسی متناوب در آنجا ایجاد میشود که باعث القای نیروی محرکه الکتریکی (EMF) در سیمپیچهای ثانویه میشود. فرض کنید سیمپیچهای ثانویه S1 و S2 به ترتیب ولتاژهای القایی E1 و E2 دارند. حال، طبق قانون فارادی، بزرگی نیروی محرکه الکتریکی القایی، E1 و E2، و همچنین نرخ تغییر شار مغناطیسی، dØ/dt، با یکدیگر نسبت مستقیم دارند. بنابراین، اگر مقدار "dt" کم باشد (dØ/dt ∝ E1 و E2)، نیروی محرکه الکتریکی القایی در سیمپیچهای ثانویه بیشتر خواهد بود و مقدار کم "dt" به این معنی است که هسته آهن نرم موجود در داخل LVDT سریعتر حرکت میکند. اگر هسته با سرعت بیشتری در داخل LVDT حرکت کند، در نتیجه مقدار قابل توجهی نیروی محرکه الکتریکی در سیمپیچهای ثانویه S1 و S2 تولید میشود.
سیمپیچهای ثانویه S1 و S2 هر دو به صورت سری اما با فازهای مخالف به هم متصل شدهاند؛ در نتیجه این اتصال مخالف فاز، ولتاژ خروجی کلی مدار (Eo) از رابطه زیر حاصل میشود:
E0= E1 -E2
ساختمان LVDT
مشابه ترانسفورماتور، یک LVDT دارای یک سیمپیچ اصلی با نام P و دو سیمپیچ ثانویه با نامهای S1 و S2 است. سیمپیچهای اولیه و ثانویه روی یک قالب پیچیده شدهاند که یک ساختار استوانهای توخالی است. قالب اولیه اغلب از پلیمر تقویتشده با شیشه ساخته شده است که در یک ماده متخلخل پیچیده شده و با فولاد استوانهای پوشانده شده است. سیمپیچ اولیه قالب استوانهای در مرکز قرار دارد و سیمپیچهای ثانویه در دو طرف سیمپیچ اولیه به طور مساوی از مرکز فاصله دارند. هر دو سیمپیچ ثانویه تعداد دور یکسانی دارند و در حالت سری به یکدیگر متصل هستند، به این معنی که در جهات مختلف پیچیده شدهاند، اما به یکدیگر متصل هستند. EMF القایی در هر دو سیمپیچ ثانویه به دلیل اتصال سری مخالف، در حالت مخالف یکدیگر خواهد بود. یک منبع تغذیه AC ثابت، که فرکانس آن از 50 هرتز تا 20 کیلوهرتز متغیر است، به سیمپیچ اولیه متصل است. در طول روش اندازهگیری فاصله خطی، کل مجموعه سیمپیچ ثابت است. جزء متحرک LVDT یک بازوی جداگانه است که از یک ماده مغناطیسی ساخته شده است. این نوع ترانسدیوسر معمولاً دارای یک هسته آهنی نرم است که برای کاهش تلفات جریان گردابی، لایه لایه شده است. هسته میتواند آزادانه درون سیمپیچ توخالی (ساندویچ) حرکت کند و هسته توسط یک میله غیرمغناطیسی به جسمی که حرکت آن باید ثبت شود، متصل میشود. برای جلوگیری از هرگونه تماس فیزیکی بین آنها (سیمپیچ و هسته) و اجازه دادن به سیمپیچ برای حرکت آزادانه درون ساندویچ، ساندویچ توخالی قطر شعاعی وسیعتری نسبت به هسته دارد.
ویژگیهای LVDT
بیایید در مورد سه سناریوی مختلف با توجه به موقعیت هسته متحرک بحث کنیم، زیرا نیروی محرکه الکتریکی خالص القا شده در مدار به موقعیت آن بستگی دارد.
هسته در موقعیت صفر
نرخ تغییر شار مغناطیسی در هر دو سیمپیچ ثانویه یکسان خواهد بود زیرا هر دو سیمپیچ ثانویه تعداد دور مساوی دارند و در فاصله مساوی از سیمپیچ اصلی یا در موقعیت عادی وقتی هسته در مرکز قرار میگیرد، قرار گرفتهاند. این نشان میدهد که نیروی محرکه القایی E1 و E2 که در سیمپیچهای ثانویه S1 و S2 وجود دارند، برابر خواهند بود یا E1=E2. در نتیجه، در موقعیت عادی هسته، نیروی محرکه القایی خالص (Eo) در مدار صفر است (E1-E2=0). "موقعیت صفر" LVDT موقعیت معمول هسته آهن نرم است که در آن نیروی محرکه القایی خالص صفر است.
