Le transformateur différentiel variable linéaire est un transducteur de position très précis et sans frottement utilisé pour mesurer le déplacement linéaire d’un objet, avec une tension de sortie proportionnelle à la position de son noyau mobile.
Transformateur Différentiel Variable Linéaire (LVDT)
Un transformateur différentiel variable linéaire, ou LVDT pour faire court, est un transducteur de position électromécanique (capteur) qui fournit des informations de retour de position précises et sans frottement sur la position mécanique linéaire d’une force ou d’un objet externe.
Comme son nom l’indique, le transformateur différentiel variable linéaire fonctionne selon le même principe que le transformateur AC, mais au lieu de fournir un courant de charge ou une haute tension, il utilise les principes fondamentaux du transformateur de couplage magnétique pour mesurer le mouvement linéaire.
Dans notre tutoriel sur le couplage magnétique, nous avons vu que lorsque deux ou plusieurs bobines solénoïdes longues sont enroulées ensemble sur le même ancien ou noyau, le flux magnétique produit par l’une de ces bobines se couple avec les autres, le flux magnétique produit par la bobine d’entraînement aidant ou s’opposant au flux produit par les autres bobines.
Ainsi, tout courant alternatif circulant dans une bobine induira une tension dans les autres bobines couplées magnétiquement, et c’est le principe de base du LVDT.
Le LVDT est donc un transducteur inductif passif qui nécessite une source d’alimentation externe pour fonctionner. Il utilise des bobines et un champ magnétique alternatif pour produire une tension de sortie analogique, ce qui en fait un transducteur inductif variable. Ainsi, le “transformateur différentiel variable linéaire” mesure la distance le long d’un axe linéaire.
Un Capteur de Transformateur Différentiel Variable Linéaire Typique
Le LVDT est constitué de trois bobines individuelles enroulées successivement autour d’un tube creux et isolé, non magnétique. Une bobine de fil magnétique est classée comme la bobine primaire et les autres bobines constituent deux secondaires identiques.
Les deux bobines secondaires sont connectées ensemble dans une configuration d’opposition en série, c’est-à-dire qu’elles sont électriquement déphasées de 180o l’une par rapport à l’autre. D’où la partie Différentielle de son nom.
La bobine primaire unique située au centre du LVDT est alimentée par une source de forme d’onde sinusoïdale AC constante ayant une fréquence variant d’environ 1 kHz à 10 kHz. Le flux magnétique produit par le enroulement primaire est couplé à un ou aux deux des deux bobines secondaires placées de chaque côté.
Cette configuration produit une tension de sortie différentielle proportionnelle au déplacement du noyau, lui donnant ainsi le nom additionnel de “capteur de déplacement”. Par conséquent, le transformateur différentiel variable linéaire se compose d’une bobine d’excitation primaire et de deux bobines secondaires connectées en “série opposants” (Différentielle).
Un noyau ferromagnétique doux, appelé “noyau”, “mandrin”, “piston” ou “armature”, peut se déplacer librement en ligne droite à l’intérieur d’un tube central creux, en réponse directe au déplacement de l’objet connecté. Cela a pour effet d’augmenter ou de diminuer le couplage magnétique entre la bobine primaire et les bobines secondaires.
En raison du couplage magnétique des bobines, le mouvement du noyau augmente ou diminue la tension induite dans chaque bobine secondaire. Produisant un appareil très précis pour mesurer le déplacement linéaire, dont la sortie est proportionnelle à la position de son noyau mobile. D’où la partie Variable Linéaire de son nom.
Transformateur Différentiel Variable Linéaire
L’image ci-dessus montre le principe généralisé du LVDT. Lorsque le noyau ferromagnétique doux mobile est positionné au centre des deux bobines secondaires, en “position nulle”, la quantité de flux magnétique primaire induite dans chacune des deux bobines secondaires est exactement la même.
Comme les deux bobines secondaires sont enroulées en opposition de phase de 180o l’une par rapport à l’autre, les deux tensions induites dans les deux enroulements secondaires s’annulent mutuellement lorsque VSEC1 = VSEC2, donc la tension de sortie secondaire résultante est nulle (VOUT = 0). Ainsi, zéro volt signifie que le noyau est entièrement centré dans sa position nulle.
Lorsque le noyau est légèrement déplacé d’un côté ou de l’autre de cette position nulle, une quantité plus importante de flux magnétique sera induite dans l’une des bobines secondaires par rapport à l’autre en raison de l’effet de couplage du noyau ferromagnétique.
Cela provoque un déséquilibre entre les deux bobines secondaires, car la tension induite dans la bobine secondaire la plus éloignée du noyau devient plus faible, tandis que la tension induite dans la bobine secondaire la plus proche du noyau devient plus grande.
Ce déséquilibre magnétique entre les deux enroulements secondaires est ce qui produit une tension de sortie (VOUT) relative à la fréquence sinusoïdale de la tension de crête appliquée à l’enroulement de la bobine d’excitation primaire.
