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Sensor

Sensibilidad y Rango del LVDT

Calcula el voltaje de salida del LVDT, sensibilidad en mV/mm y rango lineal a partir de la excitación y recorrido.

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Fórmula

Vout=S×Vex×(x/FS)×100V_out = S × V_ex × (x/FS) × 100
S— Sensibilidad (mV/V/%FS)
x— Desplazamiento del núcleo (mm)

Cómo Funciona

Esta calculadora calcula el voltaje de salida del LVDT (transformador diferencial variable lineal) a partir del desplazamiento, algo esencial para los ingenieros de metrología de precisión, los diseñadores de actuadores aeroespaciales y los desarrolladores de máquinas CNC. Un LVDT es un sensor electromecánico que convierte la posición lineal en una tensión alterna con una resolución prácticamente infinita. Consiste en un devanado primario y dos devanados secundarios en un molde cilíndrico con un núcleo ferromagnético que se mueve libremente. La excitación por corriente alterna (normalmente de 1 a 10 kHz) del primario induce voltajes en los secundarios; cuando el núcleo está centrado, los voltajes secundarios son iguales y opuestos, lo que produce una salida diferencial cero. El desplazamiento del núcleo provoca un desequilibrio de voltaje proporcional a la posición: Vout = S Vex (X/fs), donde S es la sensibilidad en mV/V por mm (normalmente de 1 a 5 mV/V/mm), Vex es la amplitud de excitación, x es el desplazamiento y FS es la carrera completa. Según la MIL-PRF-24042 (especificación de rendimiento: transductores, diferencial variable lineal, especificación general para) y la SAE ARP4187 (práctica aeroespacial recomendada para transformadores diferenciales variables lineales), los LVDT de precisión alcanzan una linealidad de +/ -0,1% en más del +/ -80% de la carrera y una resolución infinita (limitada solo por el acondicionamiento de la señal). La trazabilidad de la calibración del LVDT sigue el estándar NIST SP 811 (Guía NIST del SI) y el estándar IEEE 1451.4 (estándar IEEE para una interfaz de transductor inteligente para sensores y actuadores: protocolos de comunicación de modo mixto y formatos de hojas de datos electrónicas de transductores). El coeficiente de temperatura suele ser de +/ -0,02% /C según los fabricantes Honeywell, Macro Sensors y TE Connectivity.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe el acondicionamiento de señales para un LVDT GHSA-750-500 de Macro Sensors (carrera +/- 12,7 mm, sensibilidad 2,5 mV/V/mm) en un sistema de retroalimentación de servovalvula hidráulica. La excitación es de 3 Vrms a 5 kHz, el objetivo es una salida de 10 V a toda velocidad.

Solución:

  1. Sensibilidad a carrera completa: 2,5 mV/V/mm * 12,7 mm = 31,75 mV/V a carrera completa
  2. Salida de carrera completa: vout_FS = 31,75 mV/V * 3 V = 95,25 mV rms
  3. Ganancia de demodulador+amplificador requerida: G = 10 V/0.09525 V = 105 V/V
  4. Utilice el acondicionador de señal LVDT AD598 (excitación + demod + salida DC en un IC)
  5. Conjunto de ganancia AD598: Rg = 62,5 k/ (G/10 - 1) = 62,5 k/9,5 = 6,58 kOhm
  6. Ancho de banda: configurado con tapas de filtro AD598, utilice 10 Hz para la estabilidad del servo (respuesta de 100 ms)
  7. Resolución: el ruido del AD598 es de 15 uV rms -> 15 uV/(95,25 mV/12,7 mm) = 2 um
  8. Error de linealidad: +/ -0,1% * 12,7 mm = +/-12,7 um
Resultado: el AD598 con Rg = 6,8 kOhm proporciona una salida de +/-10 V en una carrera de +/-12,7 mm. La resolución es de 2 um, limitada por el ruido electrónico, no por la resolución LVDT.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice circuitos integrados acondicionadores de señal LVDT dedicados (AD598, AD698, LDC1614) para proporcionar excitación, demodulación sensible a las fases y filtrado en un solo paquete; el AD598 funciona con una sola fuente de 9 a 36 V según la hoja de datos de Analog Devices
  • ✓Haga coincidir la frecuencia de excitación con la especificación LVDT: las frecuencias más bajas (100 Hz-1 kHz) reducen las pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo; las frecuencias más altas (5-10 kHz) mejoran el ancho de banda para la medición dinámica de la posición; lo óptimo suele ser de 2 a 5 kHz
  • ✓Asegúrese de que el núcleo esté guiado mecánicamente para que se mueva solo axialmente; el movimiento lateral o la inclinación introducen una falta de linealidad y pueden provocar un desgaste prematuro de los cojinetes guía; la holgura radial debe ser inferior a 50 um según la norma MIL-PRF-24042

