Escrito por Grant Maloy Smith, el experto en adquisición de datos

En este artículo, analizaremos cómo puede medir la posición y el desplazamiento con sensores LVDT, con suficiente detalle para que pueda:

  • Ver cómo funcionan estos sensores
  • Descubrir cómo se pueden utilizar los sensores LVDT para medir la distancia
  • Comprender cómo puede usarlos en sus pruebas

¿Estas listo para empezar? ¡Vamos!

¿Qué es el sensor LVDT?

Los LVDT (transformadores diferenciales variables lineales) son sensores de posición lineal. Se utilizan para medir el desplazamiento lineal y la posición en distancias relativamente cortas. En la actualidad, existen LVDT en el mercado que pueden medir movimientos tan pequeños como varias millonésimas de cm (micro pulgadas) o incluso hasta aproximadamente 0,7 metros (~ 27 pulgadas) en el otro extremo.

Un LVDT consiste en un tubo que contiene un eje que se mueve libremente (también conocido como armadura). La base del tubo está montada en una posición fija y el extremo de la varilla se fija a un objeto cuya posición se moverá de forma lineal (hacia adelante y hacia atrás).

Cross-section of a typical LVDT sensor

Sección transversal de un sensor LVDT típico

¿Cómo funciona un sensor LVDT?

Dentro de la carcasa del LVDT se encuentra la bobina primaria. A cada lado del conjunto de la bobina hay un par de bobinas secundarias. Excepto por sus posiciones físicas, los tres devanados primarios son idénticos. Sin embargo, están conectados en serie con la oposición, de modo que si se energizan por igual, sus salidas sumarán cero.

Tenga en cuenta que estos elementos internos normalmente están construidos de tal manera que están protegidos contra la humedad y los 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

Cómo las bobinas secundarias del LVDT indican la posición de la varilla a medida que se mueve hacia adelante y hacia atrás dentro del núcleo del LVDT

En un LVDT de CA, la bobina primaria se energiza con un voltaje de suministro de CA constante, típicamente 3 kHz a 3 Vrms. Esto induce un campo en las bobinas secundarias. Si la varilla está en un punto muerto dentro del tubo, el flujo magnético de S1 y S2 son idénticos y se cancelan entre sí. Esto se conoce como la posición "nula".

Sin embargo, si la posición del eje se acerca a S1 o S2, la energía de esa bobina aumentará en relación con la otra bobina. Entonces, simplemente restando las salidas de las bobinas, el sensor nos dice dónde está posicionado el eje dentro del tubo en todo momento.

Typical LVDT sensorsSensores LVDT típicos. Imagen con derechos de autor cortesía de eddyLab

A medida que el artículo de prueba jala o saca el eje del tubo, el LVDT emite una señal que representa la posición del eje desde su punto de inicio hasta su deflexión máxima. El eje no toca el interior del tubo, lo que lo hace prácticamente sin fricción, y el LVDT en sí no contiene componentes electrónicos, lo que lo hace popular en entornos hostiles.

Esta señal se envía a un acondicionador de señal LVDT dentro de un sistema de medición, que la muestra y la registra para su revisión y análisis.

En resumen, un LVDT de CA es un dispositivo de reluctancia variable cuya bobina primaria crea un flujo magnético que se acopla a través de una armadura móvil a bobinas secundarias conectadas en serie en oposición a la primaria.

Tipos de LVDT o variedades mecánicas

En términos de su construcción de eje / armadura, existen varias variedades básicas disponibles en la actualidad:

  • LVDT de armadura libres (no guiados)
  • LVDT de armadura cautiva (guiada)
  • LVDT de armadura forzada o extendida por resorte

Analicemos cada uno de estos con más detalle.

LVDT de armadura libres (no guiados)

En este caso, el eje o la armadura puede deslizarse libremente hacia adelante y hacia atrás en el cuerpo del LVDT. No está sujeto a él, ni tiene ninguna fuerza que actúe sobre él dentro del propio LVDT. La armadura está conectada al objeto bajo prueba, que se mueve en paralelo con el cuerpo del LVDT.

El resultado es una disposición prácticamente sin fricción, lo que da como resultado una vida útil muy larga para el sensor. Por supuesto, se requiere una alineación adecuada para lograr los mejores resultados.

Una armadura libre o "no guiada" es ideal para aplicaciones de corto alcance y alta velocidad (por ejemplo, vibración). También es ideal cuando se observará un gran número de ciclos. Funciona mejor cuando el objeto bajo prueba se mueve en paralelo con el cuerpo del LVDT.

LVDT de armadura cautiva (guiada)

En un LVDT cautivo o guiado, la armadura está conectada tanto al cuerpo como al objeto bajo prueba. El inducido está guiado por un conjunto de cojinetes de baja fricción que lo restringe.

