Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Факультет авиационных и космических систем

Кафедра информационно-измерительной техники

Лабораторная работа №5

Линейные дифференциальные трансформаторы

Выполнила:

студентка |||–го курса

ФАКС, гр. ВВ-72

Черненко И. А.

Проверила:

Сикоза Е. Н.

Киев

2009

Цель работы: изучение принципа действия, устройства, основных характеристик и

схем включений линейных дифференциальных трансформаторов

ЛДТ.

Приборы и принадлежности:

• генератор гармонических колебаний;

• осциллографический индикатор;

• вольтметр;

• датчик перемещений;

• преобразователь (схема включения).

1. Краткие теоретические сведенья

Линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ) – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный смещению отдельного сердечника.

Дифференциальный трансформатор состоит из первичной и двух вторичных обмоток, расположенных симметрично относительно первичной; первичную обмотку питает синусоидальная э.д.с. . Перемещение ферромагнитного сердечника изменяет связь первичной обмотки с каждой из вторичных. Вторичные обмотки соединены дифференциально таким образом, чтобы получалась разность э.д.с., которые в каждой из них возникают вследствие взаимной индукции с первичной обмоткой. Упрощенная электрическая схема, в которой опущены паразитная индуктивность и паразитные емкости (между витками обмотки и между обмотками) представлена на рис.1.1(в).

рис.1.1 Дифференциальный трансформатор.

а- для прямолинейных перемещений; б – для угловых перемещений; в – упрощенная эквивалентная электрическая схема. 1 – сердечник; 2 – тяга; 3 – вторичная обмотка 1; 4 – первичная обмотка; 5 – вторичная обмотка 2; 6 – каркас.

Уравнения для первичной и вторичных обмоток имеют вид соответственно:

,

.

Они позволяют определить, в зависимости от , напряжение на клеммах измерительного прибора, подключенного к вторичной обмотке:

.

Здесь и .

В принципе, напряжение должно обращаться в нуль, когда сердечник находиться в среднем положении, одинаковом для обеих вторичных обмоток: это начальное положение , где .

На практике чаще всего напряжение достигает минимума, не обращаясь в нуль этому есть две причины:

1. гармоники, возникающие из-за нелинейности кривой намагничивания сердечника;

2. емкостная связь между первичной и вторичными обмотками.

Вклад гармоник можно уменьшить, если не воздействовать на сердечник значительными индуктивными потоками.

Емкостная связь порождает напряжение, которое соотносится квадратичным образом с напряжением, возникающим от перемещения сердечника; его можно свести к минимуму тщательно выполненным заземлением. Хороший результат дает симметричное питание первичной обмотки (если это возможно) относительно массы, с которой соединена вторичная обмотка.

Использование повышенного сопротивления

позволяет получить линейную зависимость от

при отсутствии зависимости от величины :

.

Дифференциальное включение катушек с противоположным изменением коэффициентов взаимной индукции обеспечивает хорошую компенсацию нелинейности вблизи x = 0; в самом деле, если имеем

то

и .

Таким образом, напряжение на выходе изменяется линейно по обе стороны от начального положения x = 0.

Первичная обмотка ЛДТ обычно возбуждается синусоидальным напряжением от 3 до 15 В (действующее значение) с частотой от 60 до 20 000 Гц. Во вторичных обмотках индуцируется синусоидальное напряжение с той же частотой, но амплитудой, зависящей от положения сердечника. Сдвиг сердечника из нулевой позиции вызывает увеличение взаимной индуктивности (с первичной обмоткой) для одной вторичной обмотки и ее уменьшение – для другой. Поэтому амплитуда выходного сигнала ЛДТ становится функцией положения сердечника; это линейная функция в довольно большом диапазоне смещений сердечника в обе стороны от нулевой позиции. Как правило, выходной сигнал сдвинут по фазе относительно сигнала возбуждения. Однако величина этого фазового сдвига изменяется с частотой, и для каждого дифференциального трансформатора существует характерная частота, на которой фазовый сдвиг равен нулю. Но частота возбуждающего сигнала обычно фиксирована, так что в большинстве случаев сигналы V и v сдвинуты по фазе, как показано на рис.1.2 (б).

Рисунок 1.2 (б)

рис.2.Величина и временные диаграммы выходного сигнала ЛДТ. а – зависимость величины выходного сигнала ЛДТ от смещения сердечника, б – временные диаграммы выходного сигнала при различных положениях сердечника.

Выходной сигнал ЛДТ представляет собой сравнительно высокочастотный гармонический сигнал, частота которого равна частоте возбуждающего сигнала, а амплитуда модулируется низкочастотным перемещением сердечника.

Метрологические характеристики.

Из предыдущего выражения находим чувствительность:

, где

- амплитуда .

