ทรานสฟอร์เมอร์ตัวแปรเชิงเส้นแบบผลต่างเชิงอนุพันธ์ LVDT

คำนิยามของ LVDT

คำว่า LVDT ย่อมาจาก Linear Variable Differential Transformer เป็นอุปกรณ์แปลงสัญญาณที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการแปลงการเคลื่อนที่เชิงเส้นเป็นสัญญาณไฟฟ้า

เอาต์พุตที่เกิดขึ้นที่ด้านรองของทรานส์ฟอร์มเมอร์นี้เป็นผลต่าง จึงเรียกว่าแบบนี้ มันเป็นอุปกรณ์แปลงสัญญาณแบบเหนี่ยวนำที่มีความแม่นยำมากกว่าอุปกรณ์แปลงสัญญาณแบบเหนี่ยวนำอื่นๆ

โครงสร้างของ LVDT

คุณสมบัติหลักของการสร้าง

• ทรานส์ฟอร์มเมอร์ประกอบด้วยวงจรหลัก P และวงจรรอง S1 และ S2 ที่พันบนแกนทรงกระบอก (ซึ่งเป็นรูกลวงและมีแกน)

• วงจรรองทั้งสองมีจำนวนรอบเท่ากัน และวางไว้ทั้งสองข้างของวงจรหลัก

• วงจรหลักถูกต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า AC ซึ่งทำให้เกิดฟลักซ์ในช่องว่างอากาศ และแรงดันถูกเหนี่ยวนำในวงจรรอง

• แกนเหล็กนิ่มสามารถเคลื่อนที่ได้ภายในแกนทรงกระบอก และการกระจัดที่ต้องการวัดถูกเชื่อมต่อกับแกนเหล็ก

• แกนเหล็กมักมีความทะลุปรุโปร่งสูง ซึ่งช่วยลดฮาร์โมนิกและการตอบสนองที่สูงของ LVDT

• LVDT ถูกใส่ไว้ภายในเคสสแตนเลส เพื่อให้ได้การป้องกันทางไฟฟ้าสถิตและแม่เหล็กไฟฟ้า

• วงจรรองทั้งสองถูกต่อเชื่อมกันเพื่อให้ได้อาหารออกเป็นผลต่างระหว่างแรงดันของวงจรรองทั้งสอง

หลักการปฏิบัติงานและการทำงาน

เนื่องจากวงจรหลักถูกต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า AC จึงทำให้เกิดกระแสและแรงดันในวงจรรองของ LVDT แรงดันที่วงจรรอง S1 คือ e1 และที่วงจรรอง S2 คือ e2 ดังนั้นเอาต์พุตผลต่างคือ,

สมการนี้อธิบายหลักการปฏิบัติงานของ LVDT.

ตอนนี้มีสามกรณีที่เกิดขึ้นตามตำแหน่งของแกน ซึ่งอธิบายการทำงานของ LVDT ดังนี้,

• กรณีที่ 1 เมื่อแกนอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์ (ไม่มีการกระจัด)
  เมื่อแกนอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์ ฟลักซ์ที่เชื่อมโยงกับวงจรรองทั้งสองจะเท่ากัน ดังนั้นแรงดันเหนี่ยวนำในวงจรรองทั้งสองจะเท่ากัน ดังนั้นสำหรับไม่มีการกระจัด ค่าเอาต์พุต eout จะเป็นศูนย์ เนื่องจาก e1 และ e2 ทั้งสองเท่ากัน ดังนั้นมันแสดงว่าไม่มีการกระจัดเกิดขึ้น

• กรณีที่ 2 เมื่อแกนเคลื่อนไปข้างบนของตำแหน่งศูนย์ (สำหรับการกระจัดข้างบนของจุดอ้างอิง)
  ในกรณีนี้ ฟลักซ์ที่เชื่อมโยงกับวงจรรอง S1 จะมากกว่าฟลักซ์ที่เชื่อมโยงกับ S2 ดังนั้น e1 จะมากกว่า e2 ดังนั้นแรงดันเอาต์พุต eout จะเป็นบวก

• กรณีที่ 3 เมื่อแกนเคลื่อนไปข้างล่างของตำแหน่งศูนย์ (สำหรับการกระจัดข้างล่างของจุดอ้างอิง) ในกรณีนี้ ขนาดของ e2 จะมากกว่า e1 ดังนั้นแรงดันเอาต์พุต eout จะเป็นลบและแสดงผลข้างล่างของจุดอ้างอิง

แรงดันเอาต์พุต VS กับการกระจัดของแกน กราฟเชิงเส้นแสดงว่าแรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นกับการกระจัดของแกน

ประเด็นสำคัญเกี่ยวกับขนาดและเครื่องหมายของแรงดันเหนี่ยวนำใน LVDT

• ปริมาณการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไม่ว่าจะเป็นลบหรือบวกจะเป็นสัดส่วนกับปริมาณการเคลื่อนที่ของแกนและระบุปริมาณการเคลื่อนที่เชิงเส้น

• โดยการสังเกตว่าแรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้นหรือลดลง สามารถกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ได้

• แรงดันเอาต์พุตของ LVDT เป็นฟังก์ชันเชิงเส้นของการกระจัดของแกน

ข้อดีของ LVDT

• ช่วงการวัดสูง – LVDT มีช่วงการวัดสูงสำหรับการวัดการกระจัด สามารถใช้สำหรับการวัดการกระจัดตั้งแต่ 1.25 มม. ถึง 250 มม.

• ไม่มีการสูญเสียจากการเสียดทาน – เนื่องจากแกนเคลื่อนที่ภายในแกนทรงกระบอกที่กลวง จึงไม่มีการสูญเสียการกระจัดจากการเสียดทาน ทำให้ LVDT เป็นอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสูง

• เอาต์พุตสูงและความไวสูง – เอาต์พุตของ LVDT สูงมากจนไม่จำเป็นต้องขยายสัญญาณ อุปกรณ์แปลงสัญญาณมีความไวสูง โดยปกติประมาณ 40V/มม.

• ความหน่วงต่ำ – LVDT มีความหน่วงต่ำและมีความซ้ำซ้อนที่ยอดเยี่ยมภายใต้ทุกสภาพ

• การใช้พลังงานต่ำ – การใช้พลังงานประมาณ 1W ซึ่งน้อยกว่าอุปกรณ์แปลงสัญญาณอื่นๆ

• การแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยตรง – สามารถแปลงการกระจัดเชิงเส้นเป็นแรงดันไฟฟ้า ซึ่งง่ายต่อการประมวลผล

ข้อเสียของ LVDT

• LVDT ไวต่อสนามแม่เหล็กภายนอก ดังนั้นจึงต้องการการตั้งค่าเพื่อป้องกันจากสนามแม่เหล็กภายนอก

• LVDT ได้รับผลกระทบจากแรง