Il devient alors évident que la tension différentielle entre les deux sorties secondaires, VSEC1 – VSEC2 dans une direction et VSEC2 – VSEC1 dans l’autre direction, sera une tension efficace (RMS) multipliée par le cosinus du décalage de phase. Ainsi, plus le déplacement du noyau mobile depuis sa position nulle centrale jusqu’à une extrémité ou l’autre (sa longueur de course) sera grand, plus la tension de sortie résultante sera importante.
La polarité et l’amplitude du signal de sortie dépendent de la direction et de la quantité de déplacement du noyau mobile, qui lui-même est déterminé par le mouvement de l’objet connecté. Ce déplacement se traduit par une tension de sortie différentielle qui varie linéairement avec la position des noyaux.
Ensuite, la tension de sortie efficace de ce type de capteur de position possède à la fois une “amplitude” qui est une fonction linéaire du déplacement des noyaux, ainsi qu’une “polarité” qui indique la direction du mouvement, comme montré.
Tension de Sortie du LVDT
Nous pouvons voir sur le graphique position-par rapport à la tension ci-dessus que lorsque le noyau se déplace d’une extrémité à l’autre de sa plage en passant par la position centrale, un couplage magnétique plus important entre le primaire et l’une des deux bobines secondaires se produit. Les tensions de sortie changent de maximum à zéro et puis de maximum à nouveau dans la direction opposée par un montant qui est lié à la distance à laquelle le noyau a été déplacé par rapport à son point zéro.
Cela permet au LVDT de produire un signal de sortie AC dont l’amplitude représente la quantité de mouvement depuis la position centrale “nulle” et dont l’angle de phase représente la direction du mouvement du noyau mobile.
Connecter un objet au noyau permet au transducteur du transformateur différentiel variable linéaire de fournir des informations assez précises sur la position de l’objet. La plage ou la course peut aller de quelques millimètres à plusieurs centaines de millimètres, car leur sortie est calibrée pour produire une tension spécifique par millimètre, par exemple, 20 ou 200 mV/mm.
Cela signifie qu’un déplacement de noyau d’un millimètre produirait une sortie de tension de 200 mV. Si l’angle de phase de la tension de sortie (0o ou 180o) est comparé à celui de la tension d’excitation de la bobine primaire (0o), il est possible de savoir de quelle moitié de la bobine secondaire le noyau est situé et donc connaître la direction de déplacement.
Un transformateur différentiel variable présente de nombreux avantages et utilisations pour la mesure de position par rapport aux transducteurs basés sur potentiomètres résistifs. Les LVDT ont une très bonne linéarité, c’est-à-dire que leur tension de sortie par rapport au déplacement est excellente, avec une très bonne précision, une bonne résolution, une haute sensibilité ainsi qu’un fonctionnement sans frottement en raison du fait qu’il n’y a pas de connexion mécanique entre les bobines et le noyau, donc pas de frottement et pas de pièces à s’user.
De plus, la partie Transformateur de son nom signifie qu’il existe une isolation électrique entre les enroulements primaire et secondaire, permettant une plus grande connectivité électrique.
Comme la seule interaction entre les enroulements primaire et secondaire d’un LVDT et son noyau est un couplage magnétique, les enroulements primaire et secondaire du LVDT sont généralement scellés dans une encapsulation en époxy avec l’ensemble du capteur étant enfermé dans un boîtier en métal, ce qui permet une utilisation sûre dans une grande variété de conditions environnementales humides ou difficiles.
Les utilisations typiques du transformateur différentiel variable linéaire sont principalement dans des applications industrielles en tant que transducteur de pression, où la pression mesurée pousse contre un diaphragme pour produire un mouvement linéaire qui est converti en signal de voltage par le LVDT, ou dans des têtes de mesure robotiques utilisées dans des outils d’inspection et des jauges où le noyau interne du LVDT est à ressort, lui permettant de revenir à un point de référence prédéfini.
Les transformateurs différentiels variables linéaires ont également de nombreuses applications et utilisations en tant que capteurs de position nulle dans des systèmes de contrôle servo ou en boucle fermée où la répétabilité du point nul est requise.
Exemple de LVDT No1
Un transformateur différentiel variable linéaire a une longueur de course de ±150 mm et produit une résolution de 40 mV/mm lorsqu’il est déplacé. Déterminez :
a) La tension de sortie maximale du LVDT.
b) La tension de sortie lorsque le noyau est déplacé de 120 mm de sa position nulle.
c) La position du noyau par rapport au centre lorsque la tension de sortie est de 3,75 volts.
d) Le changement de tension de sortie lorsque le noyau est déplacé de +80 mm à -80 mm.
