Introduction aux transformateurs différentiels variables linéaires (LVDT)
Vous cherchez une introduction succincte aux LVDT ? Cet article explique les bases du LVDT, notamment la structure, le circuit, la fonction de transfert, la plage linéaire, la sensibilité, etc.
Le transformateur différentiel variable linéaire (LVDT) est un transducteur électromécanique qui détecte le déplacement mécanique d'un noyau et produit une tension alternative proportionnelle à la sortie. Haute résolution (infinie en théorie), haute linéarité (0,5 % ou mieux), haute sensibilité et zéro frottement mécanique sont quelques-unes des caractéristiques importantes des dispositifs LVDT.
Dans cet article, nous examinerons la structure et les principes de fonctionnement des LVDT. Nous examinerons également trois paramètres importants de ces capteurs :la plage linéaire, l'erreur de linéarité et la sensibilité.
Structure d'un LVDT
La figure 1 montre la vue en coupe et le modèle de circuit d'un LVDT de base. Il se compose d'un enroulement primaire couplé à deux enroulements secondaires par l'intermédiaire d'un noyau mobile. Au fur et à mesure que le noyau magnétiquement perméable se déplace, le couplage magnétique entre le primaire et chacun des enroulements secondaires change en conséquence. Cela produit des signaux de tension dépendant de la position sur les deux enroulements qui peuvent être utilisés pour déterminer la position d'un objet.
Figure 1(a). Vue en coupe d'un LVDT. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Honeywell
Figure 1(b). Modèle de circuit d'un LVDT
Les deux enroulements secondaires sont opposés en série, ce qui signifie qu'ils sont connectés en série mais enroulés dans des sens opposés. Le noyau, généralement à travers une tige non ferromagnétique, se fixe à l'objet dont le mouvement est mesuré et l'ensemble de bobine est généralement fixé à une forme fixe.
Comment ça marche ?
La figure 2 montre comment un noyau parfaitement centré produit idéalement une sortie nulle. L'entrée est excitée par une tension alternative de fréquence appropriée (VEXC ). Comme les deux secondaires sont enroulés symétriquement des deux côtés de la bobine primaire, un noyau centré conduit à un couplage magnétique égal du primaire aux deux secondaires. Les enroulements secondaires étant opposés en série, des tensions égales avec des polarités opposées seront induites sur les deux secondaires (Vs1 =-Vs2 ). Par conséquent, les tensions des deux enroulements s'annuleront et nous aurons une sortie globale de zéro (Vout =0).
Figure 2. LVDT avec un noyau parfaitement centré
Lorsque le noyau est déplacé vers le haut comme le montre la figure 3, le couplage entre le primaire et le premier secondaire devient plus fort. Cela conduit à une tension alternative plus élevée sur le premier secondaire par rapport au deuxième secondaire (|Vs1 |> |Vs2 |) et une sortie non nulle (Vout ). Notez que la sortie est en phase avec Vs1 mais son amplitude est relativement plus petite.
Avec l'exemple illustré à la figure 3, la sortie doit être idéalement en phase avec VEXC lorsque le noyau subit un déplacement vers le haut.
Figure 3. LVDT avec le noyau déplacé vers le haut
Les formes d'onde typiques pour le déplacement vers le bas du noyau sont illustrées à la figure 4.
Figure 4. LVDT avec le noyau déplacé vers le bas
Dans ce cas, le couplage magnétique entre le primaire et le deuxième secondaire augmente conduisant à |Vs2 |> |Vs1 |. Comme vous pouvez le voir, nous aurons un Vout non nul qui est idéalement déphasé de 180° par rapport à la tension d'excitation.
Fonction de transfert
La figure 5 montre la fonction de transfert d'un LVDT typique. L'axe des x est le déplacement du noyau à partir du centre. L'axe des y est l'amplitude de la tension alternative de sortie.
Figure 5. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Ramón Pallás-Areny et John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning
A l'origine (x =0), la sortie est idéalement nulle. Lorsque le noyau est décentré dans les deux sens, l'amplitude de la sortie augmente linéairement avec le déplacement du noyau. A noter qu'en ne mesurant que l'amplitude de la sortie, on ne peut pas déterminer si le noyau est déplacé vers la gauche ou vers la droite. Nous devons connaître à la fois l'amplitude et la phase de la sortie.
Plage linéaire
Comme le montre la figure 5, un LVDT présente une fonction de transfert linéaire uniquement sur une plage limitée du déplacement du noyau. Ceci est spécifié comme la plage linéaire du LVDT.
Pourquoi l'appareil cesse-t-il d'avoir une relation linéaire au-delà de cette plage ?
On peut imaginer que, lorsque le déplacement du noyau depuis la position nulle dépasse une certaine valeur, le flux magnétique qui arrive à se coupler au noyau depuis l'enroulement primaire diminue. Ceci, par conséquent, conduit à une diminution de la tension qui apparaît aux bornes de l'enroulement secondaire correspondant. La distance maximale que le noyau peut parcourir à partir de sa position nulle tout en ayant une fonction de transfert linéaire est appelée déplacement à pleine échelle.
De larges gammes de LVDT sont disponibles, couvrant des plages de déplacement aussi petites que ±100 m à ±25 cm. Les LVDT capables de mesurer des plages plus larges trouvent également une utilisation dans les environnements de laboratoire, industriels et submersibles.
Erreur de linéarité
Le tracé de la sortie LVDT par rapport au déplacement du noyau n'est pas une ligne droite parfaite, même dans la plage linéaire. La sortie peut légèrement s'écarter de la ligne droite construite pour s'adapter au mieux aux données de sortie.
Un mécanisme qui peut conduire à une non-linéarité dans la plage linéaire nominale du dispositif est la saturation du matériau magnétique. Cela peut produire la composante 3e harmonique même lorsque le noyau est à la position zéro. Cette harmonique peut être supprimée en appliquant un filtre passe-bas à la sortie LVDT.
L'écart maximal de la sortie LVDT par rapport à l'ajustement de ligne droite attendu est considéré comme l'erreur de linéarité. L'erreur de linéarité est généralement exprimée en pourcentage +/- de la sortie pleine gamme. Par exemple, le E-100 LVDT de Measurement Specialties, Inc., a une erreur de linéarité maximale de ±0,5 % de la pleine échelle.
Sensibilité
La sensibilité ou le rapport de transfert nous permet de relier la tension de sortie au déplacement du noyau. Pour déterminer la sensibilité, nous alimentons le primaire au niveau d'entraînement recommandé (3 VRMS pour E-100 LVDT) et déplacer le noyau de la position nulle par le déplacement à pleine échelle. Maintenant, nous mesurons les tensions aux bornes des deux enroulements secondaires pour trouver la tension de sortie globale (Vout ). En substituant ces valeurs dans l'équation suivante, nous pouvons trouver la sensibilité LVDT :
\[Sensitivity =\frac{V_{out}}{V_{Primary} \times (Core~Displacement)}\]
La sensibilité est généralement spécifiée en termes de sortie de millivolt par volt d'excitation par millième de pouce de déplacement de noyau (mV/V/mil). Par exemple, la sensibilité du E-100 est de 2,4 mV/V/mil. Ayant la sensibilité, nous pouvons déterminer le gain requis du circuit de conditionnement du signal.
Un LVDT est un transducteur électromécanique qui peut être utilisé pour détecter le déplacement mécanique d'un objet. Une résolution élevée (en théorie infinie), une linéarité élevée (0,5% ou mieux), une sensibilité élevée et une friction mécanique nulle sont quelques-unes des caractéristiques importantes des dispositifs LVDT.
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