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Was ist ein LVDT (Differentialtransformator)?

Ein LVDT ist ein elektromechanisches Gerät, das mechanische Bewegungen oder Vibrationen, insbesondere geradlinige Bewegungen, in variable elektrische Strom-, Spannungs- oder elektrische Signale umwandelt und umgekehrt. Dieser Antriebsmechanismus wird hauptsächlich für automatische Steuerungssysteme oder mechanische Bewegungssensoren im Bereich der Messtechnologie eingesetzt. Elektromechanische Wandler werden nach Umwandlungsprinzipien oder Arten von Ausgangssignalen klassifiziert.

Kurz gesagt liefert ein linearer Wandler einen Spannungsausgang proportional zu den gemessenen Parametern, z. B. Kraft für eine einfache Signalkonditionierung. LVDT-Sensorgeräte sind anfällig für elektromagnetische Störungen. Die Reduzierung des elektrischen Widerstands kann durch kürzere Anschlusskabel verbessert werden, um erhebliche Fehler zu vermeiden. Ein linearer Wegaufnehmer benötigt drei bis vier Anschlussdrähte für die Stromversorgung und Ausgabe des Ausgangssignals.

Von der Form her handelt es sich bei der LVDT-Konstruktion um einen hohlen Metallzylinder, in dem sich ein Kern mit kleinerem Durchmesser entlang der Längsachse des Zylinders frei hin- und herbewegt. Der Anker oder Stößel hat eine magnetisch leitfähige Kernverlängerung, die sich im Zylinder oder in der Spulenbaugruppe befinden muss, wenn das Gerät in Betrieb ist.

In der Praxis wird der Stößel am beweglichen Objekt befestigt, dessen Position bestimmt werden soll (Messgröße), während die Spulenbaugruppe an einem festen Referenzpunkt befestigt ist. Durch die Bewegung der Messgröße wird der Kern innerhalb der Spulenbaugruppe bewegt, und diese Bewegung wird elektrisch gemessen.

Umwandlungsprinzipien:
  • elektromagnetisch
  • magnetoelektrisch
  • elektrostatisch
Ausgangssignale:
  • analoger und diskreter Ausgang
  • digital
Beurteilung elektromechanischer Messwandler:
  • statische und dynamische Eigenschaften
  • Empfindlichkeit oder Übertragungsverhältnis: E = Δy / Δx oder Δy ist die Änderung der Ausgabemenge y, wenn die Eingangsmenge x um Δx geändert wird.
  • Ausgangssignal: Bereich der Betriebsfrequenz
  • Statischer Fehler bei der Konvertierung oder des Signals

LVDT-Typen

LVDT-Sensoren: Zum Messen von relativem Strom (C-Eingang, AC-Ausgang, DC-Eingang, DC-Ausgang) oder Resonanzfrequenzen von Spulen als Funktion der Spulenposition bei frequenzbasierten Geräten.

Unverlierbare Anker: Diese Mechanismen eignen sich besser für lange Arbeitsbereiche. Unverlierbare Anker verhindern eine falsche Ausrichtung, da sie von Baugruppen mit geringer Reibung geführt und gesichert werden.

Ungeführte Anker: Mit seinen endlosen Auflösungseigenschaften ist der ungeführte Ankermechanismus eine verschleißfreie Konstruktion, die die Auflösung der gemessenen Daten nicht einschränkt. Diese Art Mechanismus wird an der zu messenden Probe befestigt und sitzt lose in der Röhre, sodass das Gehäuse des LVDT separat gestützt werden muss.

Kraftverstärkende Anker: Diese Anker nutzen interne Federmechanismen, pneumatische Kraft oder Elektromotoren, um den Anker kontinuierlich in die größtmögliche Ausdehnung zu schieben. Kraftverstärkende Anker werden in LVDTs für Anwendungen mit langsamer Bewegung eingesetzt. Diese Mechanismen erfordern keine Befestigung des Ankers an der Probe.

Lineare variable Wegaufnehmer werden häufig in modernen Bearbeitungswerkzeugen, in der Luftfahrt, in der Robotik sowie in der computergestützten Steuerung oder der Bewegungssteuerung in der Automatisierungsfertigung verwendet. Die Auswahl eines geeigneten LVDT-Typs kann anhand der folgenden Spezifikationen getroffen werden:

Linearität: maximale Abweichung vom direkten Verhältnis zwischen gemessenem Abstand und Ausgangsabstand über Messbereich.

