Projeto Linear Variable Differential Transformer(LVDT)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ – UFPR
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
BRENDO JEFFERSON DOS SANTOS 
JOÃO GABRIEL PAZINATO 
RAFAEL CAPELLINI PACHECO 
RAFAEL BACH SILVEIRA
RELATÓRIO TÉCNICO
DISCIPLINA TE217 – LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA III
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
PROFESSOR JOSÉ CARLOS DA CUNHA
CURITIBA
2017
Objetivos: 
Confeccionar um sensor LVDT e desenvolver o sistema autônomo para sua aplicação utilizando circuitos estudados em laboratório.
Descrição: 
Através da pesquisa por parte dos grupos e da aquisição dos materiais necessários, confeccionar um sensor LVDT e implementar circuitos desenvolvidos em laboratório, os quais compõem as etapas para aquisição, tratamento e visualização das grandezas mensuradas por um LVDT.
Equipamentos: 
Para a realização deste trabalho foram utilizados os equipamentos:
· Protoboard 
· Osciloscópio 
Componentes: 
· Resistores diversos;
· Capacitores diversos
· Diodo 1n4918
· AmpOp LF351
1. INTRODUÇÃO
A necessidade de registrar dados e recolher medidas efetuadas por sensores é comum às diversas aplicações, registro e acompanhamento do desenvolvimento de eventos em diversas áreas como a saúde, a indústria, a meteorologia, a agricultura de precisão e outras. Entretanto os sinais elétricos fornecidos por sensores nem sempre são diretamente manipuláveis o que implica na necessidade da adequação destes sinais para que estes possam ser utilizados em sistemas de monitoramento. Na agricultura de precisão, um dos sensores utilizados para estudos é designado como LVDT (Linear Variable Differential Transformer), que devido as suas características necessita de um sistema de tratamento de sinal para viabilizar seu uso. Desse modo este trabalho teve como objetivo demonstrar o desenvolvimento de um sistema de adequação de sinal elétrico para ser utilizado acoplado a um LVDT, assim, proporcionar a monitorização do desenvolvimento de culturas. Os resultados mostraram que o sistema trata os sinais de forma adequada representando fidedignamente as características lineares do sensor e condicionando o nível de tensão elétrica do sinal.
2. REVISÃO DA LITERATURA
Oscilador Por Deslocamento de Fase
A configuração, os resistores e capacitores da rede de realimentação são calculados para fornecer um deslocamento de fase apropriado para o sinal na frequência deve ser gerada, utilizado 500Hz. Assim, o sinal obtido no coletor, ao ser reaplicado via rede de realimentação, à entrada do circuito chega com sua fase invertida, condição fundamental para a manutenção das oscilações numa etapa de emissor comum.
A utilização deste circuito, entretanto, é bastante atraente quando precisamos de sinais senoidais de frequências muito baixas, na faixa de 0,1 a 10 Hz, já que a distorção obtida é pequena e a estabilidade é grande.
Características
- Faixa de frequências: alguns hertz a dezenas de quilohertz
- Tensões de alimentação: 6 a 30V (com transistores)
- Sinais gerados: senoidais
- Potência de saída: baixa
Circuito Detector de Pico / Envoltória
Este circuito é formado por um diodo ligado no caminho da realimentação negativa do amplificador operacional, formando assim um retificador de precisão. 
Complementando o experimento, tem-se um circuito RC paralelo ligado ao diodo.
LVDT
O LVDT (do inglês Linear Variable Differential Transformer ou Transformador Diferencial Variável Linear) é um transdutor para medição de deslocamento linear. O funcionamento desse sensor é baseado em três bobinas e um núcleo cilíndrico de material ferromagnético de alta permeabilidade. Ele dá como saída um sinal linear, proporcional ao deslocamento do núcleo, que está fixado ou em contato com o que se deseja medir.
