선형 가변 차동 변압기

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선형 가변 차동 변압기

선형 가변 차동 변압기는 이동 가능한 코어의 위치에 비례하는 출력 전압으로 물체의 선형 변위를 측정하는 데 사용되는 매우 정확하고 마찰이 없는 위치 변환기입니다.

선형 가변 차동 변압기 ( LVDT ) 는 외부 힘이나 물체의 선형 기계 위치에 대한 정확하고 마찰 없는 위치 피드백 정보를 제공하는 전기 기계 위치 변환기(센서)입니다.

이름에서 알 수 있듯이 선형 가변 차동 변압기는 AC 변압기와 동일한 원리로 작동하지만 부하 전류나 고전압을 공급하는 대신 상호 인덕턴스라는 변압기의 기본 원리를 사용하여 선형 움직임을 측정합니다.

상호 인덕턴스에 대한 튜토리얼에서 우리는 두 개 이상의 긴 솔레노이드 코일이 동일한 포머 또는 코어에 함께 감겨 있을 때 코일 중 하나에 의해 생성된 자속이 구동 코일 보조에 의해 생성된 자속과 함께 다른 코일과 연결된다는 것을 확인했습니다. 다른 코일에 의해 생성된 자속과 반대됩니다.

따라서 하나의 코일을 통해 흐르는 AC 전류는 자기적으로 결합된 다른 코일에 전압을 유도하며 이것이 LVDT의 기본 원리입니다.

 

선형 가변 차동 변압기

그런 다음 LVDT는 작동하기 위해 외부 전원이 필요한 수동 유도 변환기입니다. 이는 코일과 교류 자기장을 사용하여 아날로그 출력 전압을 생성하여 가변 유도 변환기 로 만듭니다 . 따라서 "선형 가변 차동 변압기"는 선형 축을 따라 거리를 측정합니다.

일반적인 선형 가변
차동 변압기 센서

LVDT는 속이 빈 비자성 절연 튜브 주위에 순차적으로 감겨진 세 개의 개별 코일로 구성됩니다. 자기 와이어의 한 코일은 1차 코일로 분류되고 다른 코일은 두 개의 동일한 2차 코일을 형성합니다.

두 개의 2차 코일은 직렬 반대 구성으로 함께 연결됩니다. 즉, 전기적으로 서로 180 도 위상이 다릅니다. 따라서 이름이 있으면 Differential 부분입니다.

중앙에 위치한 LVDT의 단일 1차 코일은 약 1kHz ~ 10kHz 범위의 주파수를 갖는 일정한 AC ​​정현파 소스에 의해 에너지를 공급받습니다. 1차 권선에 의해 생성된 자속은 코어를 통해 양쪽에 배치된 두 개의 2차 코일 중 하나 또는 둘 다에 결합됩니다.

이러한 배열은 코어의 변위에 비례하는 차동 출력 전압을 생성하므로 "변위 센서"라는 추가 이름이 붙습니다. 그런 다음 선형 가변 차동 변압기는 하나의 1차 여기 코일과 "직렬 반대"(차동)로 연결된 2개의 2차 코일로 구성됩니다.

"코어", "슬러그", "플런저" 또는 "전기자"라고 불리는 연철 강자성 코어는 연결된 물체의 변위의 직접적인 결과로 중앙 중공 튜브 내부에서 직선으로 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이는 1차 코일과 2차 코일 사이의 상호 인덕턴스를 증가시키거나 감소시키는 효과가 있습니다.

코일의 자성 연결로 인해 코어 내부의 움직임은 각 2차 코일에 유도된 전압을 증가시키거나 감소시킵니다. 선형 변위를 측정하고 출력이 이동식 코어의 위치에 비례하는 매우 정확한 장치를 생산합니다. 따라서 이름의 선형 변수 부분입니다.

선형 가변 차동 변압기

 

위 이미지는 LVDT의 일반화된 원리를 보여줍니다. 움직일 수 있는 연철 강자성 코어가 두 개의 2차 코일의 중심인 "영 위치"에 위치할 때 두 개의 2차 코일 각각에 유도되는 1차 자속의 양은 정확히 동일합니다.

두 개의 2차 코일이 서로 180o 위상차로 감겨 있으므로 두 개의 2차 권선에 유도된 두 EMF는 V SEC1 = V SEC2 값으로 서로 상쇄되므로 결과적인 2차 출력 전압은 0(V 아웃 = 0). 따라서 0V는 코어가 널 위치의 중앙에 완전히 위치한다는 것을 의미합니다.

코어가 이 널 또는 제로 위치에서 한쪽 또는 다른 쪽으로 약간 변위됨에 따라 강자성 코어의 결합 효과로 인해 2차 코일 중 하나에서 다른 코일보다 더 많은 양의 자속이 유도됩니다.

이로 인해 코어에서 멀리 떨어진 2차 코일에 유도된 전압이 작아지고 코어에 가장 가까운 2차 코일에 유도된 전압이 커짐에 따라 두 개의 2차 코일이 균형을 잃게 됩니다.