> 0,025 ± % vom Skalenendwert 0,025 bis 0,20 ± % vom Skalenendwert 0,20 bis 0,50 ± % vom Skalenendwert 0,50 bis 0,90 ± % vom Skalenendwert 0,90 und höher ± % vom Skalenendwert

Betriebstemperaturen: > -35,5 °C (-32 °F), -35,5 °C bis 0 °C (-32 °F bis 32 °F), 0 °C bis 79,4 °C (32 °F bis 175 °F), 79,4 °C bis 125 °C (175 °F bis 257 °F), über 125 °C (257 °F). Temperaturbereich, in dem das Gerät präzise arbeiten muss.

Messbereiche: 0,05 cm (0,02 Zoll), 0,05 cm bis 0,81 cm (0,02 Zoll bis 0,32 Zoll), 0,81 cm bis 10,16 cm (0,32 Zoll bis 4,0 Zoll), 10,16 cm bis 50,8 cm (4,0 Zoll bis 20,0 Zoll), ± 50,8 cm (± 20 Zoll) (Messbereich oder maximaler gemessener Abstand).

Genauigkeit: beschreibt die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen/realen Wert der Messdaten.

Ausgang: Spannung, Strom oder Frequenz

Schnittstelle: Serielles digitales Standardausgangsprotokoll wie RS232 oder paralleles digitales Standardausgangsprotokoll wie IEEE488.

LVDT-Typ: Stromausgleich AC/AC, DC/DC oder frequenzbasiert

Verschiebung: Ein linearer variabler Wegaufnehmer (LVDT) ist ein elektrischer Wandler, der zur Messung linearer Positionen verwendet wird. Die lineare Verschiebung ist die Bewegung eines Objekts in eine Richtung entlang einer einzelnen Achse. Die Messung der Verschiebung zeigt die Bewegungsrichtung an. Das Ausgangssignal des linearen Wegsensors ist die Messung des Abstands, den ein Objekt in Millimetern (mm) oder Zoll (in.) zurückgelegt hat, und kann einen negativen oder positiven Wert haben. Präzisionsgefertigte LVDT-Wegaufnehmer werden auf den meisten modernen Produktlinien montiert, um eine automatische Kalibrierung bei der Sortierung, bei „Go-no-go“-Anwendungen und bei Qualitätsverfahren zu ermöglichen. Die Konstruktion aus gehärteten Stahlzylindern, O-Ring-Dichtungen und Titan-Stößeln optimiert die Präzisionsfunktion der meisten industriellen Umgebungen. Durch die Verwendung von Hybrid-IC-Modulen wird ein linearer mV/V/mm- oder mV/V/Zoll-Ausgang bereitgestellt, um eine Schnittstelle mit Standard-Messgeräten mit Gleichstromeingang, industriellen Steuerungen, Rekordern und Datenschnittstellen zu schaffen.

Elektrisch betrachtet ist der LVDT ein Gerät mit wechselseitiger Induktivität. Innerhalb der Spulenbaugruppe befinden sich drei Transformatorwicklungen. Eine zentrale Primärspule wird von zwei Sekundärspulen flankiert, einer auf jeder Seite. Die Sekundärspulen sind gegenphasig in Reihe geschaltet. Die Wechselstromerregung wird auf die primäre Wicklung angewendet, wodurch Induktivitätsströme in den sekundären Wicklungen entstehen, die durch den magnetisch leitfähigen Kern vermittelt werden. Wenn sich der Kern exakt in der Mittelstellung befindet (gleich weit entfernt von beiden sekundären Wicklungen), tritt an den Sekundärausgängen keine Spannung auf. Wenn sich der Kern auch nur ein kleines bisschen bewegt, wird am Sekundärausgang eine Differenzspannung induziert. Die Phase der Spannung wird durch die Verschiebungsrichtung des Ankers bestimmt, die Amplitude mehr oder weniger linear durch die Größe der Kernauslenkung aus der Mittelstellung heraus.