هسته در سمت چپ موقعیت صفر
وقتی هسته از حالت صفر دور میشود، یک ولتاژ AC دیفرانسیلی در ترمینال خروجی سیمپیچهای ثانویه ایجاد میشود که باعث عدم تعادل الکترومغناطیسی بین سیمپیچهای ثانویه میشود. اگر هسته از نقطه صفر به سمت چپ منتقل شود، شار مغناطیسی مرتبط با سیمپیچ ثانویه S1 بیشتر از شار مغناطیسی مرتبط با سیمپیچ S2 خواهد شد، یا نیروی محرکه القایی در سیمپیچ S1 بیشتر از نیروی محرکه القایی در سیمپیچ S2 خواهد بود.
در نتیجه، ولتاژ خروجی LVDT (E0) توسط رابطه زیر تأمین میشود:
E0= E1 – E2 = مثبت (E1 > E2)
در نتیجه، میتوان استنباط کرد که ولتاژ خروجی کلی LVDT مثبت و همفاز با ولتاژ اولیه است.
هسته در سمت راست موقعیت صفر
اگر هسته از موقعیت صفر به سمت راست جابجا شود، شار مغناطیسی مرتبط با سیمپیچ S2 بیشتر از سیمپیچ S1 خواهد بود. در نتیجه، نیروی محرکه القایی (EMF) در سیمپیچ S2 بیشتر از نیروی محرکه القایی در سیمپیچ S1 خواهد بود.
در نتیجه، ولتاژ خروجی ابزار LVDT (E0) به صورت زیر بدست میآید:
Eo = E1 – E2 = منفی (E2 > E1)
این نشان میدهد که ولتاژ خروجی کل LVDT منفی یا با ولتاژ اولیه ناهمفاز (Φ= 180 0 ) است.
از سه حالت ذکر شده در بالا، میتوان استنباط کرد که ولتاژ خروجی دقیقاً متناسب با جابجایی جسم است، یعنی هرچه جابجایی جسم بیشتر باشد، ولتاژ خروجی LVDT نیز بیشتر است. بنابراین، ولتاژ خروجی خالص اندازهگیری شده در ترمینال خروجی LVDT میتواند برای تعیین جهت حرکت جسم متصل به هسته دستگاه استفاده شود. اگر ولتاژ خروجی LVDT مثبت باشد، میتوان نتیجه گرفت که جسم در جهت چپ از موقعیت صفر دور میشود و اگر ولتاژ خروجی LVDT منفی باشد، میتوان نتیجه گرفت که جسم در جهت راست از موقعیت صفر دور میشود.
با این حال، اگر هسته از ساختار توخالی خارج شود، ولتاژ خروجی LVDT صفر خواهد بود. تا جابجایی ۵ میلیمتر از موقعیت صفر، چه به سمت چپ و چه به سمت راست، ولتاژ خروجی به صورت خطی افزایش مییابد، اما پس از آن نقطه، از رفتار خطی منحرف میشود. نمودار همراه، که نوسانات ولتاژ خروجی را نسبت به جابجایی بدنه نشان میدهد، میتواند به ما در درک خطای محدوده خطی و خطی بودن کمک کند.
تابع انتقال مبدل دیفرانسیلی متغیر خطی در نمودار بالا نشان داده شده است. بزرگی ولتاژ خروجی LVDT توسط محور y نشان داده شده است، در حالی که جابجایی جسم توسط محور x نشان داده شده است. ولتاژ خروجی، در تئوری، باید زمانی که جابجایی صفر است، صفر باشد، اما از آنجا که مغناطیس پسماند هسته آهن نرم حتی زمانی که هسته در موقعیت صفر قرار دارد، ولتاژ خروجی کمی تولید میکند، این مقدار خروجی کوچک به عنوان ولتاژ پسماند یک LVDT شناخته میشود. ولتاژ خروجی با توجه به جابجایی هسته، با دور شدن هسته از موقعیت صفر به سمت راست یا چپ تا یک مقدار مشخص، به صورت خطی افزایش مییابد، که در آن نقطه افزایش غیرخطی در ولتاژ خروجی مشاهده میشود.
