Principes de fonctionnement des capteurs LVDT

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Capteurs inductifs (LVDT)

En tant que spécialiste de la mesure de distance et de position, Sensel Measurement souhaite vous informer sur les possibilités et les avantages de ses capteurs inductifs (LVDT). Cette présentation vise à vous guider dans le choix du capteur le plus adapté à votre application spécifique. Nous mettons également à votre disposition une analyse approfondie des principes de fonctionnement et des caractéristiques techniques de ces capteurs, afin d’optimiser leur intégration et leur utilisation dans vos processus.

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Série SM

Série SL

Série SL-T

Série SM-HYD

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Principe de fonctionnement

Un LVDT (Linear Variable Differential Transformer – transformateur différentiel linéaire variable) est un capteur analogique de haute précision conçu pour mesurer des déplacements linéaires. Il repose sur un système de bobinage composé d’un enroulement primaire et de deux enroulements secondaires, permettant la conversion du déplacement mécanique en un signal électrique.

Le fonctionnement du capteur est assuré par une électronique spécifique, souvent appelée amplificateur de mesure à fréquence porteuse, qui alimente l’enroulement primaire en courant alternatif. Un noyau ferromagnétique, généralement solidaire de l’élément dont on souhaite mesurer le déplacement, se déplace librement à l’intérieur des bobines cylindriques. Ce déplacement induit une tension dans les enroulements secondaires (Usec), proportionnelle à la position du noyau.

Lorsque le noyau est en position centrale, les tensions induites dans les deux bobines secondaires sont identiques, résultant en une sortie équilibrée. En revanche, un déplacement du noyau entraîne une variation opposée des tensions secondaires : l’une augmente tandis que l’autre diminue. Cette différence de potentiel permet de déterminer avec précision l’amplitude et la direction du déplacement.

Le rapport de ces tensions est analysé différentiellement par l'électronique et est généralement converti en un signal de sortie standard (0...10 V, 4...20 mA, etc.). Les capteurs LVDT ont une excellente linéarité dans la plage de mesure spécifiée. Il est souvent possible d'augmenter la plage de mesure si un écart de linéarité plus important est autorisé.

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Structure des LVDT

Le noyau ferromagnétique est muni d'un filetage intérieur sur lequel est monté un "prolongement de noyau" en matériau anti-magnétique. Généralement, la tige de poussée est fixée à l'objet en mouvement et fonctionne sans toucher le capteur. En alternative, un LVDT peut également être équipé d'une tige de poussée guidée par des paliers lisses.

Le modèle le plus populaire est un mécanisme à ressort comme un indicateur de sonde. Ce type de capteur est particulièrement adapté aux mesures qui ne permettent pas d'effectuer des modifications sur l'objet ciblé (par ex. des filetages). L'enveloppe extérieure, en acier inoxydable de haute qualité ou en acier chromé, fait également office de blindage magnétique et protège contre les interférences extérieures. De plus, le système de bobines peut être enveloppé dans une feuille de blindage spéciale.

Les configurations de bobinage des enroulements primaires et secondaires peuvent être adaptées en fonction des exigences spécifiques de l’application. La figure ci-dessous illustre un bobinage en couches sur une bobine allongée, optimisé pour garantir une excellente linéarité de la mesure.

D’autres approches de bobinage permettent d’optimiser la conception en fonction de divers critères : certaines simplifient la fabrication, tandis que d’autres améliorent le rapport entre la longueur de la bobine et la plage de mesure.

Tous les capteurs inductifs développés par Sensel Measurement intègrent une configuration en pont complet, offrant plusieurs avantages majeurs. Cette architecture améliore la stabilité thermique grâce à un faible coefficient de température, tout en garantissant une excellente immunité aux interférences électromagnétiques (CEM), renforçant ainsi la fiabilité et la précision des mesures.

