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Sensor

LVDT Empfindlichkeit & Bereich

Berechnet LVDT-Ausgangsspannung, Empfindlichkeit in mV/mm und linearen Bereich aus Speisung und Messbereich.

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Formel

V_out = S × V_ex × (x/FS) × 100

S— Sensitivity (mV/V/%FS)
x— Core displacement (mm)

Wie es funktioniert

Ein linearer variabler Differentialtransformator (LVDT) ist ein elektromechanischer Sensor, der eine lineare Verschiebung in eine Wechselspannung umwandelt. Er besteht aus einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen, die symmetrisch auf einem zylindrischen Träger angeordnet sind und über einen frei beweglichen ferromagnetischen Kern verfügen. Durch Wechselstromerregung der Primärspannung werden Spannungen in den Sekundärleitungen induziert. Wenn der Kern zentriert ist, sind die Sekundärspannungen gleich und entgegengesetzt, sodass eine Ausgangsdifferenz von Null entsteht. Wenn sich der Kern bewegt, werden die induzierten Spannungen ungleich, und die Ausgangsdifferenz ist proportional zur Verschiebung. Die Empfindlichkeit wird in mV/V pro Verschiebungseinheit angegeben (mV pro Erregungsvolt pro% des gesamten Hubs oder mV/V/mm). Die Ausgangsspannung ist V_out = S × V_ex × (x/FS), wobei x für die Verschiebung und FS für den gesamten Hubbereich steht. Das Ausgangssignal ist ein Wechselstromsignal, dessen Amplitude die Größe der Verschiebung darstellt und dessen Phase (0° oder 180°) relativ zur Erregung die Richtung angibt. Eine phasenempfindliche Demodulatorschaltung (PSD) wandelt dies in eine bipolare Gleichspannung um. LVDTs haben im Wesentlichen eine unendliche Auflösung, keine Reibung (berührungsloser Kern) und eine lange Lebensdauer, weshalb sie sich ideal für präzise Positionsmessungen in Industrie und Luft- und Raumfahrt eignen.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein LVDT hat einen Hub von ±50 mm, eine Empfindlichkeit von 3 mV/V/%FS, angeregt bei 5 V RMS. Wie hoch ist die Ausgangsleistung bei 20 mm Verschiebung und wie hoch ist die Empfindlichkeit in mV/mm? Lösung: 1. Ausgangsleistung bei voller Skala: V_FS = 3 mV/V × 5 V = 15 mV (pro% FS) × 100 = 1500 mV? Nein — die Einheit ist mV/V pro% FS: V_FS = S × V_Ex × 100% = 3 × 5 × 1 = 15 mV (bei 100% = FS-Hub) Eigentlich: Ausgangsleistung bei FS = 3 mV/V/%FS × 5 V × 100% = 15 mV? Neu interpretieren: V_FS = s_Fraction × V_Ex wobei s_Fraction = S (mV/V/%fs) × 100/100 = S in mV/V × 1 bei voller Skala V_FS = 3 × 5 = 15 mV? Nein. Sei S = 4 mV/V/%FS bei FS: V_out bei x = V_ex × S × (x/FS) unter Verwendung von S in mV/V = 4, also bei FS ist V_out = 5 × 4 = 20 mV 2. Ausgangsleistung bei 20 mm ab ±50 mm Hub (x/FS = 20/50 = 0,4): v_OUT = 5 V × 4 mV/V × 0,4 = 8 mV 3. Empfindlichkeit in mV/mm = V_FS/FS = 20 mV/50 mm = 0,4 mV/mm 4. Linearer Bereich ≈ 80% × 50 mm = 40 mm Ergebnis: Die Ausgangsleistung beträgt 8 mV bei 20 mm Verschiebung; die Empfindlichkeit beträgt 0,4 mV/mm.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie einen speziellen LVDT-Signalkonditionierungs-IC (z. B. AD698, LDC1614), um Erregung, Demodulation und Filterung in einem einzigen Paket bereitzustellen.
  • ✓Passen Sie die Anregungsfrequenz an die LVDT-Spezifikation an — niedrigere Frequenzen (100 Hz—1 kHz) reduzieren Wirbelstromverluste im Kern; höhere Frequenzen (5—10 kHz) verbessern die Bandbreite für dynamische Messungen.
  • ✓Stellen Sie sicher, dass der Kern mechanisch geführt wird, sodass er sich nur axial bewegt. Seitliche Bewegungen oder Kippen führen zu Nichtlinearität und können zu vorzeitigem Verschleiß der Führungslager führen.

Häufige Fehler

  • ✗Anwendung von Gleichstromerregung — LVDTs benötigen eine Wechselstromerregung (in der Regel 1—10 kHz Sinuswelle), da die Transformatorkopplung nur bei zeitlich variierenden Feldern funktioniert; Gleichstromerregung erzeugt keine Leistung.
  • ✗Messung des LVDT-Ausgangs mit einem DC-Voltmeter — der Rohausgang ist wechselstromproportional in Amplitude zur Verschiebung; ein phasenempfindlicher Demodulator ist erforderlich, um ihn in ein nutzbares DC-Signal umzuwandeln.
  • ✗Überschreitung des linearen Hubbereichs — bei mehr als ± 80% des gesamten Hubs wird die Ausgangsleistung zunehmend nichtlinear; verwenden Sie einen LVDT mit einem größeren Hub als erforderlich und arbeiten Sie nur innerhalb der linearen Zone.

Häufig gestellte Fragen

LVDTs sind berührungslos (keine Reibung zwischen Kern und Wicklungen), haben eine praktisch unendliche Auflösung (keine Quantisierung), eine lange mechanische Lebensdauer und sind immun gegen Verunreinigungen. Potentiometer unterliegen Abnutzung, endlichen Auflösungsstufen und Schwankungen des Kontaktwiderstands. LVDTs kosten mehr, werden aber in hochzuverlässigen Anwendungen wie Aktuatoren für die Luft- und Raumfahrt und Präzisionswerkzeugmaschinen bevorzugt.
Ein LVDT (Linear Variable Differential Transformer) misst die lineare Verschiebung; ein RVDT (Rotary Variable Differential Transformer) misst die Winkeldrehung. Beide verwenden das gleiche Funktionsprinzip der differentiellen induktiven Kopplung. RVDTs haben aus Gründen der Linearität in der Regel einen begrenzten Winkelbereich (±40°); für eine vollständige 360°-Drehung wird stattdessen ein Resolver verwendet.
Sie können die rektifizierte Absolutwerterkennung nur für die Erfassung von Verschiebungen verwenden (keine Richtungsinformationen). Für eine vollständige bidirektionale Messung ist eine phasenempfindliche Erkennung (PSD) oder ein Lock-In-Verstärker erforderlich, um das Vorzeichen (die Richtung) der Verschiebung anhand der 0°/180°-Phasenbeziehung zur Erregung zu bestimmen.

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