Pengantar Transformer Diferensial Variabel Linier (LVDT)

Mencari pengenalan singkat tentang LVDT? Artikel ini akan menjelaskan dasar-dasar LVDT, termasuk struktur, sirkuit, fungsi transfer, rentang linier, sensitivitas, dan banyak lagi.

Transformator diferensial variabel linier (LVDT) adalah transduser elektromekanis yang merasakan perpindahan mekanis inti dan menghasilkan tegangan AC proporsional pada output. Resolusi tinggi (dalam teori tak terbatas), linieritas tinggi (0,5% atau lebih baik), sensitivitas tinggi, dan gesekan mekanis nol adalah beberapa fitur penting dari perangkat LVDT.

Dalam artikel ini, kita akan melihat struktur dan prinsip kerja LVDT. Kami juga akan memeriksa tiga parameter penting dari sensor ini:rentang linier, kesalahan linieritas, dan sensitivitas.

Struktur LVDT

Gambar 1 menunjukkan tampilan cutaway dan model sirkuit dari LVDT dasar. Ini terdiri dari satu belitan primer yang digabungkan ke dua belitan sekunder melalui inti yang dapat digerakkan. Saat inti permeabel secara magnetis bergerak, kopling magnetik antara belitan primer dan masing-masing belitan sekunder berubah. Ini menghasilkan sinyal tegangan yang bergantung pada posisi di kedua belitan yang dapat digunakan untuk menentukan posisi suatu objek.

Gambar 1(a). Tampilan potongan LVDT. Gambar milik Honeywell

Gambar 1(b). Model rangkaian LVDT

Dua gulungan sekunder adalah seri-berlawanan yang berarti bahwa mereka terhubung secara seri tetapi luka dalam arah yang berlawanan. Inti, biasanya melalui batang non-ferromagnetik, menempel pada objek yang gerakannya diukur dan rakitan kumparan biasanya dipasang pada bentuk stasioner.

Bagaimana Cara Kerjanya?

Gambar 2 menunjukkan bagaimana inti yang terpusat sempurna secara ideal menghasilkan output nol. Input dieksitasi oleh tegangan AC dengan frekuensi yang sesuai (V_EXC ). Karena kedua kumparan sekunder dililitkan secara simetris pada kedua sisi kumparan primer, inti yang berada di tengah menyebabkan kopling magnet yang sama dari primer ke kedua sekunder. Dengan lilitan sekunder yang berlawanan seri, tegangan yang sama dengan polaritas yang berlawanan akan diinduksi pada kedua sekunder (V_s1 =-V_s2 ). Oleh karena itu, tegangan kedua belitan akan hilang dan kita akan memiliki keluaran keseluruhan nol (V_keluar =0).

Gambar 2. LVDT dengan inti yang terpusat sempurna

Ketika inti dipindahkan ke atas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, kopling antara primer dan sekunder pertama menjadi lebih kuat. Hal ini menyebabkan tegangan AC yang lebih besar pada sekunder pertama dibandingkan dengan sekunder kedua (|V_s1 |> |V_s2 |) dan keluaran bukan nol (V_keluar ). Perhatikan bahwa output sefase dengan V_s1 tetapi amplitudonya relatif lebih kecil.

Dengan contoh yang digambarkan pada Gambar 3, output idealnya harus sefasa dengan V_EXC ketika inti mengalami perpindahan ke atas.

Gambar 3. LVDT dengan inti bergerak ke atas

Bentuk gelombang tipikal untuk perpindahan inti ke bawah ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. LVDT dengan inti dipindahkan ke bawah

Dalam hal ini, kopling magnetik antara primer dan sekunder kedua meningkat yang mengarah ke |V_s2 |> |V_s1 |. Seperti yang Anda lihat, kami akan memiliki V_keluar bukan nol yang idealnya 180 ° di luar fase sehubungan dengan tegangan eksitasi.

Fungsi Transfer

Gambar 5 menunjukkan fungsi transfer dari LVDT tipikal. Sumbu x adalah perpindahan inti dari pusat. Sumbu y adalah amplitudo tegangan AC keluaran.

Gambar 5. Gambar milik Ramón Pallás-Areny dan John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning

Pada titik asal (x =0), output idealnya nol. Sebagai inti dipindahkan dari pusat di kedua arah, amplitudo output meningkat secara linier dengan perpindahan inti. Perhatikan bahwa hanya mengukur amplitudo keluaran, kita tidak dapat menentukan apakah inti dipindahkan ke kiri atau ke kanan. Kita perlu mengetahui amplitudo dan fase keluaran.

Jangkauan Linier

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, LVDT menunjukkan fungsi transfer linier hanya pada rentang perpindahan inti yang terbatas. Ini ditetapkan sebagai rentang linier LVDT.

Mengapa perangkat berhenti memiliki hubungan linier di luar rentang ini?

Kita dapat membayangkan bahwa, ketika perpindahan inti dari posisi nol melampaui nilai tertentu, fluks magnet yang sampai ke inti dari belitan primer berkurang. Ini, akibatnya, mengarah pada pengurangan tegangan yang muncul di belitan sekunder yang sesuai. Jarak maksimum yang dapat ditempuh inti dari posisi nolnya saat memiliki fungsi transfer linier disebut sebagai perpindahan skala penuh.

Rentang luas LVDT tersedia yang mencakup rentang perpindahan sesedikit ±100 m hingga ±25 cm. LVDT yang mampu mengukur rentang yang lebih besar juga digunakan di laboratorium, industri, dan lingkungan submersible.

Kesalahan Linearitas

Plot keluaran LVDT versus perpindahan inti bukanlah garis lurus yang sempurna bahkan dalam kisaran linier. Keluaran dapat sedikit menyimpang dari garis lurus yang dibuat agar paling sesuai dengan data keluaran.

Salah satu mekanisme yang dapat menyebabkan non-linier dalam rentang linier nominal perangkat adalah saturasi bahan magnetik. Ini dapat menghasilkan komponen harmonik ke-3 bahkan ketika inti berada pada posisi nol. Harmonik ini dapat ditekan dengan menerapkan filter low-pass ke output LVDT.

Deviasi maksimum output LVDT dari kecocokan garis lurus yang diharapkan dianggap sebagai kesalahan linieritas. Kesalahan linieritas biasanya dinyatakan sebagai persentase +/- dari output rentang penuh. Misalnya, E-100 LVDT dari Measurement Specialties, Inc., memiliki kesalahan linieritas maksimum ±0,5% dari rentang skala penuh.

Sensitivitas

Sensitivitas atau rasio transfer memungkinkan kita untuk menghubungkan tegangan keluaran dengan perpindahan inti. Untuk menentukan sensitivitas, kami memberi energi pada drive utama pada tingkat drive yang disarankan (3 V_RMS untuk E-100 LVDT) dan pindahkan inti dari posisi nol dengan perpindahan skala penuh. Sekarang, kita mengukur tegangan pada dua gulungan sekunder untuk menemukan tegangan keluaran keseluruhan (V_keluar ). Mengganti nilai-nilai ini dalam persamaan berikut, kita dapat menemukan sensitivitas LVDT:

\[Sensitivitas =\frac{V_{out}}{V_{Primary} \times (Core~Displacement)}\]

Sensitivitas biasanya ditentukan dalam hal output milivolt per Volt eksitasi per seperseribu inci perpindahan inti (mV/V/mil). Misalnya, sensitivitas E-100 adalah 2,4 mV/V/mil. Memiliki sensitivitas, kita dapat menentukan penguatan yang diperlukan dari sirkuit pengkondisian sinyal.