Lineaire Variabele Differentieel Transformatoren (LVDTs): Fundamenten, ontwerp en sleutelprestatiemetrieken

Verkern de kernprincipes van LVDTs: structuur, werking, overdrachtsfunctie, lineair bereik, lineariteit en gevoeligheid.

De lineaire variabele differentiele transformator (LVDT) is een precisie electromechanische transducer die mechanische kernverplaatsing omzet in een evenredige wisselspanning. Het levert praktisch oneindige resolutie, sub-0,5% lineariteit, hoge gevoeligheid en praktisch geen mechanische wrijving, wat het ideaal maakt voor kritische meettoepassingen.

In dit artikel detaileren we de fysieke layout, werkprincipes en drie cruciale prestatieparameters—lineair bereik, lineariteitsfout en gevoeligheid.

Structuur van een LVDT

Figuur 1 illustreert een typische LVDT doorsnede en het equivalente circuit. Het apparaat bestaat uit een enkele primaire wikkeling omringd door twee secundaire wikkelingen. Een ferromagnetische kern, meestal een niet-ferroze staf, is vrij om langs de as van de spoelen te bewegen. Naarmate de kern verschuift, verandert de magnetische koppeling aan elke secundaire, wat positie-afhankelijke spanningen produceert.

Figuur 1(a). Doorsnedeweergave van een LVDT. Afbeelding met toestemming van Honeywell

Figuur 1(b). Circuitmodel van een LVDT

De twee secundaire wikkelingen zijn series-tegenovergesteld: ze zijn in serie verbonden maar in tegenovergestelde richtingen gewikkeld. De kern bevestigt aan het gemeten object; de spoelassemblage blijft stationair.

Hoe het werkt

Wanneer de kern in het centrum zit, koppelt gelijke magnetische flux aan beide secundairen. Omdat de secundairen tegenovergesteld gewikkeld zijn, heffen hun geïnduceerde spanningen elkaar op, wat resulteert in nul uitgangsspanning (V_uit = 0). Dit wordt getoond in Figuur 2.

Figuur 2. LVDT met een perfect gecentreerde kern

Het verplaatsen van de kern omhoog versterkt de koppeling aan de eerste secundaire, wat een grotere spanning daar creëert dan in de tweede secundaire (|V_s1| > |V_s2|). De resulterende output is niet-nul en in fase met de excitatie, geïllustreerd in Figuur 3.

Figuur 3. LVDT met de kern omhoog verplaatst

Integen, een naar beneden kernverschuiving bevoordeelt de tweede secundaire, producerend een negatieve output die ideaal 180° uit de fase is met de excitatie. De golfformen voor dit scenario worden getoond in Figuur 4.

Figuur 4. LVDT met de kern naar beneden verplaatst

Overdrachtsfunctie

De relatie tussen kernverplaatsing en uitgangsspanning wordt vastgelegd in Figuur 5. De overdrachtscurve is lineair rond het nulpunt, maar alleen binnen een beperkt verplaatsingsbereik.

Figuur 5. Afbeelding met toestemming van Ramón Pallàs-Areny en John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning

Alleen amplitude meten kan de richting van verplaatsing niet aanduiden; fase-informatie is essentieel om links versus rechts beweging op te lossen.

Lineair bereik

Buiten het lineaire gebied, verzadigt de magnetische koppeling en de output afwijkt van de rechte-lijn-trend. De maximale verplaatsing waarover de output lineair blijft, wordt gedefinieerd als het full-scale bereik. LVDTs zijn beschikbaar van ±100 µm tot ±25 cm, geschikt voor laboratorium, industriële en onderwatergebruik.

Lineariteitsfout

Zelfs binnen het nominale lineaire bereik is de outputcurve niet perfect recht. De grootste afwijking van de best-fit-lijnoord wordt de lineariteitsfout genoemd, typiek uitgedrukt als percentage van full-scale output. Bijvoorbeeld, de Measurement Specialties E-100 LVDT noemt een ±0,5% lineariteitsfout.

Magnetische verzadiging kan een derde-harmonische-component introduceren zelfs bij nul; dit kan gemitigeerd worden met een laagdoorlaatfilter op de output.

Gevoeligheid

Gevoeligheid—of overdrachtsverhouding—relateert uitgangsspanning aan kernverplaatsing. Met de primaire geenergiseerd op het aanbevolen niveau (3 V_RMS voor de E-100), wordt de kern verplaatst over de full-scale verplaatsing. De resulterende uitgangsspanning levert de gevoeligheid op via:

\[\text{Gevoeligheid} = \frac{V_{uit}}{V_{Primaire}\times\text{Kernverplaatsing}}\]

Typische eenheden zijn millivolt output per volt excitatie per duizendste van een inch kernverplaatsing (mV/V/mil). De E-100 biedt 2,4 mV/V/mil, wat ontwerpers in staat stelt de conditionering-versterker nauwkeurig te dimensioneren.

Samengevat, combineren LVDTs hoge resolutie, uitstekende lineariteit en nul mechanische wrijving, wat ze een hoeksteen-transducer maakt voor nauwkeurige verplaatsingsmeting over een breed scala aan toepassingen.