Esto permite que el LVDT maneje rangos de medición más largos (por ejemplo, ~ 25 mm a 45 cm [~ 0.5 a 18 pulg.]), Así como escenarios en los que el objeto bajo prueba se mueve transversalmente al cuerpo del LVDT. En estos casos, se produciría una desalineación si no se guiara el inducido.

Los LVDT de inducido cautivo (guiado) son útiles en aplicaciones de medición tanto estáticas como dinámicas.

Los LVDT con rangos cortos (p. Ej., Máximo ± 76 mm [± 3 pulg.]) Se pueden montar horizontalmente y no se doblarán; sin embargo, las unidades más grandes normalmente necesitan soporte cuando se montan horizontalmente para asegurarse de que no se doblen por la gravedad.

Eche un vistazo a los modernos sistemas digitales de control y adquisición de datos EtherCAT de Dewesoft que son totalmente compatibles y están listos para la medición LVDT.

Dewesoft DAQ Systems

LVDT de armadura forzada o extendida por resorte

Un LVDT de armadura forzada o "extendida por resorte" tiene el mismo conjunto de cojinetes de baja fricción de un LVDT cautivo (guiado) como se describe anteriormente, pero además, utiliza un mecanismo de retorno mecánico como un resorte, neumático o un motor para empuje el inducido hasta su máxima deflexión. Esto es para aplicaciones donde se desea que la armadura LVDT mantenga una conexión estable con el objeto bajo prueba.

En este escenario, solo el cuerpo del LVDT está fijo y el extremo de la armadura generalmente tiene una bola en su extremo que empuja contra el objeto bajo prueba y no está sujeta a él. Por lo tanto, el objeto bajo prueba puede incluso moverse fuera de su alcance o ser reemplazado por un objeto diferente como en el caso de una línea de ensamblaje. La bola de armadura extendida por resorte se extenderá automáticamente y esperará a que el objeto regrese o sea reemplazado, y se moverá suavemente cuando lo haga.

Estos LVDT son los mejores para aplicaciones estáticas y de movimiento lento.

La mayoría de los fabricantes de LVDT hacen que sus sensores estén disponibles en algunas o todas estas variedades de inducido, con el fin de manejar una amplia gama de aplicaciones.

Actualmente, existe una amplia variedad de LVDT en el mercado. Algunos están diseñados específicamente para aplicaciones y entornos como aplicaciones higiénicas con alimentos y medicinas, para inmersión en agua salada, en ambientes de temperaturas extremas, para aplicaciones científicas de muy alta precisión, e incluso contando dinero, dentro de ambientes presurizados, y muchas más variantes. A menudo están construidos de acero inoxidable, lo que los hace muy adecuados para estas aplicaciones.

LVDT de CA frente a CC

El LVDT de CA clásico NO tiene componentes electrónicos a bordo y requiere un amplificador portador externo y acondicionamiento de señal relacionado para funcionar. Algunos fabricantes han integrado estos componentes electrónicos en LVDT. Estos LVDT de CC son más fáciles de conectar con los sistemas de medición, por supuesto, pero existen algunas restricciones.

Debido a que los LVDT de CA no tienen componentes electrónicos integrados, pueden funcionar en los entornos de temperatura más amplios posibles, desde criogénicos hasta 650 ° C / 1200 ° F.

Los LVDT de CA también pueden ser más pequeños que los LVDT de CC debido a la falta de componentes electrónicos.

Los LVDT de CA tienen especificaciones superiores de impacto y vibración que los LVDT de CC debido a su falta de componentes electrónicos.

Los LVDT de CA tienen una vida útil más larga que los LVDT de CC ... menos complejidad significa más confiabilidad.

Esto no significa que no haya ningún propósito para DC LVDTS. Hay muchas aplicaciones para las que su interfaz más sencilla es una gran ventaja y en las que las ventajas de los LVDT de CA no son un factor. Eliminan la necesidad de acondicionamiento de señales externas, por un lado, que a veces puede ser un requisito difícil cuando no hay una ubicación adecuada para ello.

También reducen el tiempo y la complejidad de la instalación. Los LVDT de CC están disponibles en modelos alimentados por bucle, cuyas salidas de corriente de 4-20 mA se pueden transmitir a una distancia más larga que las salidas de voltaje de bajo nivel.

