Introdução aos transformadores diferenciais variáveis ​​lineares (LVDTs)

Procurando uma introdução sucinta para LVDTs? Este artigo explicará os fundamentos do LVDT, incluindo estrutura, circuito, função de transferência, faixa linear, sensibilidade e muito mais.

O transformador diferencial variável linear (LVDT) é um transdutor eletromecânico que detecta o deslocamento mecânico de um núcleo e produz uma tensão CA proporcional na saída. Alta resolução (infinita em teoria), alta linearidade (0,5% ou melhor), alta sensibilidade e atrito mecânico zero são algumas das características importantes dos dispositivos LVDT.

Neste artigo, veremos a estrutura e os princípios de funcionamento dos LVDTs. Também examinaremos três parâmetros importantes desses sensores:faixa linear, erro de linearidade e sensibilidade.

Estrutura de um LVDT

A Figura 1 mostra a vista em corte e o modelo de circuito de um LVDT básico. Consiste em um enrolamento primário acoplado a dois enrolamentos secundários por meio de um núcleo móvel. Conforme o núcleo magneticamente permeável se move, o acoplamento magnético entre o primário e cada um dos enrolamentos secundários muda de acordo. Isso produz sinais de tensão dependentes da posição nos dois enrolamentos que podem ser usados ​​para determinar a posição de um objeto.

Figura 1 (a). Vista em corte de um LVDT. Imagem cortesia da Honeywell

Figura 1 (b). Modelo de circuito de um LVDT

Os dois enrolamentos secundários são opostos em série, o que significa que eles estão conectados em série, mas enrolados em direções opostas. O núcleo, normalmente por meio de uma haste não ferromagnética, se conecta ao objeto cujo movimento está sendo medido e a montagem da bobina é normalmente fixada em uma forma estacionária.

Como funciona?

A Figura 2 mostra como um núcleo perfeitamente centrado produz idealmente uma saída zero. A entrada é excitada por uma tensão CA de frequência apropriada (V _EXC ) Como os dois secundários são enrolados simetricamente nos dois lados da bobina primária, um núcleo centralizado leva a um acoplamento magnético igual do primário aos dois secundários. Com os enrolamentos secundários sendo opostos em série, tensões iguais com polaridades opostas serão induzidas entre os dois secundários (V _s1 =-V _s2 ) Portanto, as tensões dos dois enrolamentos serão canceladas e teremos uma saída geral de zero (V _out =0).

Figura 2. LVDT com um núcleo perfeitamente centrado

Quando o núcleo é deslocado para cima, conforme mostrado na Figura 3, o acoplamento entre o primário e o primeiro secundário torna-se mais forte. Isso leva a uma tensão CA maior no primeiro secundário em comparação com o segundo secundário (| V _s1 |> | V _s2 |) e uma saída diferente de zero (V _out ) Observe que a saída está em fase com V _s1 mas sua amplitude é relativamente menor.

Com o exemplo ilustrado na Figura 3, a saída deve estar idealmente em fase com V _EXC quando o núcleo experimenta um deslocamento para cima.

Figura 3. LVDT com o núcleo movido para cima

As formas de onda típicas para o deslocamento para baixo do núcleo são mostradas na Figura 4.

Figura 4. LVDT com o núcleo movido para baixo

Neste caso, o acoplamento magnético entre o primário e o segundo secundário aumenta, levando a | V _s2 |> | V _s1 | Como você pode ver, teremos um V diferente de zero _out que é idealmente 180 ° fora de fase em relação à tensão de excitação.

Função de transferência

A Figura 5 mostra a função de transferência de um LVDT típico. O eixo x é o deslocamento do núcleo a partir do centro. O eixo y é a amplitude da tensão CA de saída.

Figura 5. Imagem cortesia de Ramón Pallás-Areny e John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning

Na origem (x =0), a saída é idealmente zero. Conforme o núcleo é movido para fora do centro em qualquer direção, a amplitude da saída aumenta linearmente com o deslocamento do núcleo. Observe que medindo apenas a amplitude da saída, não podemos determinar se o núcleo está deslocado para a esquerda ou para a direita. Precisamos saber a amplitude e a fase da saída.

Faixa Linear

Conforme mostrado na Figura 5, um LVDT exibe uma função de transferência linear apenas ao longo de uma faixa limitada de deslocamento do núcleo. Isso é especificado como a faixa linear do LVDT.

Por que o dispositivo deixa de ter uma relação linear além dessa faixa?

Podemos imaginar que, quando o deslocamento do núcleo da posição nula ultrapassa um determinado valor, o fluxo magnético que chega a se acoplar ao núcleo do enrolamento primário diminui. Isso, conseqüentemente, leva a uma redução na tensão que aparece no enrolamento secundário correspondente. A distância máxima que o núcleo pode percorrer de sua posição nula enquanto tem uma função de transferência linear é chamada de deslocamento em escala total.

Amplas faixas de LVDTs estão disponíveis, cobrindo faixas de deslocamento de ± 100 μm a ± 25 cm. Os LVDTs capazes de medir faixas maiores também são usados ​​em ambientes de laboratório, industriais e submersíveis.

Erro de linearidade

O gráfico da saída LVDT versus o deslocamento do núcleo não é uma linha reta perfeita, mesmo na faixa linear. A saída pode desviar ligeiramente da linha reta construída para ter o melhor ajuste aos dados de saída.

Um mecanismo que pode levar à não linearidade na faixa linear nominal do dispositivo é a saturação do material magnético. Isso pode produzir o terceiro componente harmônico, mesmo quando o núcleo está na posição nula. Este harmônico pode ser suprimido aplicando-se um filtro passa-baixo à saída LVDT.

O desvio máximo da saída LVDT do ajuste de linha reta esperado é considerado o erro de linearidade. O erro de linearidade é normalmente expresso como uma porcentagem +/- da saída de faixa total. Por exemplo, o E-100 LVDT da Measurement Specialties, Inc., tem um erro de linearidade máximo de ± 0,5% da escala completa.

Sensibilidade

A sensibilidade ou taxa de transferência nos permite relacionar a tensão de saída ao deslocamento do núcleo. Para determinar a sensibilidade, energizamos o primário no nível de unidade recomendado (3 V _RMS para E-100 LVDT) e mova o núcleo para fora da posição nula pelo deslocamento em escala real. Agora, medimos as tensões nos dois enrolamentos secundários para encontrar a tensão de saída geral (V _out ) Substituindo esses valores na seguinte equação, podemos encontrar a sensibilidade LVDT:

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



A sensibilidade é geralmente especificada em termos de saída em milivolts por Volt de excitação por milésimos de deslocamento do núcleo de uma polegada (mV / V / mil). Por exemplo, a sensibilidade do E-100 é 2,4 mV / V / mil. Tendo sensibilidade, podemos determinar o ganho necessário do circuito de condicionamento de sinal.

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Um LVDT é um transdutor eletromecânico que pode ser usado para detectar o deslocamento mecânico de um objeto. Alta resolução (infinita em teoria), alta linearidade (0,5% ou melhor), alta sensibilidade e zero atrito mecânico são algumas das características importantes dos dispositivos LVDT.