Présentation
Transformateur différentiel linéaire variable
Les LVDT fournissent des mesures de position fiable pour les applications sous-marines, de production d’énergie, d’automatisation industrielle, d’aérospatiale, pour les tests et mesures, et autres.
Qu’est-ce qu’un LVDT ?
LVDT est un acronyme pour Linear Variable Differential Transformer (transducteur différentiel variable linéaire). Il s’agit d’un transducteur électromécanique ordinaire capable de convertir le mouvement rectiligne d’un objet auquel il est mécaniquement attaché, en un signal électrique correspondant. Les capteurs de position linéaire LVDT sont largement disponibles et peuvent mesurer des mouvements de l’ordre du millionième de pouce jusqu’à plusieurs pouces, mais ils sont également capables de mesurer des positions jusqu’à ±30 pouces (±0,762 mètre). La figure 1 illustre les composants au sein d’un capteur LVDT ordinaire. La structure interne du transducteur comprend un enroulement primaire placé au centre d’une paire d’enroulements secondaires identiques, symétriquement espacés par rapport à l’enroulement primaire. Les bobines sont enroulées autour d’une pièce monobloc creuse en polymère renforcé de verre thermiquement stable, encapsulées pour résister à l’humidité, le tout enveloppé dans un blindage pour une protection magnétique à haute perméabilité, puis placées dans un boîtier cylindrique en acier inoxydable. Cet ensemble de bobines est généralement l’élément stationnaire du capteur de position.
Figure 1 : L’enroulement primaire est illustré au centre du LVDT. Deux bobines secondaires sont enroulées symétriquement de chaque côté de la bobine primaire, comme indiqué pour les LVDT à « course courte » ou au-dessus de la bobine primaire pour les LVDT à « course longue ». Les deux enroulements secondaires sont généralement connectés en « série opposée » (différentiel).
Il s’agit d’un transducteur électromécanique ordinaire capable de convertir le mouvement rectiligne d’un objet auquel il est mécaniquement attaché, en un signal électrique correspondant.
L’élément mobile d’un LVDT est une armature tubulaire indépendante réalisée dans un matériau magnétiquement perméable. C’est ce qu’on appelle le noyau. Il est libre de se déplacer axialement dans l’alésage creux de la bobine et est mécaniquement attaché à l’objet dont la position est mesurée. Cet alésage est généralement assez large pour permettre un jeu radial important entre le noyau et celui-ci, sans contact physique entre le noyau et la bobine. Lors du fonctionnement, l’enroulement primaire du LVDT est alimenté par un courant alternatif d’une amplitude et d’une fréquence appropriées, appelé excitation primaire. Le signal de sortie électrique du LVDT est la tension du courant alternative différentielle entre les deux enroulements secondaires. Cette tension varie en fonction de la position axiale du noyau dans la bobine LVDT. En général, cette tension de sortie en courant alternatif est convertie par un circuit électronique en une tension en courant continu de haut niveau, plus simple à exploiter.
Comment fonctionne un LVDT ?
La figure 2 illustre ce qui se passe lorsque le noyau du LVDT se trouve dans différentes positions axiales. L’enroulement primaire du LVDT, P, est alimenté par une source CA d’amplitude constante. Le flux magnétique ainsi développé est couplé par le noyau aux bobines secondaires adjacents, S1 et S2. Si le noyau est situé à mi-chemin entre S1 et S2, un flux égal est couplé à chaque secondaire, de sorte que les tensions, E1 et E2, respectivement induites dans les bobines S1 et S2, sont égales. Dans cette position de référence à mi-chemin, connue sous le nom de point zéro, la tension différentielle de sortie (E1 - E2) est essentiellement nulle. Comme le montre la figure 2, si le noyau est déplacé davantage vers S1 que vers S2, une plus grande quantité de flux est couplé à S1 alors qu’une quantité moindre est associée à S2, de sorte que la tension induite E1 augmente tandis que E2 diminue, ce qui donne la tension différentielle (E1 - E2). Inversement, si le noyau est plus proche de S2, plus de flux est couplé à S2 et moins à S1, de sorte que E2 augmente à mesure que E1 diminue, ce qui génère la tension différentielle (E2 - E1).
Figure 2 : illustration de ce qui se passe lorsque le noyau du LVDT se trouve dans différentes positions axiales.