 

두 개의 2차 권선 사이의 이러한 자기 불균형 은 1차 여자 코일의 권선에 적용되는 피크 전압의 정현파 주파수에 상대적인 출력 전압(V OUT )을 생성합니다.

그러면 두 개의 2차 출력 사이의 차동 전압( 한 방향의 V SEC1 – V SEC2 및 다른 방향의 V SEC2 – V SEC1) 은 RMS 전압에 위상 편이 코사인을 곱한 값이 됩니다. 따라서 중앙 널 위치에서 한쪽 끝 또는 다른 쪽 끝으로 이동 가능한 코어의 변위(스트로크 길이)가 클수록 결과적인 출력 전압도 커집니다.

출력 신호의 극성과 크기는 연결된 물체의 움직임에 의해 자체적으로 결정되는 움직이는 코어의 변위 방향과 양에 따라 달라집니다. 이 변위 결과는 코어 위치에 따라 선형적으로 변하는 차동 전압 출력입니다.

그런 다음 이 유형의 위치 센서의 RMS 출력 전압은 코어 변위의 선형 함수인 "진폭"과 그림과 같이 이동 방향을 나타내는 "극성"을 모두 갖습니다.

LVDT 출력 전압

 

위의 위치 대 전압 그래프에서 코어가 중앙 위치를 통해 범위의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동할 때 1차 코일과 두 개의 2차 코일 중 어느 쪽이든 간에 더 큰 자기 결합이 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 출력 전압은 코어가 0점에서 얼마나 멀리 이동했는지에 따라 반대 방향으로 최대값에서 0으로 변경되었다가 다시 최대값으로 돌아갑니다.

그러면 LVDT는 크기가 중앙 "널" 위치로부터의 이동량을 나타내고 위상각이 이동 가능한 코어의 이동 방향을 나타내는 출력 AC 신호를 생성할 수 있습니다.

물체를 코어에 연결하면 선형 가변 차동 변압기 변환기가 물체의 위치에 대한 매우 정확한 정보를 제공할 수 있습니다. 출력이 밀리미터당 특정 전압(예: 20 또는 200mV/mm)을 생성하도록 보정되므로 범위 또는 스트로크는 몇 밀리미터에서 수백 밀리미터까지 될 수 있습니다.

즉, 1mm의 코어 변위는 200mV의 전압 출력을 생성합니다. 출력 전압(0o 또는 180o)의 위상각을 1 차 코일 여자 전압(0o)의 위상각과 비교하면 2 차 코일의 어느 절반에 코어가 위치하는지 알 수 있고 이를 통해 위상 각도의 방향을 알 수 있습니다. 여행하다.

가변 차동 변압기는 저항성 전위차계 기반 변환기에 비해 위치 측정에 많은 장점과 용도가 있습니다. LVDT는 선형성이 매우 우수합니다. 즉, 변위에 대한 전압 출력이 우수하고 정확성, 분해능, 감도가 높을 뿐만 아니라 코일과 코어 사이에 기계적인 연결이 없기 때문에 마찰이 없는 작동이 가능합니다. 그리고 마모될 부품도 없습니다.

또한 이름의 Transformer 부분은 1차 권선과 2차 권선 사이에 전기적 절연이 있어 더 큰 전기 연결이 가능하다는 것을 의미합니다.

LVDT의 1차, 2차 권선과 코어 사이의 유일한 상호 작용은 자기 결합이므로 LVDT의 1차 및 2차 권선은 일반적으로 에폭시 캡슐로 밀봉되어 있으며 전체 센서는 금속 하우징에 넣어져 있어 다양한 용도로 안전하게 사용할 수 있습니다. 습하거나 가혹한 환경 조건.

선형 가변 차동 변압기 변환기 의 일반적인 용도는 주로 압력 변환기와 같은 산업 응용 분야에 있습니다. 여기서 측정되는 압력은 다이어프램을 밀어서 LVDT에 의해 전압 신호로 변환되는 선형 움직임을 생성하거나 로봇 측정 헤드에서 사용됩니다. LVDT의 내부 코어에 스프링이 장착되어 미리 설정된 기준점으로 돌아갈 수 있는 검사 도구 및 게이지.

선형 가변 차동 변압기는 또한 많은 응용 분야를 가지며 널 포인트 반복성이 필요한 서보 또는 폐쇄 루프 제어 시스템에서 널 위치 센서로 사용됩니다.

LVDT 예 No1

선형 가변 차동 변압기는 스트로크 길이가 ±150mm이고 이동 시 분해능이 40mV/mm입니다. 결정하다:

a) LVDT의 최대 출력 전압.

b) 코어가 널 위치에서 120mm 이동했을 때의 출력 전압.

c) 출력 전압이 3.75V일 때 중앙으로부터의 코어 위치.

d) 코어가 +80mm에서 -80mm 변위로 이동했을 때 출력 전압의 변화.

