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Sensor

Sensibilidade e Faixa do LVDT

Calcula tensão de saída do LVDT, sensibilidade em mV/mm e faixa linear a partir da excitação e curso.

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Fórmula

Vout=S×Vex×(x/FS)×100V_out = S × V_ex × (x/FS) × 100
S— Sensibilidade (mV/V/%FS)
x— Deslocamento do núcleo (mm)

Como Funciona

Esta calculadora calcula a tensão de saída do LVDT (Transformador Diferencial Variável Linear) a partir do deslocamento, essencial para engenheiros de metrologia de precisão, projetistas de atuadores aeroespaciais e desenvolvedores de máquinas CNC. Um LVDT é um sensor eletromecânico que converte a posição linear em uma tensão AC com resolução essencialmente infinita. Consiste em um enrolamento primário e dois enrolamentos secundários em um molde cilíndrico com um núcleo ferromagnético de movimento livre. A excitação AC (normalmente de 1 a 10 kHz) do primário induz tensões nos secundários; quando o núcleo está centralizado, as tensões secundárias são iguais e opostas, fornecendo saída diferencial zero. O deslocamento do núcleo causa desequilíbrio de tensão proporcional à posição: Vout = S Vex (x/FS), onde S é sensibilidade em mV/V por mm (normalmente 1-5 mV/V/mm), Vex é amplitude de excitação, x é deslocamento e FS é curso completo. De acordo com MIL-PRF-24042 (Especificação de desempenho: transdutores, diferencial variável linear, especificação geral para) e SAE ARP4187 (prática aeroespacial recomendada para transformadores diferenciais variáveis lineares), os LVDTs de precisão alcançam +/ -0,1% de linearidade acima de +/ -80% do curso e resolução infinita (limitada apenas pelo condicionamento do sinal). A rastreabilidade da calibração LVDT segue o NIST SP 811 (Guia do NIST para o SI) e o padrão IEEE 1451.4 (padrão IEEE para uma interface de transdutor inteligente para sensores e atuadores — protocolos de comunicação de modo misto e formatos de folha de dados eletrônicos de transdutores). O coeficiente de temperatura é normalmente de +/- 0,02% /C de acordo com os fabricantes Honeywell, Macro Sensors e TE Connectivity.

Exemplo Resolvido

Problema: Projete o condicionamento de sinal para um sensor macro GHSA-750-500 LVDT (curso +/- 12,7 mm, sensibilidade 2,5 mV/V/mm) em um sistema de feedback de servoválvula hidráulica. A excitação é de 3 Vrms a 5 kHz, saída alvo de 10 V em curso completo.

Solução:

  1. Sensibilidade de curso completo: 2,5 mV/V/mm * 12,7 mm = 31,75 mV/V em curso completo
  2. Saída de curso completo: Vout_FS = 31,75 mV/V * 3V = 95,25 mV rms
  3. Demodulador necessário+ganho do amplificador: G = 10V/0,09525V = 105 V/V
  4. Use o condicionador de sinal AD598 LVDT (excitação + demod+saída DC em um IC)
  5. Conjunto de ganhos AD598: Rg = 62,5 k/ (G/10 - 1) = 62,5 k/ 9,5 = 6,58 kOhm
  6. Largura de banda: definida pelas tampas de filtro AD598, use 10 Hz para estabilidade do servo (resposta de 100 ms)
  7. Resolução: o ruído AD598 é de 15 uV rms -> 15 uV/(95,25 mV/12,7 mm) = 2 um
  8. Erro de linearidade: +/ -0,1% * 12,7 mm = +/- 12,7 um
Resultado: O AD598 com Rg = 6,8 kOhm fornece saída de +/- 10 V em um curso de +/- 12,7 mm. A resolução é de 2 um, limitada pelo ruído eletrônico, não pela resolução LVDT.

Dicas Práticas

  • ✓Use ICs condicionadores de sinal LVDT dedicados (AD598, AD698, LDC1614) para fornecer excitação, demodulação sensível à fase e filtragem em um único pacote; o AD598 opera a partir de uma única fonte de 9 a 36 V de acordo com a ficha técnica de dispositivos analógicos
  • ✓Combine a frequência de excitação com a especificação LVDT: frequências mais baixas (100 Hz-1 kHz) reduzem as perdas de corrente parasita no núcleo; frequências mais altas (5-10 kHz) melhoram a largura de banda para medição dinâmica da posição; o ideal é normalmente de 2 a 5 kHz
  • ✓Certifique-se de que o núcleo seja guiado mecanicamente para se mover somente axialmente; o movimento lateral ou a inclinação introduzem não linearidade e podem causar desgaste prematuro nos rolamentos de guia; a folga radial deve ser <50 um por MIL-PRF-24042

Erros Comuns

  • ✗Aplicação de excitação DC: LVDTs requerem excitação AC (normalmente onda senoidal de 1-10 kHz) porque o acoplamento do transformador só funciona com campos magnéticos variáveis no tempo; DC não produz saída de acordo com a teoria básica do transformador
  • ✗Medindo a saída LVDT com voltímetro DC: a saída bruta é AC proporcional em amplitude ao deslocamento; um demodulador sensível à fase (AD598, AD698) a converte em DC bipolar proporcional ao deslocamento sinalizado
  • ✗Excedendo a faixa de curso linear: além de +/ -80% do curso nominal, a saída se torna cada vez mais não linear (desvio de 2-5%); use um LVDT com curso 25% maior do que o necessário de acordo com o guia de aplicação de sensores macro

Perguntas Frequentes

Os LVDTs não têm contato (sem atrito entre o núcleo e os enrolamentos), têm resolução infinita (sem quantização), longa vida útil (> 100 milhões de ciclos por MIL-PRF-24042 versus 1-10 milhões para potenciômetros) e são imunes à contaminação. Os potenciômetros sofrem desgaste do limpador, etapas de resolução finitas (dependendo do passo do enrolamento) e variabilidade da resistência de contato. Os LVDTs custam $50-500 versus $5-50 para potenciômetros, mas são necessários em aplicações de alta confiabilidade (aeroespaciais, nucleares, dispositivos médicos) de acordo com as especificações de confiabilidade SAE ARP4187.
O LVDT (Transformador Diferencial Variável Linear) mede o deslocamento linear com cursos típicos de +/- 1 mm a +/- 500 mm. O RVDT (Transformador Diferencial Variável Rotativo) mede a rotação angular usando o mesmo princípio com o núcleo rotativo; a faixa típica é de +/- 40 graus para uma boa linearidade. Para a medição completa de rotação de 360 graus, resolvedores (princípio semelhante, vários pares de pólos) são usados em seu lugar. Tanto o LVDT quanto o RVDT alcançam +/- 0,1% de linearidade de acordo com as folhas de especificações da Honeywell e da Moog.
Você pode usar a detecção de valor absoluto retificado para detecção somente de magnitude (sem informações de direção); a saída é sempre positiva, independentemente da direção do núcleo. Para a medição bidirecional necessária em sistemas servo, a detecção sensível à fase (PSD) ou o amplificador de bloqueio são obrigatórios para determinar o sinal de deslocamento da relação de fase de 0/180 graus com a excitação. Os condicionadores de sinal integrados (AD598, AD698) incluem PSD; para projetos personalizados, use multiplicador analógico (AD633) ou demodulação síncrona com referência do oscilador de excitação.

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