線形可変差動変圧器（LVDT）の概要
LVDTの簡潔な紹介をお探しですか？この記事では、構造、回路、伝達関数、線形範囲、感度など、LVDTの基本について説明します。
線形可変差動変圧器（LVDT）は、コアの機械的変位を検知し、出力に比例したAC電圧を生成する電気機械式トランスデューサーです。高解像度（理論的には無限大）、高直線性（0.5％以上）、高感度、ゼロの機械的摩擦は、LVDTデバイスの重要な機能の一部です。
この記事では、LVDTの構造と動作原理について説明します。また、これらのセンサーの3つの重要なパラメーター、線形範囲、線形性エラー、感度についても調べます。
LVDTの構造
図1に、基本的なLVDTの断面図と回路モデルを示します。これは、可動コアを介して2つの2次巻線に結合された1つの1次巻線で構成されます。透磁率のコアが移動すると、それに応じて一次巻線と各二次巻線の間の磁気結合が変化します。これにより、2つの巻線間に位置依存の電圧信号が生成され、オブジェクトの位置を決定するために使用できます。
図1（a）。 LVDTの断面図。ハネウェルの画像提供
図1（b）。 LVDTの回路モデル
2つの二次巻線は直列に対向しています。つまり、直列に接続されていますが、反対方向に巻かれています。コアは、通常、非強磁性ロッドを介して、動きが測定されているオブジェクトに取り付けられ、コイルアセンブリは通常、静止した形に固定されます。
どのように機能しますか？
図2は、完全に中央に配置されたコアが理想的にゼロ出力を生成する方法を示しています。入力は、適切な周波数（V EXC ）のAC電圧によって励起されます。 ）。 2つの2次コイルは、1次コイルの両側に対称的に巻かれているため、中心にあるコアは、1次コイルから2つの2次コイルへの等しい磁気結合につながります。二次巻線が直列に対向している場合、反対の極性を持つ等しい電圧が2つの二次側に誘導されます（V s1 =-V s2 ）。したがって、2つの巻線の電圧は相殺され、全体の出力はゼロになります（V out =0）。
図2。 完全に中央に配置されたコアを備えたLVDT
図3に示すように、コアが上向きに変位すると、一次側と一次二次側の間の結合が強くなります。これにより、2番目の2次側と比較して1番目の2次側のAC電圧が大きくなります（| V s1 |> | V s2 |）およびゼロ以外の出力（V out ）。出力はV s1 と同相であることに注意してください しかし、その振幅は比較的小さいです。
図3に示す例では、出力は理想的にはV EXC と同相である必要があります。 コアが上向きの変位を経験したとき。
図3。 コアが上に移動したLVDT
コアの下方変位の典型的な波形を図4に示します。
図4。 コアが下に移動したLVDT
この場合、一次結合と二次二次結合の間の磁気結合が増加し、| V s2 になります。 |> | V s1 |。ご覧のとおり、ゼロ以外のV out があります。 これは、理想的には励起電圧に対して180°位相がずれています。
伝達関数
図5に、一般的なLVDTの伝達関数を示します。 x軸は、中心からのコア変位です。 y軸は出力AC電圧の振幅です。
図5。 画像提供：RamónPallás-ArenyとJohn G. Webster、センサーとシグナルコンディショニング
原点（x =0）では、出力は理想的にはゼロです。コアがいずれかの方向に中心から外れると、出力の振幅はコアの変位に比例して増加します。出力の振幅のみを測定する場合、コアが左に変位するか右に変位するかを判断できないことに注意してください。出力の振幅と位相の両方を知る必要があります。
線形範囲
図5に示すように、LVDTは、コア変位の限られた範囲でのみ線形伝達関数を示します。これは、LVDTの線形範囲として指定されます。
デバイスがこの範囲を超えて線形関係を持たなくなるのはなぜですか？
ヌル位置からのコアの変位が特定の値を超えると、一次巻線からコアに結合する磁束が減少することが想像できます。その結果、これにより、対応する二次巻線の両端に現れる電圧が低下します。線形伝達関数を使用しながらコアがヌル位置から移動できる最大距離は、フルスケール変位と呼ばれます。
わずか±100μmから±25cmの変位範囲をカバーする幅広いLVDTが利用可能です。より広い範囲を測定できるLVDTは、実験室、産業、および水中環境でも使用できます。
直線性エラー
コア変位に対するLVDT出力のプロットは、線形範囲でも完全な直線ではありません。出力は、出力データに最適になるように作成された直線からわずかに外れる可能性があります。
デバイスの公称線形範囲で非線形性を引き起こす可能性のあるメカニズムの1つは、磁性材料の飽和です。これにより、コアがヌル位置にある場合でも、3次高調波成分が生成される可能性があります。この高調波は、LVDT出力にローパスフィルターを適用することで抑制できます。
予想される直線近似からのLVDT出力の最大偏差は、直線性誤差と見なされます。直線性誤差は通常、フルレンジ出力の+/-パーセンテージとして表されます。たとえば、Measurement Specialties、Inc。のE-100 LVDTには、フルスケール範囲の±0.5％の最大直線性誤差があります。
感度
感度または伝達比により、出力電圧をコアの変位に関連付けることができます。感度を決定するために、推奨されるドライブレベル（3 V RMS ）でプライマリに電力を供給します。 E-100 LVDTの場合）、フルスケール変位によってコアをヌル位置から移動します。ここで、2つの2次巻線の両端の電圧を測定して、全体の出力電圧（V out ）を見つけます。 ）。これらの値を次の式に代入すると、LVDT感度がわかります。
\ [Sensitivity =\ frac {V_ {out}} {V_ {Primary} \ times（Core〜Displacement）} \]
感度は通常、1000分の1インチのコア変位（mV / V / mil）あたりの励起1ボルトあたりのミリボルト出力で指定されます。たとえば、E-100の感度は2.4 mV / V / milです。感度が高いので、信号調整回路に必要なゲインを決定できます。
LVDTは、物体の機械的変位を感知するために使用できる電気機械式トランスデューサーです。高解像度（理論的には無限大）、高直線性（0.5％以上）、高感度、ゼロの機械的摩擦は、LVDTデバイスの重要な機能の一部です。
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