La figure 3A montre comment l’amplitude de la tension de sortie différentielle, EOUT, varie en fonction de la position du noyau. La valeur de l’EOUT au déplacement maximal du noyau à partir du point nul dépend de l’amplitude de la tension d’excitation primaire et du facteur de sensibilité du LVDT concerné, mais elle est généralement de plusieurs volts RMS. L’angle de phase de cette tension de sortie CA, EOUT, référencé à la tension d’excitation primaire, reste constant jusqu’à ce que le centre du noyau dépasse le point nul, où l’angle de phase change brusquement de 180 degrés, comme le montre le graphique de la figure 3B. Ce déphasage de 180 degrés peut être utilisé pour déterminer la direction du noyau à partir du point nul au moyen d’un circuit approprié. Ceci est illustré dans la figure 3C, où la polarité du signal de sortie représente la position du noyau par rapport au point nul. La figure montre également que la sortie d’un LVDT est très linéaire sur la plage de mouvement du noyau spécifiée, mais que le capteur peut être utilisé sur une plage étendue avec une certaine réduction de la linéarité de sortie.
Figure 3 : Les caractéristiques de sortie d’un LVDT varient en fonction des différentes positions du noyau. Dans le cas d’une sortie totale, le signal de sortie est important, typiquement de l’ordre d’un volt ou plus, et ne nécessite souvent pas d’amplification. Il est à noter qu’un LVDT continue à fonctionner au-delà de 100 % de la plage de mesure, mais avec une linéarité dégradée.
Électronique de support pour les LVDT
Bien qu’un LVDT soit un transducteur électrique, il nécessite une alimentation en courant alternatif d’une amplitude et d’une fréquence très différentes de celles des lignes électriques ordinaires pour fonctionner correctement (généralement 3 Vrms à 3 kHz). Assurer l’alimentation en courant électrique d’un LVDT est l’une des fonctions de l’électronique de support du LVDT, qui est aussi parfois connue sous le nom d’équipement de conditionnement du signal du LVDT. Parmi les autres fonctions, on retrouve celle qui permet de convertir la faible sortie de tension en courant alternatif du LVDT en signaux en courant continu de haut niveau plus faciles à exploiter, le décodage des informations directionnelles du déphasage de sortie à 180 degrés lorsque le noyau du LVDT se déplace à travers le point nul, et une fonction qui permet d’ajuster électriquement le niveau zéro de la sortie. Une variété de dispositifs électroniques destinés à traiter les signaux LVDT est disponible. Ces dispositifs comprennent des produits utilisables pour les puces et les cartes des applications OEM, ainsi que des modules et des instruments de laboratoire complets pour les utilisateurs.
L’électronique de support peut également être autonome, comme dans le DC-LVDT présenté dans la figure 4. Ces transducteurs de position faciles à utiliser offrent pratiquement tous les avantages du LVDT avec la simplicité d’un fonctionnement en courant continu en entrée et en sortie. Bien évidemment, les LVDT avec électronique intégrée peuvent ne pas convenir à certaines applications ou ne pas être conditionnés de manière appropriée pour certains environnements d’installation.
Pourquoi utiliser un LVDT ?
Fonctionnement sans frottement
L’une des caractéristiques les plus importantes d’un LVDT est son fonctionnement sans frottement. Dans des conditions normales d’utilisation, il n’y a pas de contact mécanique entre le noyau et la bobine du LVDT, il n’y a donc pas de frottement, d’entraînement ou d’autre source de friction. Cette caractéristique est particulièrement utile pour les essais de matériaux, les mesures de déplacement par vibration et les systèmes de mesure dimensionnelle à haute résolution.
Résolution infinie
Étant donné qu’un LVDT fonctionne selon les principes du couplage électromagnétique dans une structure sans frottement, il peut mesurer des changements infiniment petits de la position du noyau. Cette capacité de résolution infinie n’est limitée que par le bruit du conditionneur de signal LVDT et la résolution de l’écran de sortie. Ces mêmes facteurs confèrent au LVDT une répétabilité exceptionnelle.