A bobina central é chamada de primária e as demais são chamadas de secundárias. O núcleo é preso no objeto cujo deslocamento deseja-se medir e a movimentação dele em relação às bobinas é o que permite esta medição.
Para esta medição, uma corrente alternada é aplicada na bobina primária, fazendo com que uma tensão seja induzida em cada bobina secundária proporcionalmente à indutância mútua com a bobina primária. A frequência da corrente alternada está geralmente entre 500Hz e 10 kHz. (Utilizado 500Hz no projeto)
De acordo com a movimentação do núcleo, esta indutância mútua muda, fazendo com que as tensões nas bobinas secundárias mudem também. As bobinas conectadas em série reversa, com isso a tensão de saída é a diferença entre as duas tensões secundárias. Quando o núcleo está na posição central, equidistante em relação às duas bobinas secundárias, tensões de mesma amplitude porém opostas são induzidas nestas duas bobinas. Assim, a tensão de saída é zero. 
Quando o núcleo é movimentado em uma direção a tensão em uma das bobinas secundárias aumenta enquanto a outra diminui, fazendo com que a tensão aumente de zero para um máximo. Esta tensão está em fase com a tensão primária. 
Quando o núcleo se move em outra direção, a tensão de saída também aumenta de zero para um máximo, mas sua fase é oposta à fase primária. A amplitude da tensão de saída é proporcional a distância movida pelo núcleo (até o seu limite de curso), sendo por isso a denominação "linear" para o sensor. Dessa forma, a fase da tensão indica a direção do deslocamento. Como o núcleo não entra em contato com o interior do tubo, ele pode mover-se livremente, quase sem atrito, fazendo do LVDT um dispositivo de alta confiabilidade. Além disso, a ausência de contatos deslizantes ou girantes permite que o LVDT esteja completamente selado das condições do ambiente.
3. DESENVOLVIMENTO
Material Utilizado
O material escolhido para estrutura do sensor foi o PLA (ácido poliláteco) termoplástico biodegradável derivado de fontes renováveis como amido de milho, raízes de mandioca e de cana, por isso seria a opção mais ecologicamente amigável. Degrada-se em torno de 24 meses enterrado ou em 48 em água, o que é um tempo bem inferior quando comparado às centenas de anos dos outros plásticos, feito pela impressora 3D, um material leve, resistente a diversas intempéries, estas não afetarão a medida resultando em leituras satisfatórias e confiáveis. Para dar forma ao suporte das bobinas utilizou-se uma máquina ferramenta denominada Torno de Bach. Foi usado fio AWG26 com 400 espiras em cada uma das partições do carretel para construir o circuito magnético do sensor. O núcleo do sensor foi construído por uma peça de liga de Aço de Níquel com Cromo e uma haste de contato ligada a uma mola com força leve.
Metodologia de construção do sensor
Carretel
 
O desenho e as dimensões da estrutura que suporta as bobinas segue abaixo:
Figura 1 – Dimensões do carretel
Após passar pelo processo de usinagem prosseguiu-se com o enrolamento das bobinas, onde as bobinas possuem cerca de 400 espiras, permitindo uma alta sensibilidade à variação da posição do núcleo.
Encapsulamento
O encapsulamento do sensor conforme CRESCINI (1995) consiste na proteção do circuito magnético contra choques mecânicos ou intempéries. Com intuito de tornar o dispositivo mais leve e resistente, o mesmo foi desenvolvido no mesmo material do carretel, que proporciona características físicas relevantes, pois, possui baixa densidade e alta resistência à intempérie. Estes requisitos são fundamentais na escolha do material devido à aplicação do sensor, que requer um sistema com a menor interferência possível no desenvolvimento da cultura. 
A Figura abaixo demonstra o encapsulamento desenvolvido para o sensor.
