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Was ist ein LVDT (Differentialtransformator)?

Ein LVDT ist ein elektromechanisches Ger?t, das mechanische Bewegungen oder Vibrationen, insbesondere geradlinige Bewegungen, in variable elektrische Strom-, Spannungs- oder elektrische Signale umwandelt und umgekehrt. Dieser Antriebsmechanismus wird haupts?chlich 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-Sensorger?te sind anf?llig für elektromagnetische St?rungen. Die Reduzierung des elektrischen Widerstands kann durch kürzere Anschlusskabel verbessert werden, um erhebliche Fehler zu vermeiden. Ein linearer Wegaufnehmer ben?tigt drei bis vier Anschlussdr?hte 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 L?ngsachse des Zylinders frei hin- und herbewegt. Der Anker oder St??el hat eine magnetisch leitf?hige Kernverl?ngerung, die sich im Zylinder oder in der Spulenbaugruppe befinden muss, wenn das Ger?t in Betrieb ist.

In der Praxis wird der St??el am beweglichen Objekt befestigt, dessen Position bestimmt werden soll (Messgr??e), w?hrend die Spulenbaugruppe an einem festen Referenzpunkt befestigt ist. Durch die Bewegung der Messgr??e 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 übertragungsverh?ltnis: E = Δy / Δx oder Δy ist die ?nderung der Ausgabemenge y, wenn die Eingangsmenge x um Δx ge?ndert 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 Ger?ten.

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 Aufl?sungseigenschaften ist der ungeführte Ankermechanismus eine verschlei?freie Konstruktion, die die Aufl?sung der gemessenen Daten nicht einschr?nkt. Diese Art Mechanismus wird an der zu messenden Probe befestigt und sitzt lose in der R?hre, sodass das Geh?use des LVDT separat gestützt werden muss.

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

Lineare variable Wegaufnehmer werden h?ufig 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:

Linearit?t: maximale Abweichung vom direkten Verh?ltnis 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 h?her ± % 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 Ger?t pr?zise 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 tats?chlichen/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. Pr?zisionsgefertigte LVDT-Wegaufnehmer werden auf den meisten modernen Produktlinien montiert, um eine automatische Kalibrierung bei der Sortierung, bei ?Go-no-go“-Anwendungen und bei Qualit?tsverfahren zu erm?glichen. Die Konstruktion aus geh?rteten Stahlzylindern, O-Ring-Dichtungen und Titan-St??eln optimiert die Pr?zisionsfunktion 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-Messger?ten mit Gleichstromeingang, industriellen Steuerungen, Rekordern und Datenschnittstellen zu schaffen.

Elektrisch betrachtet ist der LVDT ein Ger?t mit wechselseitiger Induktivit?t. Innerhalb der Spulenbaugruppe befinden sich drei Transformatorwicklungen. Eine zentrale Prim?rspule wird von zwei Sekund?rspulen flankiert, einer auf jeder Seite. Die Sekund?rspulen sind gegenphasig in Reihe geschaltet. Die Wechselstromerregung wird auf die prim?re Wicklung angewendet, wodurch Induktivit?tsstr?me in den sekund?ren Wicklungen entstehen, die durch den magnetisch leitf?higen Kern vermittelt werden. Wenn sich der Kern exakt in der Mittelstellung befindet (gleich weit entfernt von beiden sekund?ren Wicklungen), tritt an den Sekund?rausg?ngen keine Spannung auf. Wenn sich der Kern auch nur ein kleines bisschen bewegt, wird am Sekund?rausgang eine Differenzspannung induziert. Die Phase der Spannung wird durch die Verschiebungsrichtung des Ankers bestimmt, die Amplitude mehr oder weniger linear durch die Gr??e der Kernauslenkung aus der Mittelstellung heraus.

Diese Differenzialkonstruktion bietet dem LVDT einen erheblichen Vorteil gegenüber Potentiometerger?ten, da die Aufl?sung nicht durch den Abstand der Spulenwicklungen begrenzt wird. Bei einem linearen Wandler führt jede Bewegung des Kerns zu einer proportionalen ?nderung des Ausgangs. Der LVDT hat somit eine theoretisch unendliche Aufl?sung. In der Praxis wird die Aufl?sung nur durch die externe Ausgangselektronik und die Aufh?ngungen begrenzt.

