고급 AC 위치 변환기: 포텐셔미터부터 인덕토신(Inductosyn) 및 정전용량 센서까지

현대 자동화에서 기계적 움직임을 전기 신호로 정확하게 변환하는 것은 필수적입니다. 열전대와 스트레인 게이지 같은 DC 기반 장치들이 오랫동안 이 목적을 수행해왔지만, 비접촉 동작, 고정밀, 안전이 최우선일 때 AC 변환기들은 독특한 이점을 제공합니다.

포텐셔미터 기초

포텐셔미터 탭 전압이 축 장착 물체의 위치를 나타냄

포텐셔미터는 각도 또는 선형 변위를 비례 전압으로 변환하는 단순하고 저렴한 방법을 제공합니다. 그러나 슬라이딩 와이퍼의 마모로 인해 드리프트, 노이즈, 심지어 유해 환경에서 아크 발생 가능성이 있습니다. 이러한 한계는 요구되는 산업용 또는 안전 중요 응용에 부적합하게 만듭니다.

LVDT (선형 가변 차동 트랜스포머)

슬라이딩 접점을 두 2차 권선 사이를 자유롭게 움직이는 트랜스포머 코어로 대체함으로써 LVDT는 마모를 제거하고 아크 위험을 없앱니다. AC로 여자되는 1차 권선과 직렬 버킹으로 연결된 두 2차 권선으로 구성됩니다. 코어가 움직이면 두 2차에 유도되는 전압이 달라지며, 출력은 그 차동 값입니다.

주요 특징:

• 코어가 중앙에 있을 때 영 출력.
• 출력 진폭이 코어 변위에 비례; 위상이 방향 지시.
• 일반적 여자: ≤10V RMS, 50Hz–20kHz.
• 빠른 응답은 더 높은 여자 주파수 필요; 그렇지 않으면 급속 운동 시 정현파 왜곡 발생.

RVDT (회전 가변 차동 트랜스포머)

기능적으로 LVDT와 유사하게 RVDT는 각도 변위를 측정합니다. 코어가 축에 회전하여 360° 전체가 아닌 일부 구간을 측정할 수 있습니다. 비접촉 고정밀 센싱이 필요한 회전 응용에 이상적입니다.

신크로 / 셀신 (Synchro / Selsyn)

이 장치들은 트랜스포머 원리를 완전 원 회전에 적용합니다. 권선 로터 AC 모터/발전기 구조를 사용하며, 로터에 단일 AC 여자 1차 권선과 다상 고정자를 가집니다. 고정자 유도 전압은 로터 각도에 따라 변하며, 축의 절대 위치를 나타내는 사인과 코사인 출력을 생성합니다.

신크로는 종종 송신기/수신기 쌍으로 동작하여 원격 위치 복제를 가능하게 합니다. 초기 예로는 해군에서 신크로를 사용해 장거리로 러더 각도를 전송한 것이 있습니다. 수신기 로터에 전원을 공급하거나 공급하지 않을 수 있어 오차 검출기로도 기능할 수 있습니다.

인덕토신 (Inductosyn, 리졸버의 선형 버전)

인덕토신은 원형 고정자를 고정된 서펜타인 권선으로, 이동 슬라이더가 두 위상 차이 난 권선을 가지도록 대체합니다. 슬라이더가 서펜타인을 가로지르면 선형 변위를 인코딩하는 사인/코사인 파형을 생성합니다. 100:1 트랜스포머 비율로 몇 볼트 AC 여자는 밀리볼트 레벨 출력을 내며, 리졸버-디지털 컨버터(RDC)가 12비트 해상도로 디지털화하여 25 µinches 정밀도를 달성합니다. 회전형 인덕토신은 12비트 RDC로 서브-아크초 해상도를 제공할 수 있습니다.

정전용량 변환기

정전용량은 판 면적, 간격, 유전율에 따라 변합니다. 이 중 두 변수를 고정하면 정전용량 변환기로 세 번째를 높은 감도로 모니터링할 수 있습니다. H. 크레머(H. Cremer)의 초기 작업(1907)은 정전용량 판으로 심장 활동을 감지했으며, 현대 의료 기기는 카테터 기반 프로브로 실시간 심장 리듬 모니터링에 사용합니다.

정전용량 변환기는 독립형일 수 있습니다: 한 판이 이동하여 겹침 면적이나 간격 거리를 변화시키거나, 유전체가 삽입/제거됩니다. 차동 설계—두 선 대신 세 선 사용—는 외부 교란에 대한 내성을 높입니다.

차동 정전용량 변환기 브리지

브리지 구성에서 차동 출력은 변위에 비례하며 위상이 방향을 나타냅니다. 커패시턴스가 일반적으로 피코파라드 범위이므로 리액턴스를 줄이기 위해 고주파 여자(MHz)가 사용되며, 신중한 차폐로 기생 커패시턴스를 완화합니다.

차동 정전용량 변환기 "트윈-T"

브리지를 트윈-T 회로로 대체하면 읽기를 단일 DC 전압으로 단순화합니다. 다이오드가 교대 반주기 동안 두 커패시터를 충전; 더 오래 전하를 유지하는 커패시터가 더 높은 DC 전압을 생성합니다. 부하 저항이 이 차이를 변위에 정비례하는 DC 출력으로 직접 변환합니다.

장점:

• 순수 DC 출력—위상 분석 불필요.
• 증폭 없이 전자기계 미터 직접 구동 가능.
• 모든 중요 구성요소가 접지 기준, 기생 커패시턴스 오차 감소.
• 공급 주파수 변화에 강건하고 다이오드 드롭 불일치에 관대.

로우패스 필터를 추가하여 잔류 AC를 억제하면 계측용 깨끗한 DC 신호를 얻을 수 있습니다.

전반적으로 LVDT, RVDT, 신크로, 인덕토신, 정전용량 센서 같은 AC 변환기들은 산업 자동화, 로봇공학, 항공우주, 의료 진단을 위한 신뢰성 높고 고정밀 비접촉 위치 감지를 제공합니다.