선형 가변 차동 변압기(LVDT) 소개

LVDT에 대한 간결한 소개를 찾고 계십니까? 이 기사에서는 구조, 회로, 전달 함수, 선형 범위, 감도 등을 포함한 LVDT 기본 사항을 설명합니다.

선형 가변 차동 변압기(LVDT)는 코어의 기계적 변위를 감지하고 출력에서 ​​비례 AC 전압을 생성하는 전기기계 변환기입니다. 고해상도(이론상 무한), 높은 선형성(0.5% 이상), 고감도 및 기계적 마찰이 없는 것은 LVDT 장치의 중요한 기능 중 일부입니다.

이 기사에서는 LVDT의 구조와 작동 원리를 살펴보겠습니다. 또한 이러한 센서의 세 가지 중요한 매개변수인 선형 범위, 선형성 오류 및 감도를 검토합니다.

LVDT의 구조

그림 1은 기본 LVDT의 단면도와 회로 모델을 보여줍니다. 가동 코어를 통해 2개의 2차 권선에 연결된 1개의 1차 권선으로 구성됩니다. 자기 투과성 코어가 이동함에 따라 1차 권선과 각 2차 권선 사이의 자기 결합이 그에 따라 변경됩니다. 이것은 물체의 위치를 ​​결정하는 데 사용할 수 있는 두 권선에 걸쳐 위치 종속 전압 신호를 생성합니다.

그림 1(a). LVDT의 단면도. Honeywell의 이미지 제공

그림 1(b). LVDT의 회로 모델

2개의 2차 권선은 직렬 반대이므로 직렬로 연결되지만 반대 방향으로 감겨 있습니다. 코어는 일반적으로 비강자성 막대를 통해 움직임이 측정되는 대상에 부착되고 코일 어셈블리는 일반적으로 고정된 형태로 고정됩니다.

어떻게 작동합니까?

그림 2는 완벽하게 센터링된 코어가 이상적으로 0 출력을 생성하는 방법을 보여줍니다. 입력은 적절한 주파수의 AC 전압(V_EXC ). 2개의 2차 코일은 1차 코일의 양쪽에 대칭으로 감겨 있기 때문에 중심 코어는 1차 코일에서 2개의 2차 코일로 동일한 자기 결합을 유도합니다. 2차 권선이 직렬 반대인 경우 반대 극성의 동일한 전압이 2개의 2차 권선에 유도됩니다(V_s1 =-V_s2 ). 따라서 두 권선의 전압은 상쇄되고 전체 출력은 0이 됩니다(V_out =0).

그림 2. 완벽하게 중앙에 위치한 코어가 있는 LVDT

그림 3과 같이 코어가 위쪽으로 변위되면 1차측과 1차측 2차측의 결합이 더 강해진다. 이로 인해 두 번째 2차에 비해 첫 번째 2차에서 더 큰 AC 전압이 발생합니다(|V_s1 |> |V_s2 |) 및 0이 아닌 출력(V_out ). 출력은 V_s1과 위상이 같습니다. 그러나 진폭은 상대적으로 작습니다.

그림 3에 표시된 예에서 출력은 V_EXC와 이상적으로 동위상이어야 합니다. 코어가 상향 변위를 경험할 때.

그림 3. 코어가 위쪽으로 이동한 LVDT

코어의 하향 변위에 대한 일반적인 파형은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4. 코어가 아래쪽으로 이동된 LVDT

이 경우 1차측과 2차측 사이의 자기 결합이 증가하여 |V_s2 |> |V_s1 |. 보시다시피 0이 아닌 V_out 이는 여기 전압과 관련하여 이상적으로 180° 위상이 다릅니다.

전송 기능

그림 5는 일반적인 LVDT의 전달 함수를 보여줍니다. x축은 중심으로부터의 코어 변위입니다. y축은 출력 AC 전압의 진폭입니다.

그림 5. 이미지 제공:Ramón Pallas-Areny 및 John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning

원점(x =0)에서 출력은 이상적으로는 0입니다. 코어가 어느 방향으로든 중심에서 벗어나면 출력의 진폭이 코어 변위에 따라 선형적으로 증가합니다. 출력의 진폭만 측정하면 코어가 왼쪽으로 또는 오른쪽으로 변위되었는지 여부를 결정할 수 없습니다. 출력의 진폭과 위상을 모두 알아야 합니다.

선형 범위

그림 5에서 볼 수 있듯이 LVDT는 제한된 코어 변위 범위에서만 선형 전달 함수를 나타냅니다. 이것은 LVDT의 선형 범위로 지정됩니다.

장치가 이 범위를 넘어서는 선형 관계를 갖지 않는 이유는 무엇입니까?

널 위치에서 코어 변위가 특정 값을 초과하면 1차 권선에서 코어에 결합되는 자속이 감소한다고 상상할 수 있습니다. 결과적으로 해당 2차 권선에 나타나는 전압이 감소합니다. 선형 전달 함수를 갖는 동안 코어가 null 위치에서 이동할 수 있는 최대 거리를 전체 규모 변위라고 합니다.

±100μm ~ ±25cm의 변위 범위를 포괄하는 광범위한 LVDT를 사용할 수 있습니다. 더 넓은 범위를 측정할 수 있는 LVDT는 실험실, 산업 및 잠수정 환경에서도 사용됩니다.

선형성 오류

코어 변위 대 LVDT 출력의 플롯은 선형 범위에서도 완벽한 직선이 아닙니다. 출력 데이터에 가장 잘 맞도록 구성된 직선에서 출력이 약간 벗어날 수 있습니다.

장치의 공칭 선형 범위에서 비선형성을 유발할 수 있는 메커니즘 중 하나는 자성 재료의 포화입니다. 이것은 코어가 널 위치에 있는 경우에도 3차 고조파 성분을 생성할 수 있습니다. 이 고조파는 LVDT 출력에 저역 통과 필터를 적용하여 억제할 수 있습니다.

예상 직선 맞춤에서 LVDT 출력의 최대 편차는 선형성 오류로 간주됩니다. 선형성 오류는 일반적으로 전체 범위 출력의 +/- 백분율로 표시됩니다. 예를 들어 Measurement Specialties, Inc.의 E-100 LVDT는 전체 범위의 ±0.5%의 최대 선형성 오류를 가지고 있습니다.

감도

감도 또는 전달 비율을 통해 출력 전압을 코어 변위와 연관시킬 수 있습니다. 감도를 결정하기 위해 권장 드라이브 레벨(3 V_RMS E-100 LVDT의 경우) 및 전체 규모 변위로 코어를 널 위치에서 이동합니다. 이제 전체 출력 전압(V_out ). 이 값을 다음 방정식에 대입하면 LVDT 감도를 찾을 수 있습니다.

\[Sensitivity =\frac{V_{out}}{V_{Primary} \times (Core~Displacement)}\]

감도는 일반적으로 1/1000인치 코어 변위(mV/V/mil)당 여기 볼트당 밀리볼트 출력으로 지정됩니다. 예를 들어, E-100의 감도는 2.4mV/V/mil입니다. 감도가 있으면 신호 조절 회로에 필요한 이득을 결정할 수 있습니다.

<시간 />

LVDT는 물체의 기계적 변위를 감지하는 데 사용할 수 있는 전기기계 변환기입니다. 고해상도(이론상 무한), 높은 선형성(0.5% 이상), 높은 감도 및 기계적 마찰이 없는 것은 LVDT 장치의 중요한 기능 중 일부입니다.