Ventajas de AC LVDT Ventajas de DC LVDT
Mejor rendimiento frente a golpes y vibraciones No requiere acondicionamiento de señal externo
Rango de operación de temperatura más amplio Las salidas están precalibradas
Los factores de forma más pequeños posibles están disponibles Reducción del tiempo de preparación
Diseño con la mayor vida útil posible Salida de bucle de corriente de 4-20 mA disponible para transmisión a larga distancia

Aplicaciones de medición LVDT

  • Herramientas de máquina
  • Bancos de prueba de tracción
  • Prueba aeroespacial: tren de aterrizaje, actuadores, posicionamiento de la superficie de control, hidráulica
  • Ensayos de automoción y trenes: movimientos de los sistemas de suspensión
  • Generación de energía: prueba de turbinas
  • Robótica: retroalimentación de posición
  • Fabricación: automatización, controles de procesos
  • Pulpa y papel - posicionamiento de los brazos tensores

Ventajas del sensor LVDT

  • Muy confiable: larga vida útil del sensor debido al funcionamiento casi sin fricción de la mayoría de los modelos
  • Resolución muy alta: debido al movimiento casi sin fricción, proporcionan una resolución prácticamente infinita. Incluso se pueden detectar los cambios más pequeños.
  • Resistente a daños: en algunos modelos, ambos extremos del tubo están abiertos, lo que evita que el sensor se dañe si el artículo de prueba empuja la varilla más lejos de lo esperado (a excepción de la colisión con el propio tubo)
  • Estabilidad de punto nulo: el punto cero o nulo del sensor es extremadamente repetible debido a la construcción del propio sensor.
  • Amplia gama de temperaturas de funcionamiento: hay modelos LVDT disponibles que pueden soportar temperaturas criogénicas (-200 ° C / -328 ° F) así como altas temperaturas (650 ° C / 1200 ° F)
  • Baja histéresis / alta precisión posicional y repetibilidad
  • Dispositivo de salida de lectura absoluta: a diferencia de un dispositivo de salida incremental, la lectura de un LVDT será la misma antes y después de que se apague y encienda (asumiendo que el objeto bajo prueba no se movió).

Contras del sensor LVDT

  • Distancia de medición limitada: incluso los LVDT más grandes están limitados a rangos de medición de menos de 1 m (~ 27 ”)
  • Puede verse afectado por campos magnéticos (los modelos con blindaje son comunes como resultado)
  • Los modelos de CA requieren una excitación de CA precisa de un acondicionador de señal LVDT
  • Los modelos DC LVDT tienen especificaciones de choque, vibración y temperatura inferiores en comparación con los modelos AC LVDT

Conexión de sensores AC LVDT a su sistema DAQ Dewesoft

El acondicionamiento de señales siempre es necesario con los sensores LVDT de CA debido a su requisito de excitación de CA. Los sensores DC LVDT requieren una entrada de voltaje o de corriente de 4-20 mA. Usando un adaptador DSI-LVDT es posible conectar sensores LVDT a acondicionadores de señal STG y LV Dewesoft DAQ, en varios modelos diferentes.

La siguiente sección muestra qué entradas en qué modelos de sistema DAQ son compatibles, pero primero veamos los adaptadores DSI en general, y luego el adaptador DSI-LVDT de un solo canal y las interfaces DS-16xLVDTr de 16 canales específicamente.

Adaptadores DSI LVDT: un vistazo más de cerca

Los adaptadores DSI son compatibles con todos los acondicionadores de señal Dewesoft STG y LV que están disponibles con entrada analógica DB9, independientemente de la familia de productos. Se adaptarán al sistema SIRIUS DAQ, los módulos KRYPTON DAQ, el sistema de control y DAQ IOLITE e IOLITEd, el DEWE-43A y los sistemas DAQ MINITAUR.

KRYPTON 6xSTG rugged module with various DSI adapters connected to itMódulo robusto KRYPTON 6xSTG con adaptadores DSI-LVDT, DSI-RTD, DSI-ACC y DSI-TH conectados a él

Todos los adaptadores DSI tienen un chip TEDS incorporado para la detección automática del sensor y la configuración plug-and-play. Simplemente conecte el adaptador DSI a una entrada compatible y todo, incluido el escalado, las unidades, los datos de calibración, etc., se configurará automáticamente dentro del software Dewesoft X DAQ. Todos los componentes electrónicos están integrados en una carcasa de aluminio pequeña y resistente con conectores de tornillo para fijar firmemente estos adaptadores al canal de entrada analógica.

El adaptador DSI-LVDT

DSI-LVDT adapter compatible with Dewesoft data acquisition systemAdaptador DSI-LVDT compatible con acondicionadores de señal Dewesoft DB9

El DSI-LVDT es un adaptador para conectar sensores LVDT a su sistema DAQ Dewesoft. Genera la excitación de CA de 4 a 10 kHz que requieren los sensores LVDT e incluye un fácil ajuste de fase a través de un pequeño potenciómetro incorporado. La salida 1 V = 1000 mV / V.