Errores Comunes

  • ✗Aplicación de la excitación de corriente continua: los LVDT requieren excitación de corriente alterna (normalmente una onda sinusoidal de 1 a 10 kHz) porque el acoplamiento del transformador solo funciona con campos magnéticos variables en el tiempo; la corriente continua no produce ninguna salida según la teoría básica del transformador
  • ✗Medición de la salida LVDT con un voltímetro de corriente continua: la salida sin procesar es proporcional en amplitud al desplazamiento en corriente alterna; un demodulador sensible a la fase (AD598, AD698) la convierte en corriente continua bipolar proporcional al desplazamiento marcado
  • ✗Superar el rango de carrera lineal: más allá del +/ -80% de la carrera nominal, la salida se vuelve cada vez más no lineal (desviación del 2 al 5%); utilice un LVDT con una carrera un 25% más grande de lo requerido según la guía de aplicación de Macro Sensors

Preguntas Frecuentes

Los LVDT no requieren contacto (no hay fricción entre el núcleo y las bobinas), tienen una resolución infinita (sin cuantificación), una larga vida útil (más de 100 millones de ciclos por MIL-PRF-24042 frente a 1 a 10 millones para los potenciómetros) y son inmunes a la contaminación. Los potenciómetros sufren el desgaste del limpiaparabrisas, los pasos de resolución son finitos (según el paso del bobinado) y la variabilidad de la resistencia de contacto. Los LVDT cuestan entre 50 y 500 dólares, frente a los 5 a 50 dólares de los potenciómetros, pero son necesarios en aplicaciones de alta fiabilidad (aeroespaciales, nucleares o dispositivos médicos), según las especificaciones de fiabilidad del SAE ARP4187.
El LVDT (transformador diferencial variable lineal) mide el desplazamiento lineal con carreras típicas de +/-1 mm a +/-500 mm. El RVDT (transformador diferencial variable rotativo) mide la rotación angular utilizando el mismo principio que el núcleo giratorio; el rango típico es de +/- 40 grados para una buena linealidad. Para medir una rotación completa de 360 grados, en su lugar se utilizan resolutores (principio similar, pares de polos múltiples). Tanto el LVDT como el RVDT alcanzan una linealidad de +/ -0,1% según las hojas de especificaciones de Honeywell y Moog.
Puede utilizar la detección de valores absolutos rectificados para la detección de solo la magnitud (sin información de dirección); la salida siempre es positiva independientemente de la dirección del núcleo. Para la medición bidireccional requerida en los servosistemas, es obligatorio utilizar la detección sensible a la fase (PSD) o el amplificador de bloqueo para determinar el signo de desplazamiento a partir de la relación de fase de 0/180 grados con la excitación. Los acondicionadores de señal integrados (AD598, AD698) incluyen PSD; para diseños personalizados, utilice un multiplicador analógico (AD633) o una demodulación sincrónica tomando como referencia un oscilador de excitación.

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