그러므로:

ㅏ). 최대 출력 전압, V OUT

1mm의 움직임이 40mV를 생성한다면 150mm의 움직임은 다음을 생성합니다.

V 출력  = 40mV x 150mm = 0.04 x 150 = ±6V

비). 120mm 코어 변위의 V OUT

150mm의 코어 변위가 6V의 출력을 생성하는 경우 120mm의 이동은 다음을 생성합니다.

 

씨). V OUT = 3.75V 일 때 코어 위치

 

디). +80mm에서 -80mm 변위로 전압 변경

 

따라서 코어의 변위가 각각 +80mm에서 -80mm로 이동함에 따라 출력 전압은 +3.2V에서 -3.2V로 변경됩니다.

변위 변환기는 수 밀리미터 측정용부터 긴 스트로크를 측정할 수 있는 것까지 다양한 길이와 크기로 제공됩니다. 그러나 LVDT는 직선의 선형 움직임을 측정할 수 있는 반면 회전 가변 차동 변압기 ( RVDT) 라고 하는 각도 움직임을 측정할 수 있는 변형된 LVDT가 있습니다 .

회전식 가변 차동 변압기

전위차계 기반 변환기는 사용하기 쉽고 간단하지만 저항성 전위차계는 슬라이딩 와이퍼와 저항성 트랙 사이의 접촉으로 인해 기계적 마모가 발생할 뿐만 아니라 와이퍼가 저항성 트랙을 따라 미끄러지고 튀어오를 때 전기적 소음이 발생합니다. 회전식 가변 차동 변압기는 회전식 강자성 코어를 사용한다는 점을 제외하면 이전 LVDT와 동일한 기본 원리로 작동합니다.

여기서 변압기 코어는 직선이 아니지만 센서가 부착된 물체의 각도 변위를 측정할 수 있는 원(도넛형 변압기와 동일)의 일부를 형성합니다. RVDT의 이동 가능한 강자성 코어는 각도 위치에 따라 2차 코일과 결합되어 각도 변위를 측정할 수 있습니다.

RVDT의 전기적 작동은 1차 코일과 2차 코일 사이의 상호 인덕턴스 결합 변경을 기반으로 한다는 점에서 선형 버전과 정확히 동일합니다. 1차 코일은 여전히 ​​AC 여기 전류(일반적으로 킬로헤르츠, kHz 범위)에 의해 구동되며, 이는 직렬로 반대되는 각 2차 코일에 AC 전류를 유도합니다. 이동식 강자성 코어는 본체 내에서 미끄러지는 대신 회전합니다.

회전식 가변 차동 변압기 의 주요 단점 중 하나는 상대적으로 좁은 각도 회전 범위에서만 작동할 수 있다는 것입니다. 이론적으로는 연속 회전 및 속도 측정이 가능하지만 일반적인 RVDT의 출력은 제로 널 위치(0o)에서 약 ±60o 이하의 범위에 걸쳐서 만 선형 입니다 .

이는 출력 신호가 비선형이 되고 덜 유용해지기 시작하기 때문에 주로 자기 결합의 제한 때문입니다. 또한 그들의 감도는 회전 각도당 약 2~5mV를 생성하는 선형 사촌보다 훨씬 작습니다.

선형 가변 차동 변압기 요약

우리는 이 튜토리얼에서 LVDT가 몇 밀리미터에서 수백 밀리미터까지 작은 선형(직선) 변위를 측정하는 데 사용되는 위치 센서라는 선형 가변 차동 변압기 에 대해 살펴보았습니다. LVDT에는 직접적인 슬라이딩 기계적 접촉이나 마모되는 움직이는 부품이 없으므로 사실상 마찰이 없으며 저항성 선형 전위차계 유형 변위 센서에 비해 더 큰 전기적 성능과 수명을 제공합니다.

LVDT는 단일 1차 권선과 전기적으로 180 ° 만큼 서로 위상이 다른 2개의 2차 권선이 있는 변압기로 구성됩니다 . LVDT는 또한 이동식 코어로 구성됩니다. 코어가 중앙 위치에 있을 때 두 개의 2차 권선에 유도된 전압은 동일하고 반대가 되어 출력 신호가 0이 됩니다.

코어가 중심 위치에서 멀어짐에 따라 2차 권선 절반에서 유도된 전압은 다른 권선보다 커져서 진폭이 선형 변위량에 비례하고 위상이 이동 방향을 나타내는 신호를 제공합니다.

따라서 LVDT는 코어가 널 위치의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동함에 따라 출력 전압의 위상 각도가 180o만큼 변하면서 코어 위치에 따라 선형 적으로 변하는 차동 전압 출력을 생성합니다.

LVDT 내부 코어의 측정된 변위가 선형 운동에서 회전 또는 각도 운동으로 변경되면 장치는 회전 가변 차동 변압기(RVDT)가 됩니다. 그러나 RVDT의 출력 신호는 상대적으로 작은 각도 회전 범위에서 실제로 선형이며 전체 360o 회전을 측정하는 데는 적합하지 않습니다 .