Diese Differenzialkonstruktion bietet dem LVDT einen erheblichen Vorteil gegenüber Potentiometergeräten, da die Auflösung nicht durch den Abstand der Spulenwicklungen begrenzt wird. Bei einem linearen Wandler führt jede Bewegung des Kerns zu einer proportionalen Änderung des Ausgangs. Der LVDT hat somit eine theoretisch unendliche Auflösung. In der Praxis wird die Auflösung nur durch die externe Ausgangselektronik und die Aufhängungen begrenzt.

Da es sich um einen Wandler handelt, benötigt der LVDT ein Wechselstromerregungssignal. In der Regel wird ein spezielles Elektronikpaket oder ein Signalkonditionierer verwendet, um dieses Antriebssignal zu generieren und zudem den analogen Wechselstromausgang des Geräts in + 5 V DC, 4-20 mA oder ein anderes Format umzuwandeln, das mit nachgeschalteten Geräten kompatibel ist. Dieser Schaltkreis kann extern sein oder sich innerhalb des Wandlergehäuses befinden. Die interne Elektronik ermöglicht dem Benutzer, dem Wandler ein Gleichstromsignal von nur mittlerer Qualität zu geben, was bei batteriebetriebenen und integrierten Fahrzeuganwendungen oft von Vorteil ist. Externe Elektronik bietet jedoch eine höhere Qualität und kann optionale Funktionen wie Kalibrierung bieten, um das direkte Auslesen in technischen Geräten zu ermöglichen.

Grundlegende LVDT-Diagramme

Wie funktioniert ein LVDT? Ein linearer Wegaufnehmer ist im Wesentlichen ein Miniaturtransformator mit einer Primärspule, zwei symmetrisch gewickelten Sekundärspulen und einem Ankerkern, der sich in Präzisionslagerführungen entlang seiner Linearachse bewegen kann. Ein Stößel verbindet das überwachte Bauteil mit dem Ankerkern, sodass durch die Verschiebung dieses Bauteils der Kern aus der Mitte heraus verschoben wird.

Ein typischer LVDT-Sensor verfügt über drei Magnetspulen, die von einem Ende zum anderen ausgekleidet sind und die Röhre umgeben. Die Primärspule befindet sich in der Mitte, die Sekundärspulen befinden sich oben und unten. Das Objekt der Positionsmessung ist am zylindrischen ferromagnetischen Kern befestigt und gleitet entlang der Röhrenachse. Durch Wechselstrom wird die Primärspule erregt, sodass in den beiden Sekundärspulen eine Spannung proportional zur Länge des verbundenen Kerns induziert wird. Der Frequenzbereich liegt in der Regel zwischen 1 kHz und 10 kHz.

Durch die Bewegung des Kerns wird die Verbindung von der Primärspule zu beiden Sekundärspulen ausgelöst, wodurch die induzierten Spannungen verändert werden. Die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungssignal der oberen und unteren Sekundärspule ergibt sich aus der Bewegung aus der kalibrierten Nullphase. Bei Verwendung eines synchronen Detektors wird eine vorzeichenbehaftete Ausgangsspannung gemessen, die sich auf die Verschiebung bezieht. Ein linearer Wegaufnehmer (LVDT) kann bis zu mehrere Zoll lang sein und fungiert als absoluter Positionssensor mit hoher Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Andere Aktionen oder Bewegungen verändern die Messgenauigkeit nicht. Ein LVDT ist zudem äußerst zuverlässig, da der gleitende Kern die Innenseite der Röhre nicht berührt und der Sensor in einer vollständig abgedichteten Umgebung betrieben werden kann.

Da ein LVDT ein wechselstrombetriebenes Gerät ist, muss sein Ausgang durch entsprechende Elektronik in ein nützliches Gleichstromsignal umgewandelt werden. Es gibt zwei Hybridmodule, die die Grundlage für die LVDT-Signalverarbeitung bilden: einen Oszillator und einen Demodulator.

Der Oszillator ist so konzipiert, dass er eine stabile Sinuswelle für den Antrieb des Wandlers und eine Rechteckwellenreferenz für den Demodulator liefert. Der Demodulator wurde entwickelt, um den Ausgang des Wandlers zu verstärken und ihn in eine hochgenaue Gleichspannung umzuwandeln, die direkt proportional zur Verschiebung ist.

Für den Betrieb des linearen Wegaufnehmers ist es erforderlich, die Primärspule mit einer Sinuswelle zu erregen. Der Ausgang der Sekundärspulen besteht aus einer Sinuswelle mit den Positionsinformationen, die in Amplitude und Phase enthalten sind. Der Ausgang ist in der Mittelposition des Hubes null und steigt bei Verschiebung des Hubes zum einen oder anderen Ende auf die maximale Amplitude an. Der Ausgang befindet sich mit der Erregung der Primärspule am einen Ende des Hubes in Phase und am anderen Ende nicht in Phase.

Bei einem hochwertigen linearen Wegaufnehmer ist das Verhältnis zwischen Position und Phase/Amplitude linear. Oszillator und Demodulator machen den Übergang zwischen Position und Phase/Amplitude einfach.

Beschreibung des Oszillators

Die Funktion des Oszillators besteht darin, eine genaue Sinuswellenspannung zur Erregung des Wandlers bereitzustellen, die sowohl in der Amplitude als auch in der Frequenz stabil ist. Er liefert außerdem eine Phasenreferenz in Rechteckwellenform als Referenz für die interne Verwendung und zum Festlegen von Nullpunkten im Demodulator. Der Oszillator funktioniert wie folgt: Die den Wandler antreibende Sinuswelle wird von einem internen, hochstabilen Wien-Brückenoszillator erzeugt. Die Frequenz des Oszillators wird durch das Verbinden von Stiften oder das Hinzufügen von externen Widerständen eingestellt. Die Sinuskurve wird dann durch einen Leistungsverstärker geleitet, um ausreichend Strom für die meisten Wandler (50 mA) bereitzustellen, ohne dass externe Puffer erforderlich sind. Der Leistungsverstärker verfügt über eine Schutzschaltung, da in Umgebungen, in denen Wandler eingesetzt werden, Kurzschlüsse auftreten können.

Die Sinuskurve wird an den Wandler ausgegeben und intern zur Erzeugung einer Rechteckwelle für die Phase verwendet, die den Demodulator referenziert. Der Oszillatorausgang wird über den Fernmesseingang überwacht, wodurch Spannungsabfälle in den Wandlerkabeln berücksichtigt werden können. Dieser Eingang wird von der Rechteckwelle abgetastet und mit dem Referenzeingang im Amplitudenregler verglichen, um die Oszillatorspannung auf einem festen Pegel zu halten. Der Referenzeingang wird aus dem Referenzausgang oder dem ratiometrischen Ausgang entnommen. Damit kann die Oszillatorspannung fest oder proportional zur Versorgungsspannung sein.

Beschreibung des Demodulators

Die Funktion des Demodulators besteht darin, den Wechselstromausgang des Wandlers in eine nützliche Gleichspannung umzuwandeln, die proportional zu Verschiebung, Last usw. ist. Er enthält außerdem Schaltkreise zur Einstellung von Verstärkung und Nullpunkt, um eine Vielzahl von Wandlern aufzunehmen.

Der Demodulator funktioniert wie folgt: Der Ausgang des Wandlers wird in einen Auswahlschaltkreis zur Grobverstärkung geleitet und verstärkt. Dieser Verstärker kann eine Verstärkung von 25 oder 250 haben, wenn die x10-Option verwendet wird. Die zusätzliche Verstärkung ermöglicht den Betrieb mit Wandlern mit niedriger Ausgangsleistung, wie z. B. Dehnungsmessstreifen.

Durch die Hauptverstärkung mit dem Wechselstromsignal wird die Drift des Stromkreises reduziert. Das hohe Wechselstromsignal wird dann an einen phasensynchronen Demodulator weitergeleitet, der die Rechteckwelle des Oszillators verwendet, um es in eine Gleichspannung mit einem überlagerten Wechselstrom umzuwandeln. Dieses Signal wird dann durch einen Tiefpassfilter geführt, der die meisten Wechselstromkomponenten entfernt, sodass eine konstante Gleichspannung mit leichtem Rippelstrom entsteht. Der Tiefpassfilter umfasst eine Schaltung zur Einstellung von Grobnullpunkt, Feinnullpunkt und Feinverstärkung sowie Anschlüsse, mit denen die Filtereigenschaften verändert werden können.

Innovationen und Anwendungen für den linearen Wandler

Es gibt zahlreiche Installationsoptionen. Die Spulenbaugruppe kann bei Bedarf an der Messgröße, der Stößel am Festpunkt befestigt werden. Es können verschiedene mechanische Verbindungen eingesetzt werden, sodass die Kernbewegung größer oder kleiner als die Bewegung der Messgröße sein kann.

Montierte LVDTs sind für Zugprüfmessungen besser geeignet Bei der Zugprüfung eines Materials zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls müssen die angewandte Last und der Weg, den das Material unter dieser Last zurücklegt, genau bekannt sein. Normalerweise werden diese Parameter mit einer Wägezelle bzw. einem LVDT-Wegaufnehmer genau gemessen. Im letzteren Fall wird ein Extensometer, das den Wegaufnehmer enthält, direkt an der zu prüfenden Probe befestigt.

Diese Methode hat zwei erhebliche Nachteile: Das Extensometer muss für jede Probe eingerichtet werden und beschränkt den Zugriff darauf. Wenn die Probe bis zum Bruch geprüft wird, kann der plötzliche Rückstoß den Wandler beschädigen. Diese Nachteile können vermieden werden, wenn stattdessen der LVDT-Messwandler so montiert wird, dass er über einen Keil in Kontakt mit einem präzisionsbearbeiteten Übertragungsmechanismus bewegt wird.

Bei dieser alternativen Methode wird der lineare Messwandler an der Probensicherungsklemme befestigt, die sich beim Dehnen des Materials bewegt. Wenn sich der Sensorkopf des Messwandlers die geneigte Oberfläche des Keils nach oben bewegt, wird die vertikale Bewegung in eine proportionale horizontale Bewegung des Wandlerkerns übertragen. Das lineare Spannungsausgangssignal des Wandlers wird in ein digitales Voltmeter oder ein ähnliches Messgerät gespeist, das unter Bezugnahme auf den Winkel der geneigten Oberfläche kalibriert werden kann, um eine direkte und präzise Messung der Dehnung des unter Last stehenden Materials zu ermöglichen.

Da die Präzisionskugelspitze des Messwandlers frei entlang der glatten, bearbeiteten Oberfläche der Neigung bewegt wird und da der Stößel des Wandlers in Präzisionslagern verläuft, kommt es nicht zu einer seitlichen Beanspruchung der Röhre. Dies wird durch einen sehr flachen Neigungswinkel in Relation zur Bewegungsrichtung sichergestellt, der auch die Verwendung eines Wandlers mit kurzem Hub ermöglicht. Die horizontale Bewegung des Wandlerkerns kann bis zu 10-mal kleiner sein als die vertikale Bewegungsdistanz.

Messwandler verfügen selbst bei kleinen Hüben über sehr genaue lineare Ausgänge, wodurch die kalibrierte Messung der Prüfprobendehnung ebenfalls sehr genau ist. Bei sehr kleinen Dehnungen, z. B. weniger als 1 mm unter hoher Last, arbeitet ein Extensometer mit einem linearen Wegaufnehmer geringfügig genauer. Das Messwandlergerät ist jedoch für die meisten Anwendungen vorzuziehen und besonders geeignet, wenn Materialien wie Weichmetalle, Kunststoffe und Gummi geprüft werden, die sich erheblich dehnen, ohne zu brechen.

Da der Messwandler an der Seite der Klemme befestigt ist, verhindert er nicht den Zugang zur Prüfprobe. Außerdem muss er nicht jedes Mal eingerichtet werden, wenn eine neue Probe in die Prüfmaschine gegeben wird. Wenn die Probe bricht, bewegt sich die Messspitze des Wandlers einfach schneller entlang der Neigung, ohne dass sie beschädigt werden könnte. Die Gesamtgestaltung ist sehr kompakt.