Durée de vie mécanique illimitée
Comme il n’y a normalement aucun contact entre le noyau du LVDT et la structure de la bobine, aucune pièce ne peut frotter ou s’user. En d’autres termes, un LVDT dispose d’une durée de vie mécanique illimitée. Ce facteur est particulièrement important dans les applications nécessitant une grande fiabilité, telles que les avions, les satellites et les véhicules spatiaux, ainsi que les installations nucléaires. Il est également extrêmement intéressant pour de nombreux systèmes de contrôle des processus industriels et d’automatisation des usines.
Résistant aux dommages causés par les dépassements de course
L’alésage interne de la plupart des LVDT est ouvert aux deux extrémités. En cas de dépassement de course imprévu, le noyau peut passer complètement à travers l’ensemble de la bobine du capteur sans causer de dommages. La capacité du LVDT à résister à une surcharge d’entrée de position en fait un capteur approprié pour des applications telles que les extensomètres qui sont fixés aux échantillons de test de traction dans les machines d’essais statiques de matériaux.
Sensibilité sur un seul axe
Un LVDT réagit au mouvement du noyau le long de l’axe de la bobine, mais est généralement insensible au mouvement transversal du noyau ou à sa position radiale. Ainsi, un LVDT peut généralement fonctionner sans effet indésirable dans les applications impliquant des éléments mobiles désalignés ou flottants, et dans les cas où le noyau ne se déplace pas avec précision en ligne droite.
Bobine et noyau séparables
Étant donné que la seule interaction entre le noyau et la bobine d’un LVDT est le couplage magnétique, il est possible d’isoler la bobine du noyau en insérant un tube non magnétique entre le noyau et l’alésage. De cette manière, un fluide sous pression peut être contenu dans le tube, dans lequel le noyau est libre de se mouvoir, tandis que l’ensemble de la bobine n’est pas sous pression. Cette fonction est souvent présente dans les LVDT utilisés pour le retour de position de la bobine dans les vannes proportionnelles et/ou les servovannes hydrauliques.
Résistant à l’environnement
Les matériaux et les techniques de construction utilisés dans l’assemblage d’un LVDT permettent d’obtenir un capteur robuste et durable, résistant à diverses conditions environnementales. Le collage des enroulements est suivi d’un enrobage en époxy dans le boîtier, ce qui permet d’obtenir une résistance supérieure à l’humidité, ainsi qu’une capacité à supporter des chocs importants et des niveaux de vibration élevés sur tous les axes. De plus, la protection magnétique interne à haute perméabilité minimise les effets des champs CA externes. Le boîtier et le noyau sont tous deux constitués de métaux résistants à la corrosion, et le boîtier agit également comme un blindage magnétique supplémentaire. De plus, pour les applications où le capteur doit résister à une exposition à des vapeurs et liquides inflammables ou corrosifs, ou fonctionner dans un fluide sous pression, le boîtier et la bobine peuvent être hermétiquement scellés à l’aide d’une variété de procédés de soudage. Les LVDT ordinaires peuvent fonctionner sur une très large plage de températures, mais, si nécessaire, ils peuvent être fabriqués pour fonctionner à des températures cryogéniques ou, en utilisant des matériaux spéciaux, fonctionner à des températures élevées et aux niveaux de radiation que l’on trouve dans de nombreux réacteurs nucléaires.
Répétabilité du point neutre
L’emplacement du point neutre intrinsèque d’un LVDT est extrêmement stable et facilement répétable, même sur une très large plage de températures de fonctionnement. Le LVDT est donc un excellent capteur de position neutre pour les systèmes de contrôle en boucle fermée et les instruments d’équilibrage à servocommande de haute performance.
Réponse dynamique rapide
L’absence de frottement lors d’un fonctionnement ordinaire permet à un LVDT de réagir très rapidement aux changements de position du noyau. La réponse dynamique d’un capteur LVDT lui-même n’est limitée que par les effets d’inertie de la faible masse du noyau. Le plus souvent, la réponse d’un système de détection LVDT est déterminée par les caractéristiques du conditionneur de signal.
Sortie absolue
Un LVDT est un dispositif avec une sortie absolue, par opposition à un dispositif avec une sortie incrémentielle. Cela signifie qu’en cas de perte de puissance, les données de position envoyées par le LVDT ne seront pas perdues. Lorsque le système de mesure est redémarré, la valeur de sortie du LVDT sera la même qu’avant la panne de courant.