Da es sich um einen Wandler handelt, ben?tigt 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 Ger?ts in + 5 V DC, 4-20 mA oder ein anderes Format umzuwandeln, das mit nachgeschalteten Ger?ten kompatibel ist. Dieser Schaltkreis kann extern sein oder sich innerhalb des Wandlergeh?uses befinden. Die interne Elektronik erm?glicht dem Benutzer, dem Wandler ein Gleichstromsignal von nur mittlerer Qualit?t zu geben, was bei batteriebetriebenen und integrierten Fahrzeuganwendungen oft von Vorteil ist. Externe Elektronik bietet jedoch eine h?here Qualit?t und kann optionale Funktionen wie Kalibrierung bieten, um das direkte Auslesen in technischen Ger?ten zu erm?glichen.

Grundlegende LVDT-Diagramme

Wie funktioniert ein LVDT? Ein linearer Wegaufnehmer ist im Wesentlichen ein Miniaturtransformator mit einer Prim?rspule, zwei symmetrisch gewickelten Sekund?rspulen und einem Ankerkern, der sich in Pr?zisionslagerführungen entlang seiner Linearachse bewegen kann. Ein St??el 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 R?hre umgeben. Die Prim?rspule befindet sich in der Mitte, die Sekund?rspulen befinden sich oben und unten. Das Objekt der Positionsmessung ist am zylindrischen ferromagnetischen Kern befestigt und gleitet entlang der R?hrenachse. Durch Wechselstrom wird die Prim?rspule erregt, sodass in den beiden Sekund?rspulen eine Spannung proportional zur L?nge 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 Prim?rspule zu beiden Sekund?rspulen ausgel?st, wodurch die induzierten Spannungen ver?ndert werden. Die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungssignal der oberen und unteren Sekund?rspule 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 ver?ndern die Messgenauigkeit nicht. Ein LVDT ist zudem ?u?erst zuverl?ssig, da der gleitende Kern die Innenseite der R?hre nicht berührt und der Sensor in einer vollst?ndig abgedichteten Umgebung betrieben werden kann.

Da ein LVDT ein wechselstrombetriebenes Ger?t 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 verst?rken und ihn in eine hochgenaue Gleichspannung umzuwandeln, die direkt proportional zur Verschiebung ist.

Für den Betrieb des linearen Wegaufnehmers ist es erforderlich, die Prim?rspule mit einer Sinuswelle zu erregen. Der Ausgang der Sekund?rspulen 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 Prim?rspule am einen Ende des Hubes in Phase und am anderen Ende nicht in Phase.

Bei einem hochwertigen linearen Wegaufnehmer ist das Verh?ltnis 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 au?erdem 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 Widerst?nden eingestellt. Die Sinuskurve wird dann durch einen Leistungsverst?rker geleitet, um ausreichend Strom für die meisten Wandler (50 mA) bereitzustellen, ohne dass externe Puffer erforderlich sind. Der Leistungsverst?rker verfügt über eine Schutzschaltung, da in Umgebungen, in denen Wandler eingesetzt werden, Kurzschlüsse auftreten k?nnen.

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 Spannungsabf?lle in den Wandlerkabeln berücksichtigt werden k?nnen. 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 enth?lt au?erdem Schaltkreise zur Einstellung von Verst?rkung und Nullpunkt, um eine Vielzahl von Wandlern aufzunehmen.

Der Demodulator funktioniert wie folgt: Der Ausgang des Wandlers wird in einen Auswahlschaltkreis zur Grobverst?rkung geleitet und verst?rkt. Dieser Verst?rker kann eine Verst?rkung von 25 oder 250 haben, wenn die x10-Option verwendet wird. Die zus?tzliche Verst?rkung erm?glicht den Betrieb mit Wandlern mit niedriger Ausgangsleistung, wie z. B. Dehnungsmessstreifen.