Wandler sind auch für Materialdickenveränderungen geeignet

Messwandler werden in der Industrie häufig verwendet, um zu prüfen, ob die Dicke eines hergestellten bahnförmigen Materials wie Papier oder Metall innerhalb der angegebenen Toleranzgrenzen bleibt. Wenn das Profil des Messgrößenprodukts verschiedene Stärken umfasst, z. B. eine komplexe Extrusion, kann ein Messinstrument mit einer Reihe linearer Wegaufnehmer entwickelt werden, um die verschiedenen Abmessungen zu überwachen. In einer weiteren Variation dieses Konzepts wurden Messwandler vom Typ LVDT in ein Instrument integriert, das die unterschiedliche Dicke eines natürlichen Produktionsmaterials, z. B. verarbeitete Tierhäute, misst. Diese Profilmessungen werden dann verwendet, um das Bild einer vollständigen Haut zu erstellen, damit Bereiche mit einheitlicher Dicke abgeschnitten und optimal genutzt werden können. Das dünnste Leder wird beispielsweise für Handschuhe ausgewählt, die etwas dickeren Bereiche für Handtaschen usw.

Wie bei bahnförmigem Material mit einheitlicher Dicke wird die Haut für die Messung der Dicke im Wesentlichen zwischen zwei Walzen geführt, die sich beide frei um ihre Achsen drehen können. Die untere Walze ist in ihrer vertikalen Ebene fixiert, um einen Bezugspunkt für die Messung zu bieten. Die andere ist vertikal beweglich, um der Oberfläche des Materials zu folgen. Der Abstand, in dem die Walze vom Bezugselement wegbewegt wird (d. h. der Dicke des Materials), wird mit Messwandlern gemessen. Um die unterschiedlichen Hautdicken aufzunehmen, wird jedoch die obere Walze in diesem Fall über ihre Breite in sechzehn separate Abschnitte unterteilt.

Jeder Abschnitt wird mit einer Feder gegen eine gemeinsame Trägerspindel gespannt, die in einem festen Abstand über der Bezugswalze eingestellt ist. Wenn die Haut zwischen den Walzen verläuft, werden die Abschnitte der oberen Walze von den Federn in positivem Kontakt mit der Materialoberfläche gehalten, können sich jedoch nach oben und unten bewegen, wenn die Hautdicke variiert. Jeder Walzenabschnitt ist mit einem separaten LVDT-Messwandler versehen und überwacht die veränderliche Hautdicke an diesem Punkt. Um die seitliche Belastung des Sensorkopfes durch direkten Kontakt mit der rotierenden Walze zu vermeiden, wird die vertikale Verschiebung mechanisch über eine schwenkbare flache Stange, die mit dem freien Ende oben auf der Walze ruht, an den Wandler übertragen (siehe Seitenansichtsdiagramm).

Das Spannungsausgangssignal des Wandlers wird am Messgerät kalibriert, um zu berücksichtigen, dass sich die Distanz, die der Sensorkopf des Wandlers bei dieser Anordnung bewegt wird, leicht von der tatsächlichen vertikalen Bewegung des Walzenabschnitts unterscheidet. Die Höhe der Trägerspindel der oberen Walze ist auf eine durchschnittliche Hautdicke eingestellt. Anzahl und Breite der Walzenabschnitte wurden für die dickste zu erwartende Haut entwickelt. Während die Haut zwischen den Walzen verläuft, geben die aufgezeichneten Messungen die unterschiedliche Hautdicke entlang der Reihe einzelner Wandler genau an.

Eine „Höhenlinienkarte“ der gesamten Haut mit den Bereichen unterschiedlicher Dicke wird durch die Verarbeitung der Signale des linearen Wandlers in einem Computer und die Darstellung der resultierenden Daten erzeugt. Mittels Farbkodierung oder monochromer Farbtöne können die Bereiche unterschiedlicher Dicke dargestellt werden, so wie verschiedene Höhenlinien auf einer Landkarte.

Jeder Teil der Haut mit der erforderlichen Dicke kann leicht für die Herstellung bestimmter Teile erkannt werden, wodurch die Positionierung der Muster erleichtert und das Material mit minimalem Abfall optimal genutzt werden kann.

Verwendung linearer Wegaufnehmer zur Messung von Druck und Last

In Verbindung mit einem geeigneten kraftempfindlichen Gerät, wie z. B. einer Metallmembran oder einem Messring, können lineare Wegaufnehmer eine sehr genaue und stabile, dabei aber relativ kostengünstige Methode zur Messung von Druck und Last darstellen.

