Tutorial técnico · Schreiber Messtechnik
Princípio de funcionamento
Un LVDT es muy parecido a cualquier otro transformador: consta de un bobinado primario, un bobinado secundario y un núcleo magnético. Se aplica una corriente alterna, la señal portadora, en el bobinado primario, que produce un campo magnético variable alrededor del núcleo. Ese campo induce una tensión alterna (CA) en el bobinado secundario próximo al núcleo. Como en cualquier transformador, la tensión inducida es una relación lineal del número de espiras.
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| Vout | Tensão de saída |
| Vin | Tensión de entrada |
| Nout | Número de espiras del bobinado secundario |
| Nin | Número de espiras del bobinado primario |
Al desplazarse el núcleo, el número de espiras expuestas del bobinado secundario cambia de forma lineal, y la amplitud de la señal inducida cambia también linealmente con el desplazamiento. La salida es lineal para pequeños desplazamientos mientras el núcleo permanezca dentro del bobinado primario; la distancia exacta depende de la geometría del LVDT.
Construcción y punto nulo
Las letras LVDT son el acrónimo de Linear Variable Differential Transformer, un transductor electromecánico que convierte el movimiento rectilíneo de un objeto acoplado mecánicamente en una señal eléctrica. Estos sensores miden movimientos desde unas pocas millonésimas de pulgada hasta varias pulgadas, y posiciones de hasta ±20 pulgadas.
| Elemento | Descrição |
|---|---|
| Arrollamiento primario | Centrado entre dos canaletas para los bobinados secundarios, simétricamente espaciados respecto al primario |
| Bobinados | Sobre una pieza hueca de polímero reforzado con cristal, térmicamente estable, encapsulada contra la humedad; con escudo magnético de elevada permeabilidad y cilindro de acero inoxidable; es normalmente el elemento fijo |
| Essencial | Armadura tubular de material magnéticamente permeable, libre para moverse axialmente dentro del hueco de los bobinados y acoplada mecánicamente al objeto medido; sin contacto físico con los bobinados |
| Punto nulo | Posición del núcleo equidistante de S1 y S2: los voltajes E1 y E2 son iguales y la tensión diferencial (E1 – E2) es efectivamente 0 |
| Núcleo hacia S1 | E1 aumenta y E2 disminuye: tensión diferencial E1 – E2 |
| Núcleo hacia S2 | E2 aumenta: tensión diferencial E2 – E1 |
Señal de salida, fase y sentido del desplazamiento
Los dos bobinados secundarios se conectan en sentido opuesto: con el mismo campo magnético variable sus tensiones tienen igual amplitud y signo contrario, y se suman conectándolos a un punto común de centro. En la posición de equilibrio, generalmente de desplazamiento cero, la salida es cero. La señal de CA inducida se demodula para obtener una tensión de CC sensible a la amplitud y a la fase.
| Recurso | Dados do documento |
|---|---|
| Valor de Eo con el máximo desplazamiento | Depende de la tensión de excitación del primario y de la sensibilidad del LVDT; típicamente varios volts efectivos (RMS) |
| Fase de Eo respecto a la excitación | Constante hasta que el centro del núcleo pasa por el punto nulo; allí cambia bruscamente 180 grados |
| Uso del cambio de fase | Determina el lado del núcleo respecto al punto nulo con la circuitería apropiada; la polaridad de salida indica la posición |
| Linearidade | Muy lineal en el rango específico de movimiento del núcleo; puede usarse en un rango extendido con alguna reducción de la linealidad |
| Efecto no lineal | La relación es lineal mientras el núcleo se exponga a todas las espiras del bobinado primario |
Acondicionamiento de señal y demodulación
En la práctica los LVDT se usan con etapas demoduladoras de portadora que suministran la señal portadora al primario y convierten la señal de CA inducida en CC. El demodulador sensible a la fase es un conversor AC/DC que da una tensión DC, típicamente entre 0 y 10 volts, proporcional a la salida del LVDT y sensible a su fase respecto a la portadora.
