تعریف سنسور موقعیت القایی

سنسور موقعیت القایی:
سنسورهای موقعیت نوع القایی، نوعی دیگر از سنسورهای موقعیت هستند.

ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی:
نوعی از سنسور موقعیت که فاقد مشکل خوردگی مکانیکی و در نتیجه نویز و اصطکاک بالا است، ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی (Linear Variable Differential Transformer) و یا به اختصار LVDT است.

این ادوات در واقع سنسورهای موقعیت نوع القایی هستند که اصول کاری بسیار شبیه به ترانسفورمرهای جریان متناوب یا AC دارند و برای اندازه گیری موقعیت مورد استفاده قرار می گیرند.

این نوع از سنسورهای موقعیت دارای عملکرد بسیار دقیقی برای اندازه گیری جابه جایی خطی هستند. خروجی سنسورهای LVDT با موقعیت هسته متحرک در آن ها متناسب است.

ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی از سه سیم پیچ در یک قالب لوله ای توخالی تشکیل شده است.

یکی از سیم پیچ ها، سیم پیچ اولیه نام دارد و دو سیم پیچ دیگر نیز سیم پیچ های ثانویه مشابهی را تشکیل می دهند که با هم سری هستند و 180 درجه الکتریکی با سیم پیچ اولیه اختلاف فاز دارند.

یک هسته فرومغناطیس آهنی نرم که گاهی آرمیچر نیز گفته می شود، به شی مورد اندازه گیری متصل می شود و درون لوله توخالی LVDT به سمت بالا و پایین می لغزد یا حرکت می کند.

یک ولتاژ مرجع AC کوچک که سیگنال تحریک نام دارد، به سیم پیچ اولیه اعمال می شود. سیگنال ولتاژ مقداری در حدود 2 تا 20 ولت rms و فرکانس 2 تا 20 هرتز دارد. اعمال سیگنال تحریک باعث می شود یک سیگنال EMF در دو سیم پیچ ثانویه مجاور القا شود.

اگر هسته مغناطیس از جنس آهن نرم، دقیقا در وسط لوله توخالی LVDT قرار داشته باشد، آن گاه EMF های القایی در دو سیم پیچ ثانویه همدیگر را خنثی می کنند؛ زیرا این دو مقدار با یکدیگر 180 درجه اختلاف فاز دارند.

بنابراین، ولتاژ حاصل در خروجی برابر با صفر ولت می شود. این نقطه را موقعیت خنثی (Null Position) یا صفر ترانسفورمر می گویند.

در اثر حرکت هسته آهنی از نقطه خنثی به دو سمت دیگر در لوله خالی، ولتاژ القایی تولید شده در یکی از دو سیم پیچ ثانویه بزرگ تر از ولتاژ القایی در سیم پیچ ثانویه دیگر خواهد شد و در نتیجه ولتاژ در خروجی ایجاد می شود.

پلاریته سیگنال ولتاژ خروجی به جهت و نیز جابه جایی هسته متحرک بستگی دارد. هر چه مقدار جابه جایی هسته آهنی از نقطه صفر خنثی بزرگ تر باشد، سیگنال ولتاژ بزرگ تری در خروجی تولید می شود.

در نتیجه این مدار قادر است یک ولتاژ تفاضلی در خروجی تولید کند که به صورت خطی با موقعیت هسته تغییر می کند. سیگنال خروجی از این نوع سنسور موقعیت دارای هم دامنه و هم پلاریته است.

همان طور که گفتیم، دامنه این سیگنال یک تابع خطی از جابه جایی هسته در سنسور حرکتی است، اما پلاریته سیگنال نشان دهنده جهت جابه جایی در نظر گرفته می شود. در تصویر زیر نمایی از ساختار داخلی یک ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی به همراه خروجی آن را می توان مشاهده کرد.

فاز سیگنال خروجی را می توان با فاز تحریک سیم پیچ اولیه مقایسه کرد و یک مدار الکترونیکی مناسب مانند تقویت کننده سنسور AD592 LVDT را فراهم آورد و با این روش تشخیص داد که هسته آهنی در کدام نیمه از مسیر حرکت قرار دارد. مزیت چنین مداری در این است که جهت حرکت به سادگی به دست می آید.

زمانی که آرمیچر از یک سمت لوله به موقعیت خنثی و سپس به سمت دیگر حرکت می کند، ولتاژ ابتدا از بیشینه به صفر می رود و سپس دوباره به مقدار بیشینه باز می گردد، اما در طول این فرایند فاز خود را نیز 180 درجه عوض می کند.

این ویژگی، LVDT را قادر می سازد که یک سیگنال ولتاژ AC در خروجی تولید کند که دامنه این ولتاژ مقدار جابه جایی را نشان می دهد و زاویه فاز آن هم نشان دهنده جهت حرکت شی متصل به سنسور است.

یک کاربرد متداول سنسور ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی به عنوان ترانسدیوسر فشار است. در یک ترانسدیوسر فشار، فشار مورد اندازه گیری به یک دیافراگم وارد می شود تا نیرویی را تولید کند. سپس این نیرو توسط سنسور به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می شود که قابل خوانده شدن است.

مزایای سنسور ترانسفورمر تفاضلی متغیر خطی یا LVDT نسبت به پتانسیومترهای مقاومتی، در خطی بودن عملکرد LVDT است.

به همین دلیل است که ولتاژ خروجی در اثر جابه جایی دارای دقت، رزولوشن و حساسیت بالایی است و عملکرد سنسور تقریبا بدون اصطکاک است. از این سنسورها همچنین می توان در محیط های سخت نیز استفاده کرد.