線形可変差動トランスデューサー LVDT

LVDTの定義

「LVDT」は、Linear Variable Differential Transformer（線形可変差動トランスフォーマー）を指します。これは最も広く使用されている誘導型トランスデューサーであり、直線運動を電気信号に変換します。

このトランスフォーマーの二次側の出力は差動出力であるため、そのように呼ばれています。他の誘導型トランスデューサーと比較して、非常に正確な誘導型トランスデューサーです。

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と二次巻線S1およびS2から成り、これらはコアが含まれる中空の円筒形のボビンに巻かれています。

• 両方の二次巻線には同じ数のターンがあり、それらは一次巻線の両側に配置されています。

• 一次巻線は交流電源に接続され、これにより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。

• 移動可能な軟鉄コアはボビン内に配置され、測定する変位がこのコアに接続されています。

• コアは通常、高透磁率であり、これによりハーモニクスが減少し、LVDTの感度が向上します。

• LVDTはステンレス鋼製のハウジング内に配置されており、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となるように接続されています。

動作原理と作動方法

一次巻線が交流電源に接続されているため、LVDTの二次巻線に交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、

この式は、LVDTの動作原理を説明しています。

コアの位置によって3つのケースが生じ、これらのケースはLVDTの動作を説明します。

• CASE I コアが無変位位置にある場合（変位なし）
  コアが無変位位置にあるとき、両方の二次巻線に連鎖する磁束は等しく、誘導される電動力も両方の巻線で等しくなります。したがって、変位がない場合、eoutの値はe1とe2が等しいためゼロになります。これは変位が発生していないことを示しています。

• CASE II コアが無変位位置より上に移動した場合（基準点より上の変位）
  この場合、二次巻線S1に連鎖する磁束は、S2よりも多いです。そのため、e1はe2よりも大きくなります。これにより、出力電圧eoutは正となります。

• CASE III コアが無変位位置より下に移動した場合（基準点より下の変位）。この場合、e2の大きさはe1よりも大きいです。そのため、出力eoutは負となり、基準点より下の変位を示します。

出力電圧VSコア変位 直線的な曲線は、出力電圧がコアの変位とともに線形に変化することを示しています。

LVDTで誘導される電圧の大きさと符号に関する重要なポイント

• 電圧の増減量（正または負）は、コアの移動量に比例し、直線運動の量を示します。

• 出力電圧の増減を観察することで、動きの方向を判定できます。

• LVDTの出力電圧は、コアの変位の線形関数です。

LVDTの利点

• 広い測定範囲 – LVDTは、1.25 mmから250 mmまでの変位を測定するために使用できます。

• 摩擦損失なし – コアは中空のボビン内に移動するため、摩擦損失による変位入力の損失はありません。これにより、LVDTは非常に正確な装置となります。

• 高い出力と高感度 – LVDTの出力は非常に高いため、増幅は必要ありません。トランスデューサーは約40 V/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すため、すべての条件下での再現性は優れています。

• 低消費電力 – 消費電力は約1Wであり、他のトランスデューサーと比較して非常に少ないです。

• 直接電気信号への変換 – LVDTは直線変位を電気電圧に直接変換し、処理が容易です。

LVDTの欠点

• LVDTは外部の磁場に敏感であるため、常に外部磁場からの保護が必要です。

• LVDTは振動や温度の影響を受けます。

以上のように、他の誘導型トランスデューサーと比較して多くの利点があります。

LVDTの応用

1. LVDTは、測定する変位が数mmから数cmの範囲の場合に使用されます。LVDTは一次トランスデューサーとして機能し、直線変位を直接電気信号に変換します。

2. LVDTは二次トランスデューサーとしても機能します。たとえば、バルブン管は一次トランスデューサーとして働き、圧力を直線