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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

Vout=S×Vex×(x/FS)×100V_out = S × V_ex × (x/FS) × 100
S— Empfindlichkeit (mV/V/%FS)
x— Kernverschiebung (mm)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner berechnet die LVDT-Ausgangsspannung (Linear Variable Differential Transformer) anhand der Verschiebung, was für Ingenieure in der Präzisionsmesstechnik, Entwickler von Aktuatoren für die Luft- und Raumfahrt und Entwickler von CNC-Maschinen unverzichtbar ist. Ein LVDT ist ein elektromechanischer Sensor, der die lineare Position in eine Wechselspannung mit im Wesentlichen unendlicher Auflösung umwandelt. Er besteht aus einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen auf einem zylindrischen Träger mit einem frei beweglichen ferromagnetischen Kern. Durch Wechselstromerregung (typischerweise 1—10 kHz) der Primärspannung werden Spannungen in den Sekundärleitungen induziert. Wenn der Kern zentriert ist, sind die Sekundärspannungen gleich und entgegengesetzt, sodass die Ausgangsspannung Null ist. Die Kernverschiebung verursacht ein Spannungsungleichgewicht proportional zur Position: Vout = S Vex (x/FS), wobei S die Empfindlichkeit in mV/V pro mm (typischerweise 1-5 mV/V/mm) ist, Vex die Erregungsamplitude ist, x die Verschiebung ist und FS der volle Hub ist. Gemäß MIL-PRF-24042 (Leistungsspezifikation: Wandler, lineares variables Differential, allgemeine Spezifikation für) und SAE ARP4187 (Aerospace Recommended Practice for Linear Variable Differential Transformators) erreichen Präzisions-LVDTs eine Linearität von +/- 80% des Hubs und eine unendliche Auflösung (nur durch Signalkonditionierung begrenzt). Die Rückverfolgbarkeit der LVDT-Kalibrierung folgt NIST SP 811 (NIST Guide to the SI) und dem IEEE-Standard 1451.4 (IEEE-Standard für eine intelligente Transducer-Schnittstelle für Sensoren und Aktoren — Mixed-Mode-Kommunikationsprotokolle und elektronische Datenblattformate für Transducer). Der Temperaturkoeffizient liegt laut Hersteller Honeywell, Macro Sensors und TE Connectivity in der Regel bei +/- 0,02% /C.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwurfssignalkonditionierung für einen Makro Sensors GHSA-750-500 LVDT (Hub +/-12,7 mm, Empfindlichkeit 2,5 mV/V/mm) in einem hydraulischen Servoventil-Feedbacksystem. Die Erregung beträgt 3 Vrms bei 5 kHz, die Zielausgangsleistung beträgt 10 V bei vollem Hub.

Lösung:

  1. Empfindlichkeit bei vollem Hub: 2,5 mV/V/mm * 12,7 mm = 31,75 mV/V bei vollem Hub
  2. Vollhubleistung: VOUT_FS = 31,75 mV/V * 3 V = 95,25 mV rms
  3. Erforderliche Verstärkung durch Demodulator und Verstärker: G = 10 V/0,09525 V = 105 V/V
  4. Verwenden Sie den AD598 LVDT-Signalkonditionierer (Erregung + Demod + DC-Ausgang in einem IC)
  5. AD598-Verstärkungssatz: Rg = 62,5 k/ (G/10 - 1) = 62,5 k/ 9,5 = 6,58 kOhm
  6. Bandbreite: Wird mit AD598-Filterkappen eingestellt, verwenden Sie 10 Hz für die Servostabilität (100 ms Reaktionszeit)
  7. Auflösung: Das AD598-Rauschen beträgt 15 uV rms -> 15 uV/(95,25 mV/12,7 mm) = 2 um
  8. Linearitätsfehler: +/- 0,1% * 12,7 mm = +/-12,7 um
Ergebnis: Der AD598 mit Rg = 6,8 kOhm liefert eine Ausgangsleistung von +/-10 V über einen Hub von +/-12,7 mm. Die Auflösung beträgt 2 µm und wird durch Elektronikrauschen begrenzt, nicht durch die LVDT-Auflösung.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie spezielle LVDT-Signalkonditionierer-ICs (AD598, AD698, LDC1614), um Erregung, phasenempfindliche Demodulation und Filterung in einem einzigen Gehäuse bereitzustellen; der AD598 arbeitet mit einer einzigen 9-36-V-Versorgung gemäß Datenblatt von Analog Devices
  • ✓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 Positionsmessungen; optimal sind typischerweise 2-5 kHz
  • ✓Stellen Sie sicher, dass der Kern mechanisch geführt ist, sodass er sich nur axial bewegt; seitliche Bewegungen oder Kippen führen zu Nichtlinearität und können zu vorzeitigem Verschleiß der Führungslager führen; der radiale Abstand sollte gemäß MIL-PRF-24042 <50 µm betragen

Häufige Fehler

  • ✗Anwendung von Gleichstromerregung: LVDTs benötigen eine Wechselstromerregung (typischerweise Sinuswelle von 1—10 kHz), da die Transformatorkopplung nur bei zeitlich variierenden Magnetfeldern funktioniert; Gleichstrom erzeugt gemäß der grundlegenden Transformatortheorie keine Ausgangsleistung
  • ✗Messung des LVDT-Ausgangs mit einem DC-Voltmeter: Die Ausgangsleistung ist wechselstromproportional in Amplitude zur Verschiebung; ein phasenempfindlicher Demodulator (AD598, AD698) wandelt sie in bipolaren Gleichstrom um, der proportional zur vorzeichenbehafteten Verschiebung ist
  • ✗Überschreitung des linearen Hubbereichs: bei mehr als +/- 80% des Nennhubs wird die Ausgangsleistung zunehmend nichtlinear (2-5% Abweichung); verwenden Sie einen LVDT mit 25% größerem Hub als laut Anwendungshandbuch für Makrosensoren erforderlich

Häufig gestellte Fragen

LVDTs sind berührungslos (keine Reibung zwischen Kern und Wicklungen), haben eine unendliche Auflösung (keine Quantisierung), eine lange Lebensdauer (> 100 Millionen Zyklen pro MIL-PRF-24042 gegenüber 1-10 Millionen bei Potentiometern) und sind immun gegen Kontamination. Potentiometer unterliegen dem Verschleiß des Wischers, einer begrenzten Auflösung (abhängig von der Windungssteigung) und der Variabilität des Kontaktwiderstands. LVDTs kosten 50-500 $ gegenüber 5-50 $ für Potentiometer, sind aber gemäß den SAE ARP4187-Zuverlässigkeitsspezifikationen für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit (Luft- und Raumfahrt, Nukleartechnik, medizinische Geräte) erforderlich.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer) misst lineare Verschiebungen mit typischen Hüben von +/- 1 mm bis +/-500 mm. RVDT (Rotary Variable Differential Transformer) misst die Winkeldrehung nach dem gleichen Prinzip wie beim Rotationskern. Für eine gute Linearität liegt der typische Bereich bei +/-40 Grad. Für eine vollständige 360-Grad-Rotationsmessung werden stattdessen Resolver (ähnliches Prinzip, mehrere Polpaare) verwendet. Sowohl LVDT als auch RVDT erreichen eine Linearität von +/- 0,1% gemäß den Spezifikationsblättern von Honeywell und Moog.
Sie können die rektifizierte Absolutwerterkennung nur für Magnitudenmessungen verwenden (keine Richtungsinformationen); die Ausgabe ist unabhängig von der Kernrichtung immer positiv. Für bidirektionale Messungen, die in Servosystemen erforderlich sind, ist eine phasenempfindliche Erkennung (PSD) oder ein Lock-In-Verstärker erforderlich, um das Verschiebungszeichen aus der 0/180-Grad-Phasenbeziehung zur Erregung zu bestimmen. Zu den integrierten Signalkonditionierern (AD598, AD698) gehört ein PSD. Für kundenspezifische Designs verwenden Sie einen analogen Multiplikator (AD633) oder eine synchrone Demodulation mit Referenz vom Anregungsoszillator.

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