선형 가변 차동 변압기(LVDT): 기초, 설계 및 핵심 성능 지표

LVDT의 핵심 원리 탐구: 구조, 작동, 전달 함수, 선형 범위, 선형성, 감도.

선형 가변 차동 변압기(LVDT)는 기계적 코어 변위를 비례하는 교류 전압으로 변환하는 정밀 전자기계 변환기입니다. 사실상 무한한 분해능, 0.5% 미만의 선형성, 높은 감도, 사실상 기계적 마찰이 없어 중요한 측정 응용 분야에 이상적입니다.

이 글에서는 물리적 레이아웃, 작동 원리, 세 가지 중요한 성능 매개변수(선형 범위, 선형성 오차, 감도)를 자세히 다룹니다.

LVDT의 구조

그림 1은 일반적인 LVDT 단면도와 등가 회로를 보여줍니다. 이 장치는 두 개의 2차 권선으로 둘러싸인 단일 1차 권선으로 구성됩니다. 일반적으로 비철봉인 강자성 코어가 코일 축을 따라 자유롭게 움직일 수 있습니다. 코어가 이동하면 각 2차 권선에 대한 자기 결합이 변하여 위치 의존적 전압을 생성합니다.

그림 1(a). LVDT 단면도. Honeywell 제공 이미지

그림 1(b). LVDT 회로 모델

두 2차 권선은 직렬 반대 연결되어 있습니다: 직렬로 연결되었지만 반대 방향으로 감겨 있습니다. 코어는 측정 대상 물체에 부착되고 코일 어셈블리는 고정됩니다.

작동 원리

코어가 중심에 위치하면 동일한 자기 플럭스가 두 2차 권선을 연결합니다. 2차 권선이 반대 방향으로 감겨 있으므로 유도 전압이 상쇄되어 출력 전압이 0이 됩니다(V_out = 0). 이는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. 완벽하게 중심에 위치한 코어의 LVDT

코어를 위로 이동시키면 첫 번째 2차 권선과의 결합이 강화되어 두 번째 2차 권선보다 더 큰 전압이 생성됩니다(|V_s1| > |V_s2|). 결과 출력은 0이 아니며 여기 신호와 위상이 일치합니다(그림 3 참조).

그림 3. 코어가 위로 이동된 LVDT

반대로 코어가 아래로 이동하면 두 번째 2차 권선이 유리해지며, 이상적으로 여기 신호와 180° 위상 차이를 가진 음성 출력이 생성됩니다. 이 시나리오의 파형은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4. 코어가 아래로 이동된 LVDT

전달 함수

코어 변위와 출력 전압 사이의 관계는 그림 5에 포착되어 있습니다. 전달 곡선은 널 포인트 주변에서 선형적이지만 제한된 변위 범위 내에서만 그렇습니다.

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

진폭만 측정하면 변위 방향을 알 수 없습니다. 좌우 움직임을 구별하려면 위상 정보가 필수적입니다.

선형 범위

선형 영역을 벗어나면 자기 결합이 포화되어 출력이 직선 추세에서 벗어납니다. 출력이 선형으로 유지되는 최대 변위를 풀스케일 범위라고 정의합니다. LVDT는 ±100µm에서 ±25cm까지 다양하며 실험실, 산업, 잠수용으로 적합합니다.

선형성 오차

명목상 선형 범위 내에서도 출력 곡선은 완벽하게 직선이 아닙니다. 최적 적합 선에서의 최대 편차를 선형성 오차라 하며, 일반적으로 풀스케일 출력의 백분율로 표현됩니다. 예를 들어 Measurement Specialties E-100 LVDT는 ±0.5% 선형성 오차를 명시합니다.

자기 포화는 널 포인트에서도 3차 고조파 성분을 유입시킬 수 있으며, 이는 출력에 로우패스 필터를 적용하여 완화할 수 있습니다.

감도

감도(전달 비율)는 출력 전압을 코어 변위와 연결합니다. 1차가 권장 레벨(예: E-100의 3V_RMS)로 여기되면 코어를 풀스케일 변위만큼 이동시킵니다. 결과 출력 전압으로 감도를 구합니다:

\[\text{감도} = \frac{V_{out}}{V_{Primary}\times\text{코어 변위}}\]

일반적인 단위는 여기 전압 1볼트당 코어 변위 1밀(천분의 1인치)당 밀리볼트 출력(mV/V/mil)입니다. E-100은 2.4 mV/V/mil을 제공하여 설계자가 조절 증폭기를 정확하게 크기 조정할 수 있게 합니다.

요약하면, LVDT는 높은 분해능, 우수한 선형성, 제로 기계적 마찰을 결합하여 광범위한 응용 분야에서 정밀 변위 측정을 위한 초석 변환기입니다.