Einführung in Linear Variable Differential Transformers (LVDTs)
Suchen Sie nach einer kurzen Einführung in LVDTs? In diesem Artikel werden die LVDT-Grundlagen erläutert, einschließlich Struktur, Schaltung, Übertragungsfunktion, linearer Bereich, Empfindlichkeit und mehr.
Der lineare variable Differenzialtransformator (LVDT) ist ein elektromechanischer Wandler, der die mechanische Verschiebung eines Kerns erfasst und am Ausgang eine proportionale Wechselspannung erzeugt. Hohe Auflösung (theoretisch unendlich), hohe Linearität (0,5 % oder besser), hohe Empfindlichkeit und keine mechanische Reibung sind einige der wichtigen Merkmale der LVDT-Geräte.
In diesem Artikel betrachten wir die Struktur und die Arbeitsprinzipien von LVDTs. Wir werden auch drei wichtige Parameter dieser Sensoren untersuchen:Linearbereich, Linearitätsfehler und Empfindlichkeit.
Struktur eines LVDT
Abbildung 1 zeigt die Schnittansicht und das Schaltungsmodell eines einfachen LVDT. Es besteht aus einer Primärwicklung, die über einen beweglichen Kern mit zwei Sekundärwicklungen gekoppelt ist. Wenn sich der magnetisch permeable Kern bewegt, ändert sich die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und jeder der Sekundärwicklungen entsprechend. Dadurch werden positionsabhängige Spannungssignale an den beiden Wicklungen erzeugt, mit denen die Position eines Objekts bestimmt werden kann.
Abbildung 1(a). Schnittdarstellung eines LVDT. Bild mit freundlicher Genehmigung von Honeywell
Abbildung 1(b). Schaltungsmodell eines LVDT
Die beiden Sekundärwicklungen sind in Reihe geschaltet, das heißt, sie sind in Reihe geschaltet, aber gegenläufig gewickelt. Der Kern wird typischerweise durch einen nicht ferromagnetischen Stab an dem Objekt befestigt, dessen Bewegung gemessen wird, und die Spulenanordnung ist typischerweise an einer stationären Form befestigt.
Wie funktioniert es?
Abbildung 2 zeigt, wie ein perfekt zentrierter Kern idealerweise eine Nullleistung erzeugt. Der Eingang wird durch eine Wechselspannung geeigneter Frequenz (VEXC ). Da die beiden Sekundärwicklungen auf beiden Seiten der Primärspule symmetrisch gewickelt sind, führt ein zentrierter Kern zu einer gleichen magnetischen Kopplung von der Primärwicklung zu den beiden Sekundärwicklungen. Da die Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind, werden über die beiden Sekundärwicklungen gleiche Spannungen mit entgegengesetzten Polaritäten induziert (Vs1 =-Vs2 ). Daher heben sich die Spannungen der beiden Wicklungen auf und wir haben eine Gesamtausgabe von Null (Vout =0).
Abbildung 2. LVDT mit perfekt zentriertem Kern
Wenn der Kern, wie in Abbildung 3 gezeigt, nach oben verschoben wird, wird die Kopplung zwischen dem Primärteil und dem ersten Sekundärteil stärker. Dies führt zu einer größeren Wechselspannung an der ersten Sekundärseite im Vergleich zur zweiten Sekundärseite (|Vs1 |> |Vs2 |) und eine Ausgabe ungleich Null (Vout ). Beachten Sie, dass die Ausgabe in Phase mit Vs1 . ist aber seine Amplitude ist relativ kleiner.
Bei dem in Abbildung 3 dargestellten Beispiel sollte der Ausgang idealerweise phasengleich mit VEXC . sein wenn der Kern eine Aufwärtsverschiebung erfährt.
Abbildung 3. LVDT mit nach oben verschobenem Kern
Die typischen Wellenformen für die Abwärtsverschiebung des Kerns sind in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. LVDT mit nach unten verschobenem Kern
In diesem Fall nimmt die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und der zweiten Sekundärseite zu, was zu |Vs2 . führt |> |Vs1 |. Wie Sie sehen, haben wir einen Vout ungleich Null das ist idealerweise um 180° phasenverschoben in Bezug auf die Erregerspannung.
Übertragungsfunktion
Abbildung 5 zeigt die Übertragungsfunktion eines typischen LVDT. Die x-Achse ist die Kernverschiebung vom Zentrum. Die y-Achse ist die Amplitude der Ausgangswechselspannung.
