LVDT
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1. 개요
선형 가변 차동 변압기(LVDT)는 튜브 주위에 3개의 솔레노이드 코일을 배치하여 구성된 변압기이다. 중앙 코일은 1차 코일이고 양쪽 바깥쪽 코일은 2차 코일이며, 강자성 코어가 튜브 축을 따라 움직이면서 위치를 측정한다. 1차 코일에 교류를 가하면 2차 코일에 유도되는 전압이 코어의 위치에 따라 변하며, 두 2차 코일의 전압 차이를 통해 변위량과 방향을 측정한다. LVDT는 절대 위치 센서로, 마찰이 없고 환경으로부터 밀폐 가능하며, 최대 수 인치에 이르는 변위에 대해 선형적인 출력 전압을 제공한다.
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| LVDT | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 변위 변환기 선형 변위 변환기 |
| 설명 | 전기적 변환기 |
| 작동 원리 | 가동 철심 변압기의 원리 |
| 용도 | 기계적 변위 측정 |
| 작동 원리 상세 설명 | |
| 핵심 부품 | 1차 코일 2차 코일 (두 개) 가동 철심 |
| 입력 | 1차 코일에 교류 전압 인가 |
| 출력 | 2차 코일의 차동 전압 |
| 가동 철심 위치 | 중앙 (영점): 두 2차 코일의 유도 전압 동일, 차동 전압은 0 이동: 전압 차이 발생, 변위 크기에 비례 |
| 위상 관계 | 변위 방향에 따라 차동 전압의 위상 변화 (0° 또는 180°) |
| 특징 및 장점 | |
| 선형성 | 넓은 범위에서 우수한 선형성 유지 |
| 분해능 | 높은 분해능 |
| 히스테리시스 | 히스테리시스가 거의 없음 |
| 견고성 | 마찰 부위가 적어 견고함 |
| 응용 분야 | |
| 산업 | 자동화 항공기 로켓 인공 위성 원자력 반응기 |
| 측정 | 변위 힘 압력 진동 |
| 기타 | 재료 시험 모션 제어 |
2. 작동 원리
LVDT(선형 가변 차동 변압기)는 전자기 유도 원리를 이용하여 선형 변위를 측정하는 장치이다. LVDT는 기본적으로 세 개의 코일이 튜브 주위에 나란히 배치된 구조를 가진다. 가운데 코일은 1차 코일, 양쪽 바깥쪽 코일은 2차 코일이라고 부른다.
1차 코일에 교류 전원을 가하면, 2차 코일에는 전자기 유도에 의해 전압이 유도된다. 이때, 튜브 내부에는 강자성 코어가 위치하며, 이 코어의 위치에 따라 2차 코일에 유도되는 전압의 크기가 달라진다. 코어는 측정하고자 하는 물체에 부착되어 움직인다.
코일은 출력 전압이 상부 2차 전압과 하부 2차 전압의 차이가 되도록 연결된다. LVDT는 최대 수 인치(수백 밀리미터)에 이르는 변위에 대해 출력 전압이 본질적으로 선형이 되도록 설계되었다.
LVDT는 절대 위치 센서로 사용할 수 있다. 전원이 꺼져도 다시 시작하면 LVDT는 동일한 측정을 표시하며, 위치 정보가 손실되지 않는다. LVDT의 가장 큰 장점은 제대로 구성되면 반복성 및 재현성이다. 또한, 코어의 단축 선형 운동 외에 코어가 축 주위로 회전하는 것과 같은 다른 움직임은 측정에 영향을 미치지 않는다.
슬라이딩 코어가 튜브 내부에 닿지 않으므로 마찰 없이 움직일 수 있어 LVDT는 매우 신뢰할 수 있는 장치이다. 슬라이딩 또는 회전 접점이 없기 때문에 LVDT를 환경으로부터 완전히 밀폐할 수 있다.
2. 1. 신호 처리
교류는 1차 코일을 구동하며 각 2차 코일에 유도되는 전압은 2차 코일에 연결된 코어의 길이에 비례한다.[3] 주파수는 일반적으로 1~10 kHz 범위이다. 코어가 움직이면 두 개의 2차 코일에 대한 1차 코일의 연결이 변경되어 유도 전압이 변경된다. 코어가 두 2차 코일 사이의 등거리인 중앙 위치에 있으면 두 2차 코일에 동일한 전압이 유도되지만, 두 신호가 상쇄되므로 출력 전압은 이론적으로 0이다.이 작은 잔류 전압은 위상 변이에 의해 발생하며 종종 구적 오차라고 한다. 이는 폐루프 제어 시스템에서 널점에 대해 진동을 유발할 수 있으므로 해결해야 할 문제이다. 현대 시스템은 연산 증폭기를 기반으로 정밀 반파 또는 전파 정류기를 사용하여 각 2차 코일을 개별적으로 복조하고 DC 신호를 빼서 차이를 계산한다. 일정한 여기 전압의 경우 두 2차 전압의 합이 LVDT의 작동 스트로크 전체에서 거의 일정하기 때문에 그 값은 작은 창 내에 유지되며 모니터링될 수 있어 LVDT의 내부 고장이 발생하면 합 전압이 한계를 벗어나 신속하게 감지되어 고장이 표시된다.
마이크로프로세서 또는 FPGA 형태의 디지털 처리가 가능한 경우, 처리 장치가 고장 감지를 수행하고, 2차 전압의 차이를 2차 전압의 합으로 나누어 정확도를 향상시키기 위해 비율적[5] 처리를 수행하는 것이 일반적이다. 이를 통해 측정은 여기 신호의 정확한 진폭과 독립적이게 된다. 충분한 디지털 처리 용량이 있는 경우, DAC를 통해 사인파 여기를 생성하고, ADC를 다중화하여 2차 복조를 수행하는 것이 일반화되고 있다.
코어가 상단으로 변위되면 상부 2차 코일의 전압이 증가하고 하부의 전압은 감소한다. 결과 출력 전압은 0에서 증가한다. 이 전압은 1차 전압과 위상이 같다. 코어가 다른 방향으로 움직이면 출력 전압도 0에서 증가하지만, 그 위상은 1차 전압과 반대이다. 출력 전압의 위상은 변위 방향(상 또는 하)을 결정하고, 진폭은 변위량을 나타낸다. 동기 검출기는 변위에 관련된 부호가 있는 출력 전압을 결정할 수 있다.
3. 특징
LVDT는 견고하고 절대적인 선형 위치/변위 변환기이며, 본질적으로 마찰이 없어 적절하게 사용하면 사실상 무한한 수명을 가진다. AC 구동 LVDT는 극저온 또는 최대 650°C의 온도, 가혹한 환경, 높은 진동 및 충격 수준에서 작동하도록 설계할 수 있다. 낮은 이력 현상과 뛰어난 반복성이 특징이며, 터빈, 유압, 자동화, 항공기, 위성, 원자로 등 다양한 응용 분야에 널리 사용된다.[3]
LVDT는 기계적 기준점(영점 또는 널 위치)으로부터의 위치 또는 선형 변위를 위상(방향) 및 진폭(거리) 정보를 포함하는 비례적인 전기 신호로 변환한다. LVDT 작동은 움직이는 부품(프로브 또는 코어 어셈블리)과 코일 어셈블리 사이에 전기적 접촉이 필요하지 않으며, 전자기 결합에 의존한다.
슬라이딩 코어가 튜브 내부에 닿지 않으므로 마찰 없이 움직일 수 있어 LVDT는 매우 신뢰할 수 있는 장치이다. 슬라이딩 또는 회전 접점이 없기 때문에 LVDT를 환경으로부터 완전히 밀폐할 수 있다.
LVDT는 절대 위치 센서로 사용할 수 있다. 전원이 꺼져도 다시 시작하면 LVDT는 동일한 측정을 표시하며 위치 정보가 손실되지 않는다. LVDT의 가장 큰 장점은 제대로 구성되면 반복성 및 재현성이다. 또한 코어의 단축 선형 운동 외에 코어가 축 주위로 회전하는 것과 같은 다른 움직임은 측정에 영향을 미치지 않는다.
4. 응용 분야
LVDT는 터빈, 유압, 자동화, 항공기, 위성, 원자로 등 다양한 분야에 널리 사용된다. 낮은 이력 현상과 뛰어난 반복성을 가지며, 극저온 또는 최대 650°C의 고온, 가혹한 환경, 높은 진동 및 충격 수준에서도 작동하도록 설계할 수 있다.
5. 같이 보기
참조
[1]
웹사이트
Borehole stress property measuring system
https://patents.goog[...]
[2]
Bare URL PDF
http://www.omega.com[...]
2022-03
[3]
서적
1967
[4]
간행물
Chapter 3 - Transducers and amplifiers
https://www.scienced[...]
Academic Press
2024-11-30
[5]
웹사이트
Ratiometric measurements in the context of LVDT-sensor signal conditioning
http://www.ti.com/li[...]
2017-10-27
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