LVDTとは何か

LVDTとは何か

LVDTの定義

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）は、直線運動を電気信号に変換する誘導型トランスダーサーです。その精度と信頼性により高く評価されています。このトランスフォーマーの二次側出力は差動であり、そのためこの名称が付けられています。他の誘導型トランスダーサーと比較して非常に正確な誘導型トランスダーサーです。

LVDTの構造

構造の主な特徴

• トランスフォーマーは、一次巻線Pと二つの二次巻線S1およびS2で構成され、これらは円筒形のコア（中空でコアを含む）に巻かれています。

• 両方の二次巻線には同じ数のターンがあり、一次巻線の両側に配置されます。

• 一次巻線は交流電源に接続され、エアギャップに磁束が生じ、二次巻線に電圧が誘導されます。

• 可動式の軟鉄コアがコア内に配置され、測定対象の変位がコアに接続されます。

• 鉄コアは通常高透磁率であり、これにより高調波の減少とLVDTの高感度が実現します。

• LVDTはステンレス鋼製のハウジング内に配置され、これにより静電気や電磁干渉からのシールディングが提供されます。

• 両方の二次巻線は、結果として得られる出力が二つの巻線の電圧の差になるように接続されています。

動作原理と仕組み

一次巻線が交流電源に接続されるため、LVDTの二次巻線に交流電流と電圧が生じます。二次巻線S1の出力はe1、二次巻線S2の出力はe2です。したがって、差動出力は以下のようになります。

この式がLVDTの動作原理を説明しています。

コアの位置によって3つのケースが発生し、これらがLVDTの動作を説明します。

• CASE I コアがニュートラル位置にある場合（変位なし）コアがニュートラル位置にあるとき、両方の二次巻線にリンクする磁束は等しく、誘導される電動力も両方の巻線で等しいです。したがって、変位がない場合、出力eoutの値はゼロとなり、e1とe2が等しいため、変位が起こっていないことを示します。

• CASE II コアがニュートラル位置よりも上に移動した場合（基準点よりも上への変位）

• この場合、二次巻線S1にリンクする磁束はS2よりも大きくなります。そのため、e1はe2よりも大きくなります。このため、出力電圧eoutは正となります。

• CASE III コアがニュートラル位置よりも下に移動した場合（基準点よりも下への変位）。この場合、e2の大きさはe1よりも大きくなります。そのため、出力eoutは負となり、基準点よりも下への変位を示します。

出力VSコアの変位

LVDTの出力電圧は、コアの変位に対して線形の関係を持ち、グラフ上で線形曲線として表されます。LVDTで誘導される電圧の大きさと符号に関するいくつかの重要な点

電圧の変化量（負または正）は、コアの動きの量に比例し、直線運動の量を示します。出力電圧の増加または減少を観察することで、運動の方向を決定できます。LVDTの出力電圧は、コアの変位に対する線形関数です。

LVDTの利点

• 広い範囲 – LVDTは、1.25 mmから250 mmまでの広い範囲の変位を測定でき、様々な用途での汎用性を高めます。

• 摩擦損失なし – コアが中空のコア内で動くため、摩擦による変位入力の損失がなく、LVDTは非常に正確なデバイスとなります。

• 高い入力と高い感度 – LVDTの出力は非常に高く、増幅が必要ありません。トランスダーサーは通常約40V/mmの高感度を持っています。

• 低いヒステリシス – LVDTは低いヒステリシスを示し、すべての条件下で優れた再現性があります。

• 低消費電力 – 消費電力は約1Wで、他のトランスダーサーと比較して非常に低いです。

• 直接的な電気信号への変換 – それらは直線変位を電気電圧に変換し、これは処理が容易です。

LVDTの欠点

• 外部磁場への敏感性が高いため、LVDTは正確なパフォーマンスを確保し、干渉を防ぐために保護セットアップが必要です。

• LVDTは振動や温度の影響を受けます。

• 他の誘導型トランスダーサーと比較して、LVDTは有利であることが結論付けられます。

LVDTの応用

• LVDTは、測定対象の変位が数ミリメートルから数センチメートルの範囲にあるアプリケーションで使用されます。LVDTは一次トランスダーサーとして機能し、変位を直接電気信号に変換します。

• LVDTは二次トランスダーサーとしても機能します。たとえば、ボルボン管は一次トランスダーサーとして機能し、圧力を直線変位に変換し、その後LVDTがこの変位を電気信号に変換し、校正後、流体の圧力を読み取ります。