Abbildung 5. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ramón Pallás-Areny und John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning
Am Ursprung (x =0) ist die Ausgabe idealerweise Null. Wenn der Kern in beide Richtungen außermittig bewegt wird, nimmt die Amplitude der Ausgabe linear mit der Kernverschiebung zu. Beachten Sie, dass wir, wenn wir nur die Amplitude des Ausgangssignals messen, nicht feststellen können, ob der Kern nach links oder rechts verschoben ist. Wir müssen sowohl die Amplitude als auch die Phase der Ausgabe kennen.
Linearer Bereich
Wie in Abbildung 5 gezeigt, weist ein LVDT nur über einen begrenzten Bereich der Kernverschiebung eine lineare Übertragungsfunktion auf. Dies wird als linearer Bereich des LVDT angegeben.
Warum hat das Gerät über diesen Bereich hinaus keine lineare Beziehung mehr?
Wir können uns vorstellen, dass, wenn die Kernverschiebung von der Nullposition einen bestimmten Wert überschreitet, der magnetische Fluss, der von der Primärwicklung an den Kern koppelt, abnimmt. Dies führt folglich zu einer Verringerung der Spannung, die an der entsprechenden Sekundärwicklung auftritt. Die maximale Entfernung, die der Kern von seiner Nullposition zurücklegen kann, während er eine lineare Übertragungsfunktion hat, wird als Vollausschlag bezeichnet.
Ein breites Spektrum an LVDTs ist verfügbar, das Verschiebungsbereiche von nur ±100 µm bis ±25 cm abdeckt. LVDTs, die größere Reichweiten messen können, finden auch Anwendung in Labor-, Industrie- und Tauchumgebungen.
Linearitätsfehler
Die Auftragung des LVDT-Ausgangs über der Kernverschiebung ist selbst im linearen Bereich keine perfekte gerade Linie. Die Ausgabe kann geringfügig von der geraden Linie abweichen, die so konstruiert wurde, dass sie am besten zu den Ausgabedaten passt.
Ein Mechanismus, der zu einer Nichtlinearität im nominellen Linearbereich des Geräts führen kann, ist die Sättigung des magnetischen Materials. Dies kann die dritte harmonische Komponente selbst dann erzeugen, wenn sich der Kern an der Nullposition befindet. Diese Harmonische kann durch Anwenden eines Tiefpassfilters auf den LVDT-Ausgang unterdrückt werden.
Die maximale Abweichung der LVDT-Ausgabe von der erwarteten Geradenanpassung wird als Linearitätsfehler betrachtet. Der Linearitätsfehler wird normalerweise als +/- Prozentsatz des Gesamtbereichsausgangs ausgedrückt. Der E-100 LVDT von Measurement Specialties, Inc. hat beispielsweise einen maximalen Linearitätsfehler von ±0,5 % des Vollbereichs.
Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit oder das Übertragungsverhältnis ermöglicht es uns, die Ausgangsspannung mit der Kernverschiebung in Beziehung zu setzen. Um die Empfindlichkeit zu bestimmen, bestromen wir die Primärseite mit dem empfohlenen Antriebspegel (3 VRMS .). für E-100 LVDT) und bewegen Sie den Kern um die volle Auslenkung aus der Nullposition. Jetzt messen wir die Spannungen an den beiden Sekundärwicklungen, um die Gesamtausgangsspannung (Vout ). Durch Einsetzen dieser Werte in die folgende Gleichung können wir die LVDT-Empfindlichkeit ermitteln:
\[Sensitivity =\frac{V_{out}}{V_{Primary} \times (Core~Displacement)}\]
Die Empfindlichkeit wird normalerweise als Millivolt-Ausgang pro Volt Erregung pro Tausendstel Zoll Kernverschiebung (mV/V/mil) angegeben. Die Empfindlichkeit des E-100 beträgt beispielsweise 2,4 mV/V/mil. Aufgrund der Empfindlichkeit können wir die erforderliche Verstärkung der Signalkonditionierungsschaltung bestimmen.
Ein LVDT ist ein elektromechanischer Wandler, der verwendet werden kann, um die mechanische Verschiebung eines Objekts zu erfassen. Hohe Auflösung (theoretisch unendlich), hohe Linearität (0,5 % oder besser), hohe Empfindlichkeit und keine mechanische Reibung sind einige der wichtigen Merkmale der LVDT-Geräte.
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