Jste zde

Jak pracují LVDT snímače pro měření pohybu či detekci přiblížení ?

Antonín Vojáček, 29. Prosinec 2011 - 21:09

Detekce přiblížení či měření pohybu pomocí bezdotykových indukčních či magnetických snímačů je celkem běžné. K nim však existuje i alternativa v podobě kontaktního měření prostřednictvím tzv. LVDT snímačů. Co to je i s příklady se dozvíte dále...

Pod zkratkou LVDT se skrývají odolné magnetické snímače pro kontaktní detekci přiblížení či měření malých pohybů libovolných pevných předmětů v řádu jednotek či desítek mm. Využívají přitom změnu magnetického toku / odporu v lineárním proměnném diferenciálním transformátoru. Na první pohled obvykle vypadají jako anténa, protože se skládají z pohyblivé tyčky zasunující / pohybující se uvnitř dutého válce. Ten je tvořen soustavou 3 válcových cívek, přičemž samostatná první cívka tvoří primár a druhé a třetí vinutí jsou zapojeny sériově ve vzájemné protifázi (jejich napětí se mezi sebou odečítají) a vyvedeny jako sekundár. Zde je podobnost s běžným trafem. Proti němu je však zde feromagnetické jádro (kotva) připevněno na zmíněné tyčce nebo je prostě její pevnou součástí a je tedy pohyblivé v rámci zmíněného dutého válce. Primární vynutí, které bývá umístěno v prostoru mezi oběma sekundárními vinutími, je napájeno sinusovým signálem konstantní frekvence a napětí.

Pohyb tyčky, resp. jádra, pak způsobuje změnu magnetického toku a tím i změnu hodnoty indukovaného napětí v obou sekundárních vinutích. Pokud se nachází kotva v prostoru přesně uprostřed mezi vinutími či do nich zasahuje stejnou délkou, jejich indukované napětí je stejně velké a vzájemně se odečítá. Na vinutí sekundáru tak nenaměříme žádné napětí. Pokud díky posuvu tyčky (jejího vytažení nebo zatlačení) se větší část feromagnetického jádra přesune k jednomu či druhému vinutí, objeví se na výstupu rozdílové střídavé napětí stejné frekvence jako na primáru, jehož amplituda odpovídá rozdílu napětí jednoho sekundárního napětí od druhého. Díky tomu je možné zaznamenat nejen pohyb tyčky a tedy blízkost předmětu, ale díky vzájemnému fázovému posuvu dílčích signálů o 180° od sebe elektricky odlišit i obě vinutí a tím identifikovat směr pohybu (tedy zda se předmět přibližuje nebo vzdaluje). Z rychlosti změny amplitudy výstupního napětí pak lze určit i rychlost pohybu detekovaného předmětu.

Řez LDVT snímačem (vlevo) a jeho schématické zapojení (vpravo) a typická lineární převodní charakteristika (vlevo - zde snímače MicroEpsilon)

I když je taková detekce předmětů a pohybu z mechanického hlediska kontaktní, z pohledu elektrického jde kompletně o galvanicky oddělené, tedy bezpečné bezkontaktní měření, kde hlídaný objekt není součástí elektrického obvodu a tedy může být libovolného složení a může mít libovolné elektrické či magnetické vlastnosti. Pouze musí být dostatečně pevný (co nejméně pružný). Tento princip se dále vyznačuje velmi dlouhou životností, vysokou spolehlivostí a teoreticky neomezeným rozlišením, které je pak případně dáno až následnou digitalizací na A/D převodníku a následným digitálním zpracováním, které je dnes nejběžnější.