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Modes de fonctionnement des LVDT

Idéalement, les LDVT Sensel Measurement devraient être exploités avec l'électronique, également connue sous le nom d'amplificateurs de mesure de fréquence porteuse. Ceci assure d'excellentes performances et minimise l'effort d'installation. Bien entendu, nos LVDT peuvent également être utilisés avec des électroniques tiers.

Nos capteurs sont très robustes, ce qui les rend adaptés aux applications à haute température et aux vibrations extrêmes.

● Les LVDT type DC avec électronique intégrée ont une température de fonctionnement maximale de :

+85 °C et un coefficient de température significatif (variation du signal de sortie due aux variations de température). En revanche, nos LVDT standard peuvent fonctionner en continu à des températures allant jusqu'à 120 °C en standard.(jusqu'à 200, 230 °C en option).

L'amplificateur de mesure se trouve à l'extérieur, soit protégé dans une armoire de commande, soit intégré dans le câble de raccordement du capteur en tant que partie intégrante du câble.

L'électronique externe offre d'autres avantages importants :

● L’ajustement ultérieur du zéro et du gain en fonction de l'application, par exemple pour compenser les tolérances d'installation.

● Une conception de capteur plus courte, puisqu’il n'y a pas besoin de place pour une carte de circuit imprimé.

● Un éventail de fonctions plus large : réglage de la fréquence porteuse, compensation de déphasage, variation de la structure du filtre et du signal de sortie (4...20 mA, 0...20 mA, 0...10 V, 0...5 V, 0,5...4,5 V, ±5 V, ±10 V), détection de rupture de câble etc.

Les amplificateurs de mesure intégrés dans le boîtier du capteur sont de conception plus simple. Ils offrent l'avantage d'avoir une solution "tout-en-un" et offrent directement un signal analogique .

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Domaines d’application

En raison de la grande variété de modèles LVDT disponibles, ces appareils peuvent être utilisés pour presque toutes les applications. Ils sont bien adaptés au contrôle qualité en laboratoire ou pour le suivi de production en temps réel.

Ce type de capteur démontre toutes ses capacités lorsqu'il est utilisé dans des conditions plus exigeantes. Il s'agit d'applications qui exigent une fiabilité extrême et une longue durée de vie (militaire, aérospatiale, turbines, centrales électriques, automatisation industrielle, etc.)

Leur capacité de résistance aux interférences électriques, aux températures extrêmes, aux chocs thermiques et aux vibrations les rend adaptés à toute application industrielle. Des indices de protection IP élevés et des matériaux de boîtier de haute qualité tels que l'acier inoxydable et le titane garantissent un fonctionnement en immersion à long terme. Ces capteurs de position résistent également aux environnements chimiques agressifs, tels que les produits chimiques de nettoyage ou les désinfectants utilisés dans les machines de production alimentaire ou d'emballage. Les versions étanches à la pression sont installées dans les vérins hydrauliques, les servovalves et les vérins pneumatiques où elles sont utilisées pour le contrôle et la surveillance du processus.

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Propriétés

Les spécifications techniques des capteurs inductifs peuvent être très variées en adaptant la conception et le matériau approprié à l'application. Indépendamment de la conception, les caractéristiques essentielles du principe de mesure LVDT restent toujours les mêmes :

● Le principe de mesure différentiel “filtre” les défauts (inducteur differentiel).

● Le principe de mesure absolu utilisé par ces capteurs leur confère un avantage par rapport aux capteurs de position incrémentaux. La position du capteur est toujours définie, même en cas de coupure de courant. Il n'est pas nécessaire de définir une marque de référence pour déterminer la position absolue.

● Le principe de mesure sans contact, c'est-à-dire sans contact entre la bobine et le noyau, est "sans usure". Par conséquent, la construction avec une tige de poussée libre a une durée de vie mécanique théoriquement illimitée. Les capteurs de mesure par contact tels que les potentiomètres linéaires ne remplissent pas cette condition.

● Les LVDT ont un faible écart de linéarité. Typiquement, 0,2... 0,3 % de la plage de mesure. Bien entendu, ces valeurs peuvent être réduites sur demande.

