Lineare Variable Differentialtransformatoren (LVDT): Grundlagen, Design und Performance-Metriken

Kernprinzipien von LVDTs: Struktur, Betrieb, Transferfunktion, Linearer Range, Linearität, Sensitivität

Der Lineare Variable Differentialtransformator (LVDT) ist ein präziser elektromechanischer Transducer, der mechanische Kernverschiebung in proportionale AC-Spannung wandelt. Er liefert virtuell unendliche Auflösung, Sub-0,5%-Linearität, hohe Sensitivität und praktisch keine mechanische Reibung – ideal für kritische Messapplikationen.

In diesem Artikel detaillieren wir physikalisches Layout, Funktionsprinzipien und drei kritische Performance-Parameter – linearer Range, Linearitätsfehler, Sensitivität.

Struktur eines LVDT

Abbildung 1 illustriert einen typischen LVDT-Querschnitt und sein Ersatzschaltbild. Das Device besteht aus einer einzelnen Primärwicklung, umgeben von zwei Sekundärwicklungen. Ein ferromagnetischer Kern, meist ein nicht-eisenhaltiger Stab, bewegt sich frei entlang der Spulenachse. Verschiebt sich der Kern, ändert sich die magnetische Kopplung zu jeder Sekundärwicklung, was positionsabhängige Spannungen erzeugt.

Die zwei Sekundärwicklungen sind serie-gegenläufig: sie sind in Serie geschaltet, aber in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Der Kern attaches zum Messobjekt; die Spulenanordnung bleibt stationär.

Funktionsweise

Sitzt der Kern im Zentrum, koppelt gleiches Magnetfluss beide Sekundärwicklungen. Da diese entgegengesetzt gewickelt sind, heben sich ihre induzierten Spannungen auf – Output-Spannung V_out = 0 (Abbildung 2).

Verschiebt man den Kern nach oben, stärkt sich die Kopplung zur ersten Sekundärwicklung, was dort größere Spannung erzeugt als in der zweiten (|V_s1| > |V_s2|). Der resultierende Output ist ungleich null und in Phase mit der Anregung (Abbildung 3).

Eine nach unten gerichtete Kernverschiebung begünstigt die zweite Sekundärwicklung, produziert negativen Output, idealerweise 180° phasenverschoben zur Anregung. Waveforms für dieses Szenario zeigt Abbildung 4.

Transferfunktion

Die Beziehung zwischen Kernverschiebung und Output-Spannung wird in Abbildung 5 erfasst. Die Transferkurve ist linear um den Nullpunkt, aber nur innerhalb eines begrenzten Verschiebungsbereichs.

Das Messen nur der Amplitude kann die Verschiebungsrichtung nicht anzeigen; Phaseninformation ist essenziell, um Links- vs. Rechtsbewegung aufzulösen.

Linearer Range

Jenseits der linearen Region sättigt die magnetische Kopplung und der Output deviiert vom Geraden-Trend. Die maximale Verschiebung, über die der Output linear bleibt, definiert den Full-Scale-Range. LVDTs sind von ±100 µm bis ±25 cm verfügbar – geeignet für Labor, Industrie und submersible Nutzung.

Linearitätsfehler

Selbst innerhalb des nominalen linearen Range ist die Output-Kurve nicht perfekt gerade. Die größte Abweichung vom Best-Fit-Line wird als Linearitätsfehler bezeichnet, typischerweise als Prozent des Full-Scale-Output ausgedrückt. Beispiel: Der Measurement Specialties E-100 LVDT listet ±0,5 % Linearitätsfehler.

Magnetische Sättigung kann sogar am Nullpunkt eine Dritt-Harmonische komponente einführen; dies kann durch Low-Pass-Filter am Output gemildert werden.

Sensitivität

Sensitivität – oder Transferratio – verknüpft Output-Spannung mit Kernverschiebung. Mit der Primärwicklung an empfohlenem Level energisiert (3 V_RMS für E-100), wird der Kern um Full-Scale-Displacement bewegt. Die resultierende Output-Spannung liefert die Sensitivität via:

\[\text{Sensitivität} = \frac{V_{out}}{V_{Primär}\times\text{Kernverschiebung}}\]

Typische Einheiten: Millivolt Output pro Volt Anregung pro Tausendstel Inch Kernverschiebung (mV/V/mil). Der E-100 bietet 2,4 mV/V/mil, was Designern präzises Sizing des Konditionierungs-Amplifiers ermöglicht.

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Zusammenfassend kombinieren LVDTs hohe Auflösung, exzellente Linearität und null mechanische Reibung – ein Eckpfeiler-Transducer für präzise Verschiebungsmessung über breite Applikationsbereiche.