Ohledně napájení se LVDT snímače obecně rozdělují na:

AC = primární cívka snímače je napájená střídavým sinusovým napětím z externího oscilátoru
DC = snímač je napájeny stejnosměrným napětím a střídavé budící signál pro primár je generován integrovaným oscilátorem

Zatímco výhoda první varianty je díky možnosti vzdáleného oscilátoru velký pracovní rozsah teplot (například až do extrémních 500°C) a možnost obecně odolnějšího provedení pro velmi náročné a namáhavé provozy a prostředí, u DC provedení je zase výhoda jednoduchost použití, kdy stačí snímač připojit jen na standardní stejnosměrný napájecí zdroj. Vnitřní křemíková elektronika však limituje provozní teplotu na max. 100°C.

Z pohledu budící frekvence primární cívky se obvykle volí hodnota z rozsahu 50 Hz až 25 kHz, přičemž typická hodnota je okolo 2 až 5 kHz . Kmitočet by však měl být cca 10x větší než je maximální uvažovaná frekvence pohybu kotvy (měřící tyče).

Funkce LVDT snímače - červený průběh = napájení; modrý a zelený = signál příslušného vinutí; růžový = napětí výstupu sekundáru

Amplituda výstupní napětí LVDT snímače odpovídá rozdílů amplitud napětí indukovaných v obou sekundárních vinutích.
Frekvence je stejná jako u budícího napětí primáru.

Blokové schéma propojení LVDT senzoru s vyhodnocovacím a napájecím kontrolérem, který generuje na výstupu standardní analogový signál úměrný pohybu jádra

Příklad LVDT senzorů pohybu / přiblížení

Výrobou zde nastíněných senzorů se celosvětově zabývá mnoho firem. Například zde lze zmínit výrobky společností Micro-Epsilon a RDP Electronics.

Snímače Micro-Epsilon řady DTA:

měřící rozsah: +/- 1 mm až 10 mm
linearita: 0,3 nebo 0,15% rozsahu
napájení primáru:
- budící frekvence: 5 nebo 2 kHz
- budící napětí: 5V rms
mechanický odpor snímače: 0,95 až 1,23 N
pracovní teplota: -20 až 80°C
teplotní stabilita: 50 ppm/°C
stupeň krytí: IP40 / IP54
rozměry válcového snímač: prům. 10 mm x délka 85 až 167 mm
odkaz na datasheet: www.micro-epsilon.com/download/products/dat--induSENSOR-LVDT-gaging--en.pdf

Snímače RDP Electronics řady ACT:

měřící rozsah: +/- 12,5 mm až 470 mm
linearita: ±0.5/±0.25/±0.1 rozsahu
napájení primáru:
- budící frekvence: 2 nebo 10 kHz
- budící napětí: 0.5 V až 7 V rms
citlivost: 0,7 až 3,6 V/V
pracovní teplota: -50 až 125°C
teplotní stabilita: 0,01%/°C
rozměry válcového snímač: prům. 21 mm x délka 190 až 1760 mm
odkaz na datasheet: www.rdpe.com/uk/act.pdf

Závěr

LVDT senzory jsou vhodné všude tam, kde panují velmi náročné tepelné, tlakové, radiační či jiné podmínky, které neumožňují nasadit senzory s integrovanou elektronikou, nebo v případě detekce / měření materiálu s nevyhovujícími vlastnostmi pro použití indukčních či kapacitních snímačů. Provedení s dosahem až 500 mm pak mohou v některých případech nahradit i optické či ultrazvukové senzory (pevné předměty a například špinavé prostředí). Přinejmenším je to zajímavá a principielně jednoduchá metoda, kterou lze i minimálním použitím dnešní sofistikované elektroniky přesně a spolehlivě měřit. Navíc na stejném principu například pracují i průmyslové detektory kovů, kde funkci pohyblivého feromagnetického jádra „supluje“ případný hledaný nežádoucí kov, který se veze na jedoucím dopravním páse procházející středem vysílací (primární) a přijímací (sekundární) cívky. I když zde někdy mají závity průměr i několika desítek cm a pracují na vysílací (budící) frekvenci i až 500 kHz.

Antonín Vojáček