Figura 2 - Encapsulamento
Montagem das bobinas
Segundo BALBINOT (2006), um sensor L.V.D.T. com alta capacidade e precisão deve apresentar um número superior a 1000 espiras por bobina produzindo, desta forma, sensores maiores. Entretanto, o dispositivo desenvolvido neste projeto objetivou pequenas dimensões, leveza e baixo custo, para tanto, as dimensões do carretel foram reduzidas o material foi escolhido por sua leveza e sobre este foram enroladas as bobinas do primário e do secundário. Foi usado fio AWG26 com 400 espiras em cada uma das partições do carretel. 
A figura abaixodemonstra o carretel com os circuitos magnéticos. 
Figura 3 – LVDT (visão sem encapsulamento)
O núcleo do sensor
Este elemento é responsável pela variação do sinal de saída, pois o mesmo provoca o deslocamento da concentração do fluxo magnético conforme seu movimento, que intensifica ou reduz o sinal proporcionalmente ao seu posicionamento. Sua constituição para este trabalho foi uma liga de Aço de Níquel com Cromo, ligado a este elemento foi unido uma haste de contato ligada a uma mola com força leve. Desta forma uma extremidade da mola é
ligada ao carretel (e estrutura) enquanto a outra extremidade da mola é conectada à ponta da haste.
Desta forma a haste é pressionada pela mola contra o caule da planta. Sendo a força da mola baixa, esta pressão não danificará o caule e garantir o contato necessário para que o sensor funcione adequadamente.
	
Figura 4- LVDT em teste
	Figura 5 - Circuitos de Acoplamento
	Figura 6 – Encapsul-amento
Figura 7- Encapsulamento (visão explodida) ; Figura 8 – Torno de BACH: Ferramenta desenvolvida para o enrolamento das espiras.
4. RESULTADOS
 Durante a aula reservada para apresentações, a equipe acoplou os circuitos previamente montados, de forma a gerar a oscilação de entrada do LVDT e manter o sinal de pico da saída constante. A equipe passou a registrar os valores de tensão de saída e a relacioná-los com o deslocamento da haste do LVDT. O gráfico das duas grandezas foi produzido utilizando o Excel. Observou-se o comportamento não linear do LVDT, considerando-se toda a faixa, contudo, na faixa de aplicação do sensor foi possível perceber um comportamento linear.
 A apresentação foi realizada movimentando-se gradualmente a haste e visualizando a mudança na tensão de saída. Uma árvore de imitação, confeccionada pela equipe, foi utilizada para ilustrar o funcionamento de um dendrômetro.
Figura 9 - Montagem do LVDT
Figura 10 - Circuito acoplado ao LVDT
Figura 11- Tensão de entrada e de saída
Figura 12 - Gráfico tensão x deslocamento
Figura 13 - Simulação do funcionamento do dendrômetro
5. CONCLUSÕES
Este sensor se apresenta como uma boa opção para o mercado agrícola na medição de plantas cujo caule apresente variação no seu diâmetro entre 0 mm e 1,5 mm sem ajustes. Devido característica construtiva de medição de expansão (deslocamento positivo. Caso a planta extrapole a parametrização inicial do sensor, apresentando crescimento superior aos 1,5 mm, é possível reposicionar o sensor e deixá-lo pronto para novas medições com base nos dados da última medição do caule da planta.
Este sensor apresenta baixo custo de construção, o que viabiliza a utilização simultânea de vários sensores dentro de um mesmo talhão, auxiliando o agricultor (ou especialista) na tomada de decisões baseada em maior número de informações, isto quando a distribuição espacial do atributo estudado interfere na decisão a ser tomada.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Estudo em sala de aula com orientação do professor.
Datasheet do Amplificador Operacional 351. Disponível em:
http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet/texasinstruments2/lf7351.pdf
BALBINOT, A. Instrumentação e fundamentos de medida. Rio de Janeiro LTC Vol.2 2007. 
KONOPATZKI, Evandro André; LENZ, Anderson Miguel. Transdutor LVDT de baixo custo para Phytomonitoring. 8º Encontro de Engenharia e Tecnologia dos Campos Gerais. Agosto de 2013.
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