Eine Anwendung für das Membransystem ist die Messung des Drucks in einem Behälter, wie z. B. des Drucks im Zylinderblock eines Motors während der Entwicklung und Prüfung. Der Wegaufnehmer ist in einem Prüfring montiert und bietet gegenüber dem Dehnungsmessstreifen Vorteile bei der Messung sehr kleiner Lasten oder bei möglicher Stoßbelastung. In der Regel ist die spiralförmige Metallmembran in die Wand des Druckbehälters integriert und lenkt unter Druck ab. Membrandicke und -empfindlichkeit sind auf den Druckbereich abgestimmt.

Der lineare LVDT-Wandler wird rechtwinklig zur Membran montiert, und der Stößel der Kernverlängerung ist an der Mitte der Scheibe befestigt. Lineare Wandler sind für Betriebstemperaturen von bis zu 600 °C erhältlich.

Alternativ kann bei hohen Temperaturen ein Näherungssensor verwendet werden, der keinen Kontakt mit der Membran herstellt. Jede Wölbung der Membran wird durch das Ausgangssignal der Wandler wiedergegeben. Ein einfacher Mikrochip kann durch Druckbeaufschlagung auf einen bekannten Hochdruck und einen Niederdruck leicht kalibriert werden, da die Bewegung der Scheibe linear mit Druck in der Mitte erfolgt. Der daraus resultierende kostengünstige, einfache Drucksensor bietet eine hohe Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit.

Die Integration eines linearen Wegaufnehmers in einen Prüfring bietet ein Lastmesssystem, das in einigen Anwendungen erhebliche Vorteile gegenüber Dehnungsmessstreifen hat. Dehnungsmessstreifen arbeiten mit sehr geringen tatsächlichen Bewegungen und sind oft steif und unempfindlich gegenüber sehr kleinen Lasten. Der Prüfring ist hingegen ein vergleichsweise flexibler Träger, der sich unter Last freier bewegen kann – nur relativ gesehen, da der Bewegungsabstand geringer sein muss als der Gesamthub, z. B. ± 0,5 mm des linearen Wandlers. Dieses System ist daher empfindlicher für leichte Lasten.

Obwohl der Prüfring biegsam ist, ist er robuster und widerstandsfähiger als Dehnungsmessstreifen. Die Steifigkeit in einem Dehnungsmessstreifen hat Vorteile, wenn die Last schnell angelegt und entfernt wird, da das steife System eine Hochfrequenzreaktion liefert. Wenn der Dehnungsmessstreifen jedoch einer hohen Stoßbelastung unterliegt, kann er leicht überladen werden. Ein Prüfring kann sich stattdessen weiter bewegen, um die Stoßbelastung ohne nachteilige Wirkung zu absorbieren.

Verwenden eines LVDT-Sensors zur Zählung

Das schnelle Zählen von Banknoten – oder ähnlichen Blättern, die absolute numerische Genauigkeit erfordern – kann durch ein einfaches Konstruktionsprinzip mit linearen Wegaufnehmern erreicht werden. Der Spannungssignalausgang dieser hochempfindlichen LVDT-Sensoren kann dafür verwendet werden, die Noten einzeln mit hoher Geschwindigkeit zu zählen, zu erkennen, wenn zwei oder mehr Noten zusammen gezählt werden, eine geklebte Reparatur zu erfassen, anzuzeigen, wenn eine Note gefaltet wurde, und den Bediener zu benachrichtigen, wenn ein Teil einer Note fehlt.

Bei einer typischen Maschinenkonstruktion werden die Noten zwischen zwei rotierenden Walzen geführt, von denen eine in festen Lagern verläuft, während die andere sich linear bewegen kann, um den Abstand zwischen den Walzen zu variieren. Die letztere Walze wird durch eine geeignete Last in positivem Kontakt mit der Banknote gehalten. An jedem Ende dieser beweglichen Walze wird ein Miniatur-Linearwandler montiert, um die lineare Verschiebung zu messen, während die Noten durch die Lücke laufen.

Wenn also eine einzelne Banknote zwischen den Walzen hindurchläuft, werden die LVDT-Kerne um einen Betrag verschoben, der der Dicke der Note entspricht. Dadurch werden Spannungsausgangssignale mit einer entsprechenden Intensität für beide Wandler erzeugt. Das Signal bleibt nur erhalten, solange die Note zwischen den Walzen verläuft. Auf diese Weise wird ein Impuls erzeugt, der für die elektronische Zählung verwendet werden kann. Zwei zusammen durchgeführte Noten verdoppeln die anhaltende Signalintensität und so weiter.

Weitere Anwendungen

Turbinen: Turbinen zur Stromerzeugung für Kraftwerke auf der ganzen Welt verwenden lineare variable Differenzialwandler als Positionssensoren mit Signalkonditionierern, um die erforderliche Betriebsleistung bereitzustellen. Die für induktive oder LVDT-Positionssensoren benötigten Wechselspannungen und -frequenzen sind aus Stromquellen nicht verfügbar.

Hydraulik: Lineare Positionssensoren dienen als Ladungssensoren in Hydraulikspeichern, das sind spezielle externe Sensoren in rauen Umgebungen mit hoher Vibrations- und Stoßfestigkeit, und sie umfassen alle Hublängen innerhalb unserer Sensoreigenschaften. Wenn Sie längere Hublängen benötigen, wenden Sie sich an unser Ingenieurteam bei OMEGA, um Informationen zu kundenspezifischen Konstruktionen zu erhalten.

Automatisierung: In LVDT-Automatisierungsanwendungen kommen hermetisch abgedichtete dimensionale Messsonden zum Einsatz, um über Ihre Forschungs- und Entwicklungslabore, Fertigungswerkstätten, die rauen Umgebungsbedingungen der Fabrikautomation, Prozesssteuerungsumgebungen, TIR-Messungen und industrielle Kalibrierung hinaus zu arbeiten.

Flugzeuge: Die meisten Luft- und Raumfahrt-/Flugzeuganwendungen setzen Miniatur- oder Subminiatur-Positionswandler ein. Hierbei handelt es sich um durch Kabel betätigte Wegsensormechanismen. OMEGA kann Präzisionsprodukte für Anwendungen in kommerziellen Flugzeugen, im Weltraum, in der Luftfahrt und in Umweltsystemen für Weltraumhabitate entwickeln. Die Produkte werden an einer festen Position montiert, und das Verschiebungskabel wird an einem sich bewegenden Objekt wie einem Fahrwerk oder einem Querruder befestigt. Das Kabel wird je nach Bewegung eingezogen und herausgezogen. Je nach Signalaufbereitung und Montagesystem zeigt der elektrische Ausgang verschiedene Geschwindigkeiten, Winkel, Längen und Bewegungen an.

Satelliten: Denken Sie nur an die Anwendungen in der Satellitentechnologie und damit verwandten Bereichen. Zusätzlich zur Satellitenproduktion werden Positionswandler für Raumfahrzeuge, Frachtflugzeuge, Militärflugzeuge, Drohnen, experimentelle Flugzeuge, Raketen, Kernreaktoren, Flugsimulatoren oder Hochgeschwindigkeitsbahnen benötigt. Flugzeuge: Die meisten Luft- und Raumfahrt-/Flugzeuganwendungen setzen Miniatur- oder Subminiatur-Positionswandler ein. Hierbei handelt es sich um durch Kabel betätigte Wegsensormechanismen. OMEGA kann Präzisionsprodukte für Anwendungen in kommerziellen Flugzeugen, im Weltraum, in der Luftfahrt und in Umweltsystemen für Weltraumhabitate entwickeln. Die Produkte werden an einer festen Position montiert, und das Verschiebungskabel wird an einem sich bewegenden Objekt wie einem Fahrwerk oder einem Querruder befestigt. Das Kabel wird je nach Bewegung eingezogen und herausgezogen. Je nach Signalaufbereitung und Montagesystem zeigt der elektrische Ausgang verschiedene Geschwindigkeiten, Winkel, Längen und Bewegungen an.

Satelliten: Denken Sie nur an die Anwendungen in der Satellitentechnologie und damit verwandten Bereichen. Zusätzlich zur Satellitenproduktion werden Positionswandler für Raumfahrzeuge, Frachtflugzeuge, Militärflugzeuge, Drohnen, experimentelle Flugzeuge, Raketen, Kernreaktoren, Flugsimulatoren oder Hochgeschwindigkeitsbahnen benötigt.