El DS-16xLVDTr

El DS-16xLVDTr combina 16 canales de adaptadores DSI-LVDT en una carcasa compatible con racks de 19 ”con una altura de 1U.

El DS-16xLVDTr de Dewesoft

El gran avance de este nuevo diseño son las entradas / salidas de excitación asíncrona. Se conecta una señal de excitación de un generador de funciones externo al conector BNC “IN”. Esta señal de excitación se enruta automáticamente al conector BNC "OUT", que puede utilizar para conectar en cadena a interfaces DS-16xLVDTr adicionales para sistemas de medición LVDT de gran cantidad de canales.

Hay 16 conectores DB9 (macho) en el panel frontal para la conexión al sistema de adquisición de datos Dewesoft. Cada conector incluye un recortador para ajuste de fase.

En el panel posterior hay 16 conectores DB9 (hembra) para la conexión del sensor LVDT. DS-16xLVDTr admite mediciones con tipos de sensores LVDT de puente completo y medio puente.

Compatibilidad con LVDT de los sistemas SIRIUS DAQ

SIRIUS product DAQ family

La línea SIRIUS incluye no solo el módulo SIRIUS o "slice" en sí, sino que es una línea completa de productos que incluye SIRIUS, SIRIUS resistente al agua, SIRIUS R1DB, SIRIUS R2DB, SIRIUS R3, SIRIUS R4 y SIRIUS R8. Los siguientes acondicionadores de señal SIRIUS son compatibles con las mediciones LVDT:

Módulos de entrada estándar SIRIUS

Módulo STG STGM LV (DB9)
Compatible con DSI-LVDT
Compatible con DS-16xLVDTr

Módulos de entrada SIRIUS HD (alta densidad)

Módulo HD-STGs HD-LV (DB9)
Compatible con DSI-LVDT
Compatible con DS-16xLVDTr

Módulos de entrada SIRIUS HS (alta velocidad)

Módulo HS-STG HS-LV (DB9)
Compatible con DSI-LVDT
Compatible con DS-16xLVDTr  

Compatibilidad con LVDT de la familia de productos DEWE-43A y MINITAURs

DEWE-43 and MINITAURs DAQ systems from Dewesoft

El DEWE-43A es un módulo DAQ portátil de 8 canales que proporciona ocho entradas analógicas universales con conectores DB9. El MINITAUR es esencialmente un DEWE-43A combinado con una computadora robusta, por lo que sus entradas son exactamente las mismas.

DEWE-43A y MINITAURs 8 x entradas universales

Módulo Compatibilidad
Compatible con DSI-LVDT
Compatible con DS-16xLVDTr

Compatibilidad con LVDT de los módulos KRYPTON DAQ

KRYPTON and KRYPTON ONE DAQ product family

KRYPTON and KRYPTON ONE are extremely rugged DAQ modules, rated to IP67 for operating in harsh environments with shock, vibration, and high and low-temperature extremes. Every Dewesoft DAQ system includes award-winning Dewesoft X software for complete system setup, operation, display, storage, analysis, and report generation. The input modules shown below are compatible with the DSI-LVDT adapter:

Módulos multicanal resistentes KRYPTON

Módulo STG-3 STG-6
¿Compatible con DSI-LVDT?
¿Compatible con DS-16xLVDTr?

Módulos de un solo canal resistentes KRYPTON-1

Module STG-1
¿Compatible con DSI-LVDT?
¿Compatible con DS-16xLVDTr? N/A

Compatibilidad con LVDT de la familia de productos IOLITE

IOLITE DAQ and control system

El sistema de control y DAQ IOLITE e IOLITEd combina una potente adquisición de datos con control en tiempo real a través de interfaces duales EtherCAT. Disponible en modelo rack de 19” y modelo de sobremesa. Cada sistema DAQ Dewesoft incluye el software galardonado Dewesoft X para la configuración, operación, visualización, almacenamiento, análisis y generación de informes completos del sistema. El módulo de galgas extensiométricas de seis canales es compatible con los adaptadores DSI, incluido el DSI-LVDT:

Módulos de E / S digitales IOLITE

Módulo 6xSTG
Compatible con DSI-LVDT
Compatible con DS-16xLVDTr

Conclusión

Los LVDT son sensores extremadamente útiles. Son muy fiables, precisos y fáciles de usar. Como resultado, hay muchos millones de ellos en uso en todo el mundo que realizan innumerables aplicaciones de medición y control.

Cada miembro de la familia de productos Dewesoft DAQ es compatible con LVDTS por medio de adaptadores DSI-LVDT fáciles de usar y la interfaz DS-16xLVDTr de 16 canales ... Puede mejorar sus aplicaciones de prueba, medición y control utilizando hardware DAQ Dewesoft y el software que lo acompaña con sensores LVDT.

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Dewesoft DAQ Systems