Transformator Diferensial Linier Variabel (LVDT): Dasar, Desain, dan Metrik Kinerja Utama
Jelajahi prinsip inti LVDT: struktur, operasi, fungsi transfer, rentang linier, linieritas, dan sensitivitas.
Transformator diferensial linier variabel (LVDT) adalah transduser elektromekanik presisi yang mengubah perpindahan inti mekanis menjadi tegangan AC proporsional. Ia memberikan resolusi tak terbatas, linearitas di bawah 0.5%, sensitivitas tinggi, dan hampir tidak ada gesekan mekanis, menjadikannya ideal untuk aplikasi pengukuran kritis.
Dalam artikel ini kita merinci tata letak fisik, prinsip kerja, dan tiga parameter kinerja kritis—rentang linier, kesalahan linearitas, dan sensitivitas.
Struktur LVDT
Gambar 1 menggambarkan potongan LVDT tipikal dan sirkuit ekivalennya. Perangkat terdiri dari satu gulungan primer yang dikelilingi oleh dua gulungan sekunder. Inti feromagnetik, biasanya batang non-ferrous, bebas bergerak sepanjang sumbu gulungan. Saat inti bergeser, kopling magnetik ke setiap sekunder berubah, menghasilkan tegangan yang bergantung pada posisi.
Gambar 1(a). Tampilan potongan LVDT. Gambar dengan izin Honeywell
Gambar 1(b). Model sirkuit LVDT
Dua gulungan sekunder berseberang seri: mereka terhubung secara seri tetapi dililit dalam arah yang berlawanan. Inti melekat pada objek yang diukur; rangkaian gulungan tetap diam.
Cara Kerja
Saat inti berada di tengah, fluks magnetik sama menghubungkan kedua sekunder. Karena sekunder dililit berlawanan, tegangan yang diinduksinya saling membatalkan, menghasilkan tegangan output nol (Vout = 0). Ini ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2. LVDT dengan inti yang terpusat sempurna
Menggeser inti ke atas memperkuat kopling ke sekunder pertama, menciptakan tegangan yang lebih besar di sana dibandingkan sekunder kedua (|Vs1| > |Vs2|). Output yang dihasilkan tidak nol dan dalam fase dengan eksitasi, seperti diilustrasikan dalam Gambar 3.
Gambar 3. LVDT dengan inti digeser ke atas
Sebaliknya, pergeseran inti ke bawah mendukung sekunder kedua, menghasilkan output negatif yang idealnya 180° di luar fase dengan eksitasi. Waveform untuk skenario ini ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4. LVDT dengan inti digeser ke bawah
Fungsi Transfer
Hubungan antara perpindahan inti dan tegangan output ditangkap dalam Gambar 5. Kurva transfer linier di sekitar titik nol, tetapi hanya dalam rentang perpindahan yang terbatas.
Gambar 5. Gambar dengan izin Ramón Pallàs-Areny dan John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning
Mengukur hanya amplitudo tidak dapat menunjukkan arah perpindahan; informasi fase esensial untuk menyelesaikan gerakan kiri versus kanan.
Rentang Linier
Di luar daerah linier, kopling magnetik memenuhi dan output menyimpang dari tren garis lurus. Perpindahan maksimum di mana output tetap linier didefinisikan sebagai rentang full-scale. LVDT tersedia dari ±100 µm hingga ±25 cm, cocok untuk penggunaan laboratorium, industri, dan bawah air.
Kesalahan Linearitas
Bahkan dalam rentang linier nominal, kurva output tidak sempurna lurus. Deviasi terbesar dari garis terbaik disebut kesalahan linearitas, biasanya diekspresikan sebagai persentase dari output full-scale. Misalnya, LVDT E-100 Measurement Specialties mencantumkan kesalahan linearitas ±0.5 %.
Pemenuhan magnetik dapat memperkenalkan komponen harmonik ketiga bahkan di nol; ini dapat diatasi dengan filter low-pass pada output.
Sensitivitas
Sensitivitas—atau rasio transfer—menghubungkan tegangan output dengan perpindahan inti. Dengan primer dienergikan pada tingkat yang disarankan (3 VRMS untuk E-100), inti digerakkan oleh perpindahan full-scale. Tegangan output yang dihasilkan memberikan sensitivitas melalui:
\[\text{Sensitivitas} = \frac{V_{out}}{V_{Primary}\times\text{Perpindahan Inti}}\]
Satuan tipikal adalah milivolt output per volt eksitasi per seribu inci perpindahan inti (mV/V/mil). E-100 menawarkan 2.4 mV/V/mil, memungkinkan desainer untuk menentukan amplifier kondisi secara akurat.
Ringkasnya, LVDT menggabungkan resolusi tinggi, linearitas yang bagus, dan tidak ada gesekan mekanis, menjadikannya transduser dasar untuk pengukuran perpindahan yang presisi di berbagai aplikasi.