Durch die Hauptverst?rkung 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 Feinverst?rkung sowie Anschlüsse, mit denen die Filtereigenschaften ver?ndert werden k?nnen.

Innovationen und Anwendungen für den linearen Wandler

Es gibt zahlreiche Installationsoptionen. Die Spulenbaugruppe kann bei Bedarf an der Messgr??e, der St??el am Festpunkt befestigt werden. Es k?nnen verschiedene mechanische Verbindungen eingesetzt werden, sodass die Kernbewegung gr??er oder kleiner als die Bewegung der Messgr??e sein kann.

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

Diese Methode hat zwei erhebliche Nachteile: Das Extensometer muss für jede Probe eingerichtet werden und beschr?nkt den Zugriff darauf. Wenn die Probe bis zum Bruch geprüft wird, kann der pl?tzliche Rücksto? den Wandler besch?digen. Diese Nachteile k?nnen vermieden werden, wenn stattdessen der LVDT-Messwandler so montiert wird, dass er über einen Keil in Kontakt mit einem pr?zisionsbearbeiteten 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 Oberfl?che 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 ?hnliches Messger?t gespeist, das unter Bezugnahme auf den Winkel der geneigten Oberfl?che kalibriert werden kann, um eine direkte und pr?zise Messung der Dehnung des unter Last stehenden Materials zu erm?glichen.

Da die Pr?zisionskugelspitze des Messwandlers frei entlang der glatten, bearbeiteten Oberfl?che der Neigung bewegt wird und da der St??el des Wandlers in Pr?zisionslagern verl?uft, kommt es nicht zu einer seitlichen Beanspruchung der R?hre. Dies wird durch einen sehr flachen Neigungswinkel in Relation zur Bewegungsrichtung sichergestellt, der auch die Verwendung eines Wandlers mit kurzem Hub erm?glicht. 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 Ausg?nge, 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 Messwandlerger?t 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. Au?erdem 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 besch?digt werden k?nnte. Die Gesamtgestaltung ist sehr kompakt.

Wandler sind auch für Materialdickenver?nderungen geeignet

Messwandler werden in der Industrie h?ufig verwendet, um zu prüfen, ob die Dicke eines hergestellten bahnf?rmigen Materials wie Papier oder Metall innerhalb der angegebenen Toleranzgrenzen bleibt. Wenn das Profil des Messgr??enprodukts verschiedene St?rken 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 Tierh?ute, misst. Diese Profilmessungen werden dann verwendet, um das Bild einer vollst?ndigen Haut zu erstellen, damit Bereiche mit einheitlicher Dicke abgeschnitten und optimal genutzt werden k?nnen. Das dünnste Leder wird beispielsweise für Handschuhe ausgew?hlt, die etwas dickeren Bereiche für Handtaschen usw.

Wie bei bahnf?rmigem 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 k?nnen. Die untere Walze ist in ihrer vertikalen Ebene fixiert, um einen Bezugspunkt für die Messung zu bieten. Die andere ist vertikal beweglich, um der Oberfl?che 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 Tr?gerspindel gespannt, die in einem festen Abstand über der Bezugswalze eingestellt ist. Wenn die Haut zwischen den Walzen verl?uft, werden die Abschnitte der oberen Walze von den Federn in positivem Kontakt mit der Materialoberfl?che gehalten, k?nnen sich jedoch nach oben und unten bewegen, wenn die Hautdicke variiert. Jeder Walzenabschnitt ist mit einem separaten LVDT-Messwandler versehen und überwacht die ver?nderliche 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 Messger?t kalibriert, um zu berücksichtigen, dass sich die Distanz, die der Sensorkopf des Wandlers bei dieser Anordnung bewegt wird, leicht von der tats?chlichen vertikalen Bewegung des Walzenabschnitts unterscheidet. Die H?he der Tr?gerspindel der oberen Walze ist auf eine durchschnittliche Hautdicke eingestellt. Anzahl und Breite der Walzenabschnitte wurden für die dickste zu erwartende Haut entwickelt. W?hrend die Haut zwischen den Walzen verl?uft, geben die aufgezