Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados

Neste artigo, discutiremos como você pode medir a posição e o deslocamento com sensores LVDT, com detalhes suficientes para que você:

  • Veja como esses sensores funcionam
  • Aprenda como os sensores LVDT podem ser usados para medir a distância
  • Entenda como você pode usá-los em seus testes

Você está pronto para começar? Vamos!

O que é o Sensor LVDT?

LVDTs (transformadores lineares variáveis diferenciais) são sensores de posição linear. Eles são usados para medir o deslocamento linear e a posição em distâncias relativamente curtas. Existem LVDTs no mercado hoje que podem medir movimentos tão pequenos quanto vários milionésimos de cm (micropolegadas) ou até cerca de 0,7 metros (~ 27 polegadas) no outro extremo.

Um LVDT consiste em um tubo que contém um eixo que se move livremente (também conhecido como armadura). A base do tubo é montada em uma posição fixa e a extremidade da haste é fixada em um objeto cuja posição se moverá de forma linear (para frente e para trás).

Cross-section of a typical LVDT sensor

Seção transversal de um sensor LVDT típico

Como funciona um sensor LVDT?

Dentro do invólucro do LVDT está a bobina primária. Em cada lado do conjunto da bobina há um par de bobinas secundárias. Exceto por suas posições físicas, todos os três enrolamentos primários são idênticos. No entanto, eles são ligados em série com a oposição, de modo que, se forem energizados igualmente, suas saídas serão somadas a zero.

Observe que esses elementos internos são normalmente construídos de forma que sejam protegidos contra umidade e campos magnéticos externos.

How the LVDT’s secondary coils indicate the position of the rod as it moves back and forth within the LVDT core

Como as bobinas secundárias do LVDT indicam a posição da haste conforme ela se move para frente e para trás dentro do núcleo LVDT

Em um LVDT CA, a bobina primária é energizada com uma tensão de alimentação CA constante, normalmente 3 kHz a 3 Vrms. Isso induz um campo nas bobinas secundárias. Se a haste é um ponto morto dentro do tubo, o fluxo magnético de S1 e S2 são idênticos e se cancelam. Isso é conhecido como posição “nula”.

No entanto, se a posição do eixo se mover para mais perto de S1 ou S2, a energia dessa bobina aumentará em relação à outra bobina. Portanto, simplesmente subtraindo as saídas das bobinas, o sensor nos informa onde o eixo está posicionado dentro do tubo o tempo todo.

Typical LVDT sensorsSensores LVDT típicos. Imagem com direitos autorais cortesia de eddyLab

Conforme o eixo é puxado para dentro ou para fora do tubo pelo artigo de teste, o LVDT emite um sinal que representa a posição do eixo desde seu ponto inicial até sua deflexão máxima. O eixo não toca o interior do tubo, tornando-o virtualmente sem atrito, e o próprio LVDT não contém componentes eletrônicos, o que o torna popular em ambientes severos.

Este sinal é enviado para um condicionador de sinal LVDT dentro de um sistema de medição, que o exibe e registra para revisão e análise.

Para resumir, um AC LVDT é um dispositivo de relutância variável cuja bobina primária cria um fluxo magnético que é acoplado através de uma armadura móvel a bobinas secundárias conectadas em série em oposição ao primário.

Tipos de LVDT ou variedades mecânicas

Em termos de construção de eixo / armadura, existem várias variedades básicas disponíveis hoje:

  • LVDTs de armadura livres (não guiados)
  • LVDTs de armadura cativa (guiada)
  • LVDTs de armadura forçada ou estendida por mola

Vejamos cada um deles com mais detalhes.

LVDTs de armadura livres (não guiados)

Nesse caso, o eixo ou armadura está livre para deslizar para frente e para trás no corpo do LVDT. Não está preso a ele, nem tem qualquer força agindo sobre ele dentro do próprio LVDT. A armadura é conectada ao objeto em teste, que se move em paralelo com o corpo do LVDT.

O resultado é um arranjo virtualmente sem atrito, resultando em uma vida útil muito longa para o sensor. Claro, o alinhamento adequado é necessário para obter os melhores resultados.

Uma armadura livre ou "não guiada" é ideal para aplicações de curto alcance e alta velocidade (por exemplo, vibração). Também é ideal quando for observado um grande número de ciclos. Funciona melhor quando o objeto em teste está se movendo em paralelo com o corpo do LVDT.

LVDTs de armadura cativa (guiada)

Em um LVDT cativo ou guiado, a armadura é conectada ao corpo e ao objeto sob teste. A armadura é guiada por um conjunto de rolamentos de baixa fricção que a restringe.

Isso permite que o LVDT lide com intervalos de medição mais longos (por exemplo, ~ 25 mm a 45 cm [~ 0,5 a 18 pol.]), bem como cenários quando o objeto em teste está se movendo transversalmente ao corpo do LVDT. Nesses casos, o desalinhamento ocorreria se a armadura não fosse guiada.

LVDTs de armadura cativa (guiada) são úteis em aplicações de medição estática e dinâmica.

LVDTs com intervalos curtos (por exemplo, máximo ± 76 mm [± 3 pol.]) Podem ser montados horizontalmente e não flexionam, no entanto, unidades maiores normalmente precisam ser suportadas quando montadas horizontalmente para garantir que não sejam dobradas pela gravidade.

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Dewesoft DAQ Systems

LVDTs de armadura forçada ou estendida por mola

Um LVDT de armadura forçada ou "estendida por mola" tem o mesmo conjunto de rolamento de baixa fricção de um LVDT cativo (guiado) conforme descrito acima, mas, além disso, ele usa um mecanismo de retorno mecânico como uma mola, pneumático ou um motor para levemente empurre a armadura para fora até sua deflexão total. Isso é para aplicações em que se deseja que a armadura LVDT mantenha uma conexão estável com o objeto em teste.

Nesse cenário, apenas o corpo do LVDT é fixo e a extremidade da armadura normalmente tem uma bola em sua extremidade que empurra o objeto em teste e não está presa a ele. Portanto, o objeto em teste pode até mesmo se mover para fora do alcance ou ser substituído por um objeto diferente, como no caso de uma linha de montagem. A bola de armadura estendida por mola se estenderá automaticamente e esperará que o objeto retorne ou seja substituído, e se moverá com ele suavemente quando isso acontecer.

Esses LVDTs são melhores para aplicações estática e de movimento lento.

A maioria dos fabricantes de LVDT disponibiliza seus sensores em algumas ou em todas essas variedades de armadura, para lidar com uma ampla gama de aplicações.

Atualmente, existe uma grande variedade de LVDTs no mercado. Alguns são projetados especificamente para aplicações e ambientes como aplicações higiênicas com alimentos e medicamentos, para submersão em água salgada, em ambientes de temperaturas extremas, para aplicações de altíssima precisão na ciência e até mesmo contando dinheiro, em ambientes pressurizados e muitas outras variantes. Eles geralmente são construídos em aço inoxidável, o que os torna adequados para essas aplicações.

AC vs DC LVDTs

O AC LVDT clássico NÃO tem componentes eletrônicos a bordo e requer um amplificador de transmissor externo e o condicionamento de sinal relacionado para funcionar. Alguns fabricantes integraram esses eletrônicos em LVDTs. Esses LVDTs DC são mais fáceis de interagir com os sistemas de medição, é claro, mas existem algumas restrições.

Como os LVDTs AC não possuem componentes eletrônicos integrados, eles podem operar nas mais amplas temperaturas ambientes possíveis - desde criogênicos até 650 ° C / 1200 ° F.

Os LVDTs CA também podem ser menores do que os LVDTs CC devido à falta de componentes eletrônicos.

Os LVDTs CA têm especificações superiores de choque e vibração do que os LVDTs CC devido à falta de componentes eletrônicos.

Os LVDTs AC têm uma vida útil mais longa do que os LVDTs DC ... menos complexidade significa mais confiabilidade.

Isso não significa que não haja propósito para o DC LVDTS. Existem muitas aplicações para as quais sua interface mais fácil é uma grande vantagem e onde as vantagens dos LVDTs CA não são um fator importante. Eles eliminam a necessidade de condicionamento de sinal externo, por exemplo, o que às vezes pode ser um requisito difícil quando não há um local adequado para isso.

Eles também reduzem o tempo de instalação e a complexidade. Os LVDTs DC estão disponíveis em modelos alimentados por loop, cujas saídas de corrente de 4-20 mA podem ser transmitidas por uma distância maior do que as saídas de tensão de baixo nível.

Vantagens do AC LVDT Vantagens DC LVDT
Melhor desempenho de choque e vibração Não requer condicionamento de sinal externo
Maior faixa de temperatura operacional As saídas são pré-calibradas
Os menores fatores de forma possíveis estão disponíveis Tempo de configuração reduzido
Design de vida útil mais longa possível Saída de loop de corrente de 4-20 mA disponível para transmissão de longa distância

Aplicações de medição LVDT

  • Ferramentas de máquinas
  • Bancadas de teste de tração
  • Teste aeroespacial - trem de pouso, atuadores, posicionamento de superfície de controle, sistema hidráulico
  • Testes automotivos e de trem - movimentos dos sistemas de suspensão
  • Geração de energia - teste de turbina
  • Robótica - feedback de posição
  • Fabricação - Automação, controles de processo
  • Celulose e Papel - posicionamento dos braços tensores

Prós do sensor LVDT

  • Muito confiável - longa vida útil do sensor devido à operação quase sem atrito da maioria dos modelos
  • Resolução muito alta - devido ao movimento quase sem atrito, eles fornecem resolução virtualmente infinita. Mesmo as menores alterações podem ser detectadas.
  • Resistente a danos - em alguns modelos, ambas as extremidades do tubo estão abertas, evitando danos ao sensor se o artigo de teste empurrar a haste mais longe do que o esperado (exceto para colisão com o próprio tubo)
  • Estabilidade do ponto nulo - o ponto zero ou nulo do sensor é extremamente repetível devido à construção do próprio sensor
  • Ampla gama de temperaturas de operação - existem modelos LVDT disponíveis que podem suportar temperaturas criogênicas (-200 ° C / -328 ° F), bem como altas temperaturas (650 ° C / 1200 ° F)
  • Baixa histerese / alta precisão posicional e repetibilidade
  • Dispositivo de saída de leitura absoluta - ao contrário de um dispositivo de saída incremental, a leitura de um LVDT será a mesma antes e depois de desligar e ligar a alimentação (assumindo que o objeto em teste não se moveu).

Contras do sensor LVDT

  • Distância de medição limitada - Mesmo os maiores LVDTs são limitados a intervalos de medição inferiores a 1 m (~ 27 ")
  • Pode ser afetado por campos magnéticos (modelos com blindagem são comuns como resultado)
  • Os modelos AC requerem uma excitação AC precisa de um condicionador de sinal LVDT
  • Os modelos DC LVDT têm especificações inferiores de choque, vibração e temperatura em comparação com os modelos AC LVDT

Conexão de sensores AC LVDT ao sistema Dewesoft DAQ

O condicionamento de sinal é sempre necessário com os sensores AC LVDT devido ao seu requisito de excitação AC. Os sensores DC LVDT requerem uma tensão ou uma entrada de corrente de 4-20 mA. Usando um adaptador DSI-LVDT, é possível conectar sensores LVDT a condicionadores de sinal STG e LV Dewesoft DAQ, em vários modelos diferentes.

A seção a seguir mostra quais entradas em quais modelos de sistema DAQ são compatíveis, mas primeiro vamos dar uma olhada nos adaptadores DSI em geral e, em seguida, no adaptador DSI-LVDT de canal único e interfaces de 16 canais DS-16xLVDTr especificamente.

Adaptadores DSI LVDT - Um olhar mais atento

Os adaptadores DSI são compatíveis com todos os condicionadores de sinal Dewesoft STG e LV disponíveis com entrada analógica DB9, independentemente da família do produto. Eles se encaixam no sistema SIRIUS DAQ, módulos KRYPTON DAQ, IOLITE e IOLITEd DAQ e sistema de controle, DEWE-43A e sistemas MINITAURs DAQ.

KRYPTON 6xSTG rugged module with various DSI adapters connected to itMódulo robusto KRYPTON 6xSTG com adaptadores DSI-LVDT, DSI-RTD, DSI-ACC e DSI-TH conectados a ele

Todos os adaptadores DSI possuem um chip TEDS integrado para detecção automática do sensor e configuração plug-and-play. Basta conectar o adaptador DSI a uma entrada compatível e tudo - incluindo escala, unidades, dados de calibração, etc. - será configurado automaticamente dentro do software Dewesoft X DAQ. Todos os componentes eletrônicos são construídos em uma caixa de alumínio pequena e robusta com conectores de parafuso para fixar firmemente esses adaptadores ao canal de entrada analógica.

O Adaptador DSI-LVDT

DSI-LVDT adapter compatible with Dewesoft data acquisition systemAdaptador DSI-LVDT compatível com condicionadores de sinal Dewesoft DB9

O DSI-LVDT é um adaptador para conectar sensores LVDT ao sistema Dewesoft DAQ. Ele gera a excitação CA de 4 a 10 kHz que os sensores LVDT exigem e inclui fácil ajuste de fase por meio de um pequeno potenciômetro embutido. A saída 1 V = 1000 mV / V.

O DS-16xLVDTr

O DS-16xLVDTr combina 16 canais de adaptadores DSI-LVDT em um invólucro compatível com rack de 19 ”com altura de 1U.

O DS-16xLVDTr da Dewesoft

O grande avanço deste novo projeto são as entradas / saídas de excitação assíncronas. Você conecta um sinal de excitação de um gerador de função externo ao conector BNC “IN”. Este sinal de excitação é automaticamente roteado para o conector BNC “OUT”, que você pode usar para fazer a ligação em cadeia para interfaces DS-16xLVDTr adicionais para sistemas de medição LVDT de grande contagem de canais.

Existem 16 conectores DB9 (macho) no painel frontal para a conexão ao sistema de aquisição de dados Dewesoft. Cada conector inclui um trimmer para ajuste de fase.

No painel traseiro existem 16 conectores DB9 (fêmea) para a conexão do sensor LVDT. O DS-16xLVDTr suporta medições com tipos de sensores LVDT de ponte completa e meia ponte.

Compatibilidade com sistemas SIRIUS DAQ LVDT

SIRIUS product DAQ family

A linha SIRIUS inclui não apenas o módulo SIRIUS ou "fatia" em si, mas é toda uma linha de produtos incluindo SIRIUS, SIRIUS à prova d'água, SIRIUS R1DB, SIRIUS R2DB, SIRIUS R3, SIRIUS R4 e SIRIUS R8. Os seguintes condicionadores de sinal SIRIUS são compatíveis com medições LVDT:

Módulos de entrada padrão SIRIUS

Módulo STG STGM LV (DB9)
Compatível com DSI-LVDT
DS-16xLVDTr compatível

Módulos de entrada SIRIUS HD (alta densidade)

Módulo HD-STGs HD-LV (DB9)
Compatível com DSI-LVDT
DS-16xLVDTr compatível

SIRIUS HS (High Speed) Input Modules

Módulo HS-STG HS-LV (DB9)
Compatível com DSI-LVDT
DS-16xLVDTr compatível  

Compatibilidade LVDT da família de produtos DEWE-43A e MINITAURs

DEWE-43 and MINITAURs DAQ systems from Dewesoft

O DEWE-43A é um módulo DAQ portátil de 8 canais que fornece oito entradas analógicas universais com conectores DB9. O MINITAURs é essencialmente um DEWE-43A combinado com um computador robusto, portanto, suas entradas são exatamente as mesmas.

DEWE-43A e MINITAURs 8 entradas universais

Módulo Compatibilidade
Compatível com DSI-LVDT
DS-16xLVDTr compatível

Compatibilidade LVDT dos módulos KRYPTON DAQ

KRYPTON and KRYPTON ONE DAQ product family

KRYPTON e KRYPTON ONE são módulos DAQ extremamente robustos, com classificação IP67 para operação em ambientes adversos com choque, vibração e temperaturas extremas de alta e baixa. Cada sistema Dewesoft DAQ inclui o premiado software Dewesoft X para configuração completa do sistema, operação, exibição, armazenamento, análise e geração de relatórios. Os módulos de entrada mostrados abaixo são compatíveis com o adaptador DSI-LVDT:

Módulos multicanais robustos KRYPTON

Módulo STG-3 STG-6
Compatível com DSI-LVDT?
Compatível com DS-16xLVDTr?

Módulos de canal único robusto KRYPTON-1

Módulo STG-1
Compatível com DSI-LVDT?
Compatível com DS-16xLVDTr? N/A

Compatibilidade LVDT da família de produtos IOLITE

IOLITE DAQ and control system

IOLITE e IOLITEd DAQ e sistema de controle combinam aquisição de dados poderosa com controle em tempo real via interfaces EtherCAT duplas. Disponível em um modelo de rack de 19 ”, bem como um modelo de bancada. Cada sistema Dewesoft DAQ inclui o premiado software Dewesoft X para configuração completa do sistema, operação, exibição, armazenamento, análise e geração de relatórios. O módulo strain gage de seis canais é compatível com adaptadores DSI, incluindo o DSI-LVDT:

Módulos de I / O Digital IOLITE

Módulo 6xSTG
Compatível com DSI-LVDT
DS-16xLVDTr compatível

Conclusão

LVDTs são sensores extremamente úteis. Eles são altamente confiáveis, precisos e fáceis de usar. Como resultado, existem muitos milhões deles em uso em todo o mundo, realizando inúmeras aplicações de medição e controle.

Cada membro da família de produtos Dewesoft DAQ é compatível com LVDTS por meio de adaptadores DSI-LVDT fáceis de usar e a interface DS-16xLVDTr de 16 canais ... Você pode aprimorar seus aplicativos de teste, medição e controle utilizando o hardware Dewesoft DAQ e seu software de acompanhamento com sensores LVDT.

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