Для низких частот возбуждения имеем:

.

В этом случае чувствительность пропорциональна частоте напряжения в первичной обмотке: на нее могут оказывать влияние температурные изменения R_1. Однако они могут неплохо компенсироваться либо последовательно соединенным сопротивлением r’₁, температурные изменения которого противоположны изменениям R₁ , либо питанием первичной обмотки от источника тока.

Для высоких частот возбуждения справедливо выражение

,

улучшающие линейность и увеличивающие диапазон измерения.

В этом случае чувствительность не зависит от частоты напряжения питания, и влияние температуры значительно меньше; в самом деле, зависимость чувствительности от частоты после прохождения максимума убывает вследствие влияния паразитных емкостей.

Чувствительность пропорциональна амплитуде напряжения в первичной обмотке, но нагрев и насыщение сердечника не позволяют увеличивать Е₁ выше предела, указанного конструктором.

В случае, когда первичная обмотка заключена между двумя вторичными (рис.2), возникают два неудобства:

— неоднородность магнитного поля вдоль оси на концах первичной обмотки, вызывающая уменьшение линейности;

— ограниченность диапазона измерения перемещением сердечника от центрального положения до выхода из одной либо другой вторичной обмотки; вследствие такой конструкции отношение диапазона измерений к совокупной длине обмоток не превышает 0,3.

Эти неудобства можно значительно уменьшить с помощью устройства, представленного на (рис.1.3). Здесь все три обмотки имеют одну и ту же длину и намотаны одна поверх другой; первичная обмотка однородна, а у вторичных обмоток число витков на единицу длины линейно возрастает от одного конца к другому в противоположных направлениях; отношение диапазона измерений к длине датчика для такого устройства близко к 0,8.

Рисунок 1.3 Форма и расположение обмоток.

Порядок величин параметров для такого дифференциального трансформатора следующий: линейные перемещения — от 1 до 500 мм; угловые перемещения 45°; чувствительность от 1 до 500 мВ на 1 В и на 1 мм—для линейных перемещений, от 1 до 10 мВ на 1 В и на 1°—для угловых перемещений; отклонение от линейности - от 0,05 до 1% диапазона измерения(Д.И.); порог чувствительности — от 0,0024 до 0,05% Д.И.; погрешность из-за гистерезиса 0,002% Д.И. Параметры взаимозависимости с измеряемой величиной определяются подвижной массой от 0,5 до нескольких десятков грамм; напряжение питания—от 1 до 50 В; частота питания—.от 50 до 25000 гц.

Важно отметить, что можно сконструировать дифференциальный трансформатор для использования в чрезвычайно жестких условиях: при высоких (600 ⁰С) или низких (—250⁰С) температурах, высоком давлении (200бар), повышенной радиоактивности, в коррозионной среде.

Особенности ЛДТ.

ЛДТ имеет ряд характеристик, которые делают его исключительно полезным устройством для самых разнообразных применений. Одна из уникальных особенностей ЛДТ заключается в том, что это - электрический трансформатор с подвижным сердечником, изолированным от обмоток.

Отсутствие трения при измерениях. Между движущимися сердечником и обмотками отсутствует какой-либо физический контакт. Этот факт позволяет использовать ЛДТ для проведения тех измерений, где недопустимы нагрузки, обусловленные трением (измерения динамических отклонений и колебаний эластичных материалов).

Неограниченный срок службы. Отсутствие контакта и трения между сердечником и обмотками означает отсутствие какого-либо механического износа ЛДТ. Эта характеристика особенно важна для таких измерений, как тестирование материалов на усталость.

Высокая разрешающая способность. Отсутствие трения в сочетании с индукционным принципом работы, при котором реализуется линейная связь между взаимной индуктивностью сердечника и двух обмоток и смещением сердечника, позволяет ЛДТ выдавать выходной сигнал даже при самых незначительных перемещениях сердечника. Таким образом, при использовании ЛДТ ограничения на разрешение связаны только с внешними, считывающими этот сигнал устройствами.

Стабильность нуля. Присущая ЛДТ симметрия конструкции обеспечивает отсутствие дрейфа нулевой позиции (дрейфа нуля). Отсутствие деформации исключает наличие механического гистерезиса. Таким образом, ЛДТ – отличный индикатор нуля для высокочувствительных ( с большим усилением) систем контроля с обратной связью.

Полная развязка входа и выхода. Первичная обмотка возбуждения и вторичные выходные обмотки полностью изолированы друг от друга. Это позволяет использовать ЛДТ в качестве эффективного аналогового вычислительного элемента без каких-либо буферных усилителей

Одна из основных схем включения ЛДТ приведена на рис.1.4

Рисунок 1.4

Kтр – коэффициент трансформации.Его величина связанна с линейным перемещением