| Fato | Valor |
|---|---|
| Alimentación del LVDT | Típicamente 3 V (RMS) a 2,5 kHz, distinta de la red |
| Núcleo hacia un lado del primario | Salida en fase con la entrada; el demodulador da una señal positiva |
| Núcleo hacia el otro lado | Salida desfasada 180 grados; el demodulador da una tensión negativa proporcional al desplazamiento |
| Funciones del acondicionador | Suministrar la excitación; convertir la salida de CA de bajo nivel en CC de alto nivel; decodificar el sentido por el defasaje de 180 grados; dar un nivel de salida con cero ajustable eléctricamente |
| Formatos disponibles | Chips y placas para aplicaciones OEM, módulos e instrumentos de laboratorio completos |
| LVDT de continua | Electrónica integrada: entrada DC y salida DC, con prácticamente todos los beneficios del LVDT; puede no ser adecuado para algunas aplicaciones o instalaciones |
| Demodulador síncrono | Es el único que da un cero real en la posición neutra del núcleo |
| Demodulador pasivo con diodos | Suficiente en casos menos críticos; se pierde algo de linealidad pero se prescinde del reajuste de fase |
En el demodulador pasivo no hay resistencia entre los diodos y el amplificador. Un amplificador diferencial de corriente continua aprecia la diferencia de magnitud y cambia de polaridad cuando el núcleo pasa por la posición neutral: la salida es positiva si predomina la señal en la entrada no inversora y negativa si predomina la de la inversora.
Características del LVDT
| Recurso | Detalle |
|---|---|
| Operación libre de fricción | No hay contacto mecánico entre núcleo y bobinado; útil en prueba de materiales, medición de desplazamiento por vibración y sistemas dimensionales de alta resolución |
| Resolução infinita | Acoplamiento electromagnético sin fricción; la resolución la limitan solo el acondicionador y el display de salida |
| vida mecânica ilimitada | Importante en aplicaciones de alta confiabilidad como aeroplanos, satélites, vehículos espaciales e instalaciones nucleares, y en controles de proceso industrial y automatización de fábrica |
| Resistencia a la sobre excursión | El agujero interno de la mayoría de los LVDT está abierto a ambos lados; el núcleo pasa por los bobinados sin daños; aplicable a extensómetros en ensayos de resistencia de materiales |
| Sensibilidad de eje simple | Responde al movimiento a lo largo del eje del bobinado e ignora en general el movimiento transversal o la posición radial; funciona con movimientos no alineados o flotantes |
| Núcleo y bobinados separados | Un tubo no magnético entre núcleo y agujero permite contener un fluido comprimido; usado en retroalimentación de posición de pistón en hidráulica proporcional y servoválvulas |
| Em volta | Encapsulado epoxi, resistente a la humedad, a choques, cargas y altos niveles de vibración en todos los ejes; escudo magnético que minimiza los campos externos de CA; casco y núcleo de metales resistentes a la corrosión; sellado hermético por soldadura para vapores y líquidos combustibles o corrosivos |
| Temperatura | Los LVDT ordinarios operan en una gama muy amplia; pueden producirse para temperaturas criogénicas o, con materiales especiales, para radiación y temperaturas de reactores nucleares |
| Estabilidad del punto nulo | Muy estable y constante en una amplia gama de temperatura; adecuado como sensor de posición nula en sistemas de lazo cerrado y servobalanceados |
| Resposta dinâmica | Sin fricción, la respuesta la limitan solo los efectos inerciales de la masa del núcleo; normalmente la determina el acondicionador |
| Saída definitiva | Tras una pérdida de alimentación, el valor de salida al reiniciar es el mismo que antes del fallo |
Para medir fuerzas, como el LVDT solo acusa desplazamiento, hace falta un elemento elástico (resortes, flejes, anillos dinamométricos, etc.). El documento muestra dos montajes, para fuerzas de tracción y de compresión.
Perguntas frequentes
¿Qué es un LVDT?
Un Transformador Diferencial Variable Lineal: un sensor de posición que da una tensión de salida de CA proporcional al desplazamiento de su núcleo a través de sus arrollamientos.
¿Cómo indica el LVDT el sentido del desplazamiento?
Los dos secundarios se conectan en sentido opuesto. Al pasar el núcleo por el punto nulo, la fase de la salida cambia 180 grados y la polaridad de la señal demodulada indica el lado.
¿Qué alimentación necesita un LVDT?
Corriente alterna de amplitud y frecuencia distintas de las de la red, típicamente 3 V (RMS) a 2,5 kHz, suministrada por el acondicionador de señal.
¿Pierde la posición un LVDT al cortarse la alimentación?
No. Es un dispositivo de salida absoluta: al reiniciar el sistema, el valor de salida es el mismo que antes del fallo.
¿Por qué un LVDT no tiene desgaste?
En uso normal no hay contacto mecánico entre el núcleo y el bobinado, de modo que no hay roce, arrastre ni otra fuente de fricción.
¿Qué tensión da el demodulador de portadora?
Una tensión DC, típicamente entre 0 y 10 volts, proporcional a la magnitud de salida y sensible a su fase.
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