● Aucun frottement mécanique n'est produit à l'intérieur du capteur si une tige de poussée non guidée est utilisée. Ici, la résolution est théoriquement infiniment fine. Elle n'est limitée que par le niveau de bruit du circuit de mesure (principalement l'électronique).

● Les capteurs inductifs ne réagissent que lorsque le noyau est déplacé dans le sens de l'axe. Le décalage radial de la tige de poussée, qui peut se produire en cas de montage excentré, n'influence pas le signal de sortie.

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Nos modèles LVDT

La série standard SM avec un diamètre de boîtier de 12 mm est disponible en version avec tige de poussée non guidée, tige de poussée guidée ou poussoir à ressort. Ce capteur de déplacement peut être équipé d'une sortie de câble ou d'un connecteur M12 dans le sens radial ou axial. De plus, le mécanisme à ressort a un diamètre de serrage de 8 mm.
Un soufflet peut être utilisé pour le protéger de l'humidité et de la saleté.
Une version avec racleur et joint d'étanchéité combinés est également disponible.

Exemples de la série SM :

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La série SL indestructible résiste aux conditions les plus rudes grâce à sa conception entièrement en acier inoxydable et à une tige de poussée extrêmement robuste d'un diamètre de 8 mm. En plus de la conception à noyau libre, Sensel Measurement propose une conception avec tige de poussée, tige de poussée guidée, ainsi qu'une version avec paliers d'extrémité de tige. Cette dernière version est facile à installer et compense les défauts d'installation (par ex. désalignement radial), tout en permettant d'autres types utilisations, par ex. pour des tâches impliquant un mouvement circulaire.

Exemples de la série SL :

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Les nouveaux capteurs SL-T offrent une version robuste à ressort : équipés d'un roulement de précision et d'un ressort de rappel, le SL-T est adapté aux tâches de mesure qui ne permettent pas de modifier l'objet visé. La combinaison d'une tige de poussée chromée dure de 6 mm de diamètre et d'un palier de précision en acier inoxydable de 20 mm de diamètre garantit une résistance maximale aux forces latérales exercées.

Grâce à sa large plage de mesure et à ses trois variantes de fonctions, la série SL-T offre des domaines d'application très variés : Pour les variantes avec mécanisme à ressort, la tige de poussée est prolongée par un ressort de traction intégré. Pour les mesures automatisées, Sensel Measurement a développé deux versions à commande pneumatique. En appliquant une pression d'air, la tige de poussée se déplace vers l'intérieur ou vers l'extérieur, selon les besoins de l'utilisateur et de l'application.

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La série hydraulique a été conçue pour être installée dans des vérins. Le corps du capteur placé dans le vérin hydraulique peut supporter des pressions jusqu'à 400 bars. Les types de brides compactes sont situés à l'extérieur de la zone sous pression. Le capteur détermine la position des pistons et permet de régler le cylindre.

Exemples de la série SM-HYD :

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La série F18 permet de déterminer la position des vérins hydrauliques ou pneumatiques, ainsi que des servovalves, à des pressions allant jusqu'à 150 bars. De plus, les capteurs sont équipés d'une bride filetée pour le montage. Contrairement à la série HYD, le boîtier du capteur se trouve à l'extérieur du cylindre/de la vanne. La série F18 est également disponible en version à ressort. Dans ce cas, il suffit d'usiner le trou de montage de la bride.

Exemples de la série SM-HYD-F18 :

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Un contrôleur numérique LVDT, auquel un ou deux capteurs peuvent être connectés, améliore considérablement la linéarité des capteurs de déplacement inductifs. Il conditionne, numérise et linéarise le signal du capteur et le délivre sous forme de signal de tension ou de courant ainsi que par bus CAN ou interface USB. Les lectures du contrôleur numérique LVDT peuvent être visualisées et configurées à l'aide d'un logiciel d'analyse spécialement développé pour ce module.

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