Donc :
a). La tension de sortie maximale, VOUT
Si 1 mm de mouvement produit 40 mV, alors 150 mm de mouvement produisent :
VOUT = 40mV x 150mm = 0.04 x 150 = ±6 Volts
b). VOUT avec un déplacement de noyau de 120 mm
Si un déplacement de noyau de 150 mm produit une sortie de 6 volts, alors un déplacement de 120 mm produit :
c). Position du noyau lorsque VOUT = 3.75 volts
d). Changement de tension de +80 mm à -80 mm de déplacement
Ainsi, la tension de sortie passe de +3,2 volts à -3,2 volts lorsque le déplacement du noyau passe de +80 mm à -80 mm respectivement.
Les transducteurs de déplacement se déclinent en de nombreuses longueurs et tailles pour mesurer quelques millimètres à ceux capables de mesurer de longs coups. Mais tandis que les LVDT peuvent mesurer des mouvements linéaires en ligne droite, il existe une variation du LVDT qui peut mesurer le mouvement angulaire appelé transformateur différentiel variable rotatif ou RVDT.
Transformateur Différentiel Variable Rotatif
Les transducteurs basés sur potentiomètres sont faciles et simples à utiliser, mais les potentiomètres résistifs souffrent de l’usure mécanique due au contact entre le balai glissant et sa piste résistive ainsi que de la production de bruit électrique lorsque le balai glisse et rebondit sur la piste résistive. Les transformateurs différentiels rotatifs fonctionnent selon le même principe de base que le précédent LVDT, sauf qu’un noyau ferromagnétique rotatif est utilisé.
Le noyau des transformateurs n’est pas droit, mais forme une partie d’un cercle (identique à celle des transformateurs toroidaux), ce qui permet au capteur de mesurer le déplacement angulaire de l’objet attaché. Le noyau ferromagnétique mobile de l’RVDT se couple avec les bobines secondaires en fonction de sa position angulaire, permettant ainsi la mesure du déplacement angulaire.
Le fonctionnement électrique d’un RVDT est exactement le même que celui de la version linéaire, basé sur l’altération du couplage d’inductance mutuelle entre les bobines primaire et secondaire. La bobine primaire est toujours alimentée par un courant d’excitation AC (typiquement dans la plage des kilo-hertz, kHz), ce qui induit un courant AC dans chacune des bobines secondaires en opposition de phase. Le noyau ferromagnétique mobile tourne au lieu de glisser à l’intérieur du corps.
Un des principaux inconvénients du transformateur différentiel variable rotatif est qu’il ne peut fonctionner que sur une plage relativement étroite de rotation angulaire. Bien qu’en théorie, ils soient capables de rotation continue et de mesure de vitesse, la sortie des RVDT n’est véritablement linéaire que sur une plage d’environ ±60o ou moins par rapport à leur position nulle (0o).
Cela est principalement dû aux limitations du couplage magnétique, car au-delà de cela, le signal de sortie commence à devenir non linéaire et moins utile. De plus, leur sensibilité est bien inférieure à celle de leurs homologues linéaires, produisant environ 2 à 5 mV par degré de rotation.
Résumé du Transformateur Différentiel Variable Linéaire
Nous avons vu dans ce tutoriel sur le transformateur différentiel variable linéaire que le LVDT est un capteur de position utilisé pour mesurer de petits déplacements linéaires (en ligne droite) allant de quelques millimètres à plusieurs centaines de millimètres. Le LVDT n’a pas de contact mécanique direct ou de pièces mobiles sujettes à l’usure, ce qui le rend pratiquement sans frottement, offrant de meilleures performances électriques et une durée de vie comparée aux capteurs de déplacement de type potentiomètre linéaire résistif.
Le LVDT se compose d’un transformateur avec un seul enroulement primaire et deux enroulements secondaires qui sont électriquement en opposition de phase l’un par rapport à l’autre de 180o. Le LVDT comporte également un noyau mobile. Lorsque le noyau est à sa position centrale, les tensions induites dans les deux enroulements secondaires sont égales et opposées, donnant un signal de sortie nul.
Au fur et à mesure que le noyau s’éloigne de sa position centrale, la tension induite dans une moitié de l’enroulement secondaire sera supérieure à l’autre, donnant un signal dont l’amplitude est proportionnelle à la quantité de déplacement linéaire et dont la phase représente la direction de déplacement.
Ainsi, le LVDT produit une sortie de tension différentielle qui varie linéairement avec la position des noyaux, l’angle de phase de la tension de sortie changeant de 180o lorsque le noyau est déplacé d’un côté de la position nulle à l’autre.
Si le déplacement mesuré du noyau interne d’un LVDT est modifié d’un mouvement linéaire à un mouvement rotatif ou angulaire, alors l’appareil devient un transformateur différentiel variable rotatif (RVDT). Cependant, le signal de sortie d’un RVDT est véritablement linéaire sur une plage relativement petite de rotation angulaire et n’est pas adapté à la mesure d’une rotation complète de 360o.