محدوده خطی LVDT
همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، محدوده خطی LVDT، محدودهای است که تابع تبدیل خطی تا آن مشاهده میشود. LVDT فقط برای محدوده کوچکی از جابجایی هسته، افزایش خطی در ولتاژ خروجی نشان میدهد. حال بیایید دلیل رفتار غیرخطی ولتاژ خروجی را پس از یک محدوده خاص از جابجایی بررسی کنیم. جابجایی در مقیاس کامل، بیشترین فاصلهای است که هسته میتواند از موقعیت صفر تا جایی که تابع تبدیل خطی قابل مشاهده است، حرکت کند. پس از جابجایی در مقیاس کامل، شار مغناطیسی مرتبط با هسته ناشی از سیمپیچ اولیه P با حرکت بیشتر هسته کاهش مییابد که در نهایت باعث کاهش ولتاژ در سیمپیچهای ثانویه S1 و S2 میشود.
خطای خطی بودن در LVDT
در نمودار خروجی در مقابل جابجایی، خطای خطی بودن، بزرگترین انحراف ولتاژ خروجی از خط مستقیم پیشبینی شده است. همانطور که از نمودار پیداست، نوسان ولتاژ خروجی نسبت به جابجایی در محدوده خطی منجر به یک خط کاملاً مستقیم نمیشود. اشباع هسته آهن نرم، که باعث ایجاد مؤلفه هارمونیک سوم حتی زمانی که هسته در موقعیت صفر قرار دارد، میشود، علت منحنی غیرخطی حتی در محدوده خطی است. فیلتر خروجی پایین در ترمینال خروجی LVDT میتواند برای حذف مؤلفههای هارمونیک استفاده شود.
حساسیت LVDT | نسبت انتقال LVDT
رابطه بین ولتاژ خروجی LVDT و جابجایی هسته با حساسیت دستگاه توصیف میشود. همچنین به آن نسبت انتقال LVDT گفته میشود. هنگامی که منبع AC اولیه در یک ولتاژ خاص (3 Vrms) حفظ میشود و هسته با جابجایی کامل از موقعیت صفر حرکت میکند، حساسیت LVDT تعیین میشود. در مرحله بعد، ولتاژ دو سر سیمپیچهای S1 و S2 اندازهگیری میشود تا ولتاژ خروجی خالص LVDT تعیین شود. سپس از اعداد جمعآوری شده برای اصلاح معادله زیر برای تعیین حساسیت LVDT استفاده میشود.
حساسیت = خروجی ولت / (ولتاژ اولیه × جابجایی هسته)
خروجی V / (جابجایی هسته اولیه V) فرمول حساسیت است.
این مقدار به صورت mV/V/mm یا mV/V/in نوشته میشود که نشاندهندهی خروجی میلیولت به ازای هر ولت تحریک به ازای هر جابجایی هسته بر حسب میلیمتر یا اینچ است.
کاربردهای LVDT
وقتی جسمی در سیالات غیر خورنده و غیر رسانا غوطهور میشود، هیدرولیک از آن برای بررسی نشتی یا سایر آسیبها استفاده میکند. رباتهای مکانیکی نیز از حسگرهای LVDT استفاده میکنند.
این وسیله در بخش هوافضا برای نظارت بر مکانیسمهای متعدد، از جمله خلبان و کنترل پرواز، به کار میرود. هسته متحرک به قطعات متحرک مانند ارابههای فرود متصل است و انواع مبدلهای موقعیت کوچک در نقاط ثابت نصب شدهاند. بسته به حساسیت LVDT و سیستم نصب، سیگنالهای خروجی الکتریکی مختلف، زوایا، طولها، حرکت و سرعت حرکت را هنگام حرکت ارابههای فرود تأمین میکنند.
اگر LVDT به عنوان یک مبدل ثانویه استفاده شود، میتواند علاوه بر جابجایی، برای نظارت بر خواص فیزیکی مانند نیرو، فشار و وزن نیز مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، یک لوله بوردون میتواند به عنوان مبدل اصلی برای اندازهگیری فشار با تبدیل آن به جابجایی خطی استفاده شود. جابجایی خطی سپس توسط LVDT به ولتاژ یا سیگنالهای الکتریکی تبدیل میشود و به ما امکان میدهد فشار را اندازهگیری کنیم.
علاوه بر این، در صنعت پزشکی در ساخت قرصها نیز به کار میرود. این کار از طریق یک مکانیزم هیبریدی کنترلشده توسط کامپیوتر انجام میشود که وزن و ضخامت قرصها را به درستی اندازهگیری میکند و در عین حال خطای انسانی را به حداقل میرساند. این مکانیزم از مبدلهای سیمپیچ اولیه و ثانویه تشکیل شده است.
در مهندسی عمران، از LVDT برای ارزیابی مواردی مانند تنش فنر، وزن و جابجایی و همچنین آزمایش دوام نمونههای مختلف خاک و سنگهایی که برای ساخت ساختمانها یا پلها استفاده میشوند، استفاده میشود.
با مشاهده شکل موج در ترمینال خروجی LVDT، میتوان از آنها برای آزمایش کیفیت پنلهای صفحه نمایش تخت نیز استفاده کرد.
مزایای LVDT
LVDT ها با استفاده از قطعات و روشهای باکیفیتی ساخته میشوند که به راحتی در برابر زنگزدگی، فشار و دماهای شدید مقاوم هستند. حتی در دماهای بالاتر از دمای عملیاتی آن، نقطه صفر LVDT اغلب ثابت میماند.
از آنجایی که در حین عملکرد LVDT هیچ اصطکاکی وجود ندارد، مکان هسته را میتوان به سرعت تنظیم کرد که منجر به واکنشهای دینامیکی از LVDT میشود. حجم هسته تنها عاملی است که تصور میشود توانایی LVDT در پاسخ دینامیکی را محدود میکند.
مقدار مطلق توسط LVDT ارائه میشود. این بدان معناست که در صورت قطع برق غیرمنتظره، LVDT دادههای مکانی خود را از دست نمیدهد. اگر اندازهگیری دوباره انجام شود، مقدار خروجی مانند قبل از قطع برق باقی میماند.
از آنجایی که هیچ تماس مستقیمی بین هسته متحرک و ساختار سیمپیچ ثابت وجود ندارد، LVDT یک دستگاه بدون اصطکاک (سابق) است. در نتیجه کاهش سایش و پارگی ناشی از اصطکاک، احتمال آسیب دیدن دستگاه کمتر است. در نتیجه، عمر مکانیکی LVDT به طور قابل توجهی طولانیتر از سایر دستگاههایی است که در حین کار دچار اصطکاک میشوند.
میتوان از آن برای محاسبه جابجایی یک جسم که از چند سانتیمتر تا چند میلیمتر متغیر است، استفاده کرد. در آزمایشگاهها و برای مصارف صنعتی، LVDT های مدرن که میتوانند جابجایی را در محدوده وسیعی (±100μm تا ±25 cm) اندازهگیری کنند، اغلب مورد استفاده قرار میگیرند.
آنها معمولاً کمتر از ۱ وات برق مصرف میکنند و تلفات هیسترزیس کمتری از خود نشان میدهند که این امر قابلیت اطمینان آنها را بهبود میبخشد.
علیرغم اندازه کوچک و سبک بودنشان، LVDTها قادر به تحمل شوکها و ارتعاشات مکانیکی هستند. به دلیل اندازه کوچک و سبک بودنشان، LVDTها را میتوان به راحتی مدیریت و برای برآورده کردن الزامات تنظیم کرد.
از آنجایی که هیچ اتصال مستقیمی بین سیمپیچ و هسته LVDT وجود ندارد و در عوض آنها به صورت مغناطیسی به هم متصل هستند، میتوان آنها را از یکدیگر جدا کرد. این کار را میتوان با قرار دادن یک لوله غیرمغناطیسی بین هسته و هسته انجام داد. در این مرحله، سیال تحت فشار به لولهای که در آنجا قرار داده شده است، تغذیه میشود. معمولاً این مجموعه در هیدرولیک برای اقدامات مختلفی استفاده میشود.
به دلیل سیگنال خروجی قوی و حساسیت به حتی جابجاییهای کوچک، LVDT نیازی به استفاده از تقویتکننده برای تقویت سیگنالها ندارد.
معایب LVDT | محدودیتهای LVDT
عیب اصلی LVDT نیاز به یک مدار کمکی برای مدیریت میدان مغناطیسی سرگردانی است که در سراسر مدار الکتریکی تولید میکند. مکانیزم مبدل القایی LVDT میدان مغناطیسی سرگردان را تولید میکند.
به دلیل ارتعاشات ناخواسته یا نوسانات دما در دستگاه، عملکرد LVDT ممکن است با تأخیر مواجه شود.
از آنجایی که LVDT خروجی AC تولید میکند، برای تولید خروجی DC به یک دمدولاتور نیاز است.
به دلیل جرم هسته متحرک یا فرکانس ولتاژ اولیه اعمال شده، پاسخهای دینامیکی سریع LVDT ممکن است محدود شود.
