LVDT Positionssensor Tutorial
Wie LVDT funktioniert
Was ist LVDT?
LVDT steht für Linear Variable Differential Transformer (linearer variabler Differenzialtransformator), eine Art elektromechanischer Sensor, der mechanische Veränderungen in der linearen Bewegung in entsprechende elektronische Signale umwandelt. LVDT-Linearwegsensoren können Verschiebungen von nur 0,1 mm oder bis zu 1000 mm messen. Lineare LVDT-Positionssensoren können Verlagerungen von 0,1 mm und bis zu 1000 mm messen.
Seit über 50 Jahren sind LVDT-Wegaufnehmer ein zuverlässiges Instrument zur linearen Positionsrückmeldung für eine Vielzahl von Anwendungen in Labor, Industrie, Militär und Luft- und Raumfahrt. LVDT-Wegaufnehmer sind von Natur aus zuverlässige Geräte, die hochgenaue lineare Wegmessungen von 0,1 mm bis 1000 mm liefern und für einen breiten Betriebstemperaturbereich geeignet sind.
Abbildung 1 zeigt die einzelnen Komponenten eines typischen LVDT-Wegsensors. Der innere Aufbau des Sensors enthält eine Primärspule und zwei Sekundärspulen. Diese Spulen sind auf ein hohles, hochfestes Grundgerüst gewickelt, mit einer hochpermeablen magnetischen Barriere umhüllt, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen, und in einem zylindrischen Edelstahlrohr versiegelt. Diese Kombination von Spulen wird häufig für Positionssensoren benötigt.
Die Betätigungseinheit des LVDT ist ein permeabler zylindrischer Kern, der sich innerhalb der Hohlspule frei bewegen kann und mit dem Objekt verbunden ist, dessen Position gemessen werden soll. Die Innenbohrung der Spule ist größer als der Außendurchmesser des Kerns, so dass ein wirksamer Spalt entsteht und keine Reibung oder Berührung zwischen dem Kern und der Spule möglich ist.
Bei der Verwendung wird ein Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz an die Primärspulen angelegt, auch als Primärerregung bezeichnet, und das Ausgangssignal des LVDT ist die Wechselspannungsdifferenz zwischen den beiden Sätzen von Sekundärspulen, die mit der Position des Eisenkerns innerhalb der Spulen variiert. Die Wechselstrom-Ausgangsspannung des LVDT wird in der Regel durch eine elektronische Schaltung demoduliert und in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom umgewandelt, um dem Benutzer die Arbeit zu erleichtern.
Wie LVDT funktioniert
Abb. 2 Variation der LVDT-Kerne an verschiedenen Stellen
Abbildung 2 Was passiert, wenn sich der Kern eines LVDT-Wegaufnehmers in einer anderen Position befindet. Die Primärspule (P) des LVDT wird durch eine Wechselstromversorgung von 2,5KHz bis 10KHz magnetisiert. Wenn die Primärspule (P) eines LVDT durch eine Wechselstromversorgung von 2,5KHz bis 10KHz erregt wird, wird der erzeugte magnetische Fluss über den Kern in die benachbarten Sekundärspulen S1 und S2 eingekoppelt, und derselbe Fluss wird in die Sekundärseite eingekoppelt, wenn sich der Kern in der Mitte von S1 und S2 befindet. Daher sind die in jeder Spule induzierten Spannungen E1 und E2 gleich. Befindet sich der Kern also in der Mitte, dem so genannten Ursprung, sollte die Ausgangsspannungsdifferenz (E1 - E2) gleich Null sein.
Wenn sich der Kern vom Mittelpunkt des LVDT (dem so genannten Nullpunkt) entfernt, wird das Signal von der Primärseite stärker in eine Sekundärseite eingekoppelt als in die andere. Wenn sich der Kern über S1 bewegt, steigt die Ausgangsspannung von S1. Wenn sich der Kern über S2 bewegt, steigt die Leistung von S2. （Die Werte von (S1 - S2) und (S2 - S1) werden zu einer linearen Funktion der Position des Kerns, wenn er sich in Richtung S1 bzw. S2 bewegt.
Der typische Ausgang eines Wechselstrom-LVDT ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Ausgangsspannungen (S1 - S2) und (S2 - S1) steigen proportional an, wenn sich der Kern in beiden Richtungen über den LVDT-Bereich von Null entfernt.
Abbildung 3 Typischer Ausgang eines AC-LVDT
DC-Ausgang LVDT
DC-LVDTs sind elektronische Demodulationsschaltungen, die in den Messwertaufnehmer eingebaut sind und es dem Benutzer ermöglichen, einen Gleichstromeingang bereitzustellen und einen Gleichstromausgang zu messen, der der Kernposition entspricht. DC-LVDTs bieten viele der Vorteile der LVDT-Technologie sowie den Komfort, ein Gleichstromsignal bereitzustellen und zu lesen.
Gleichstrom-LVDTs sind durch die Temperatur der elektronischen Komponenten im elektronischen Signalaufbereitungsmodul begrenzt und werden im Allgemeinen in einem Temperaturbereich von -20°C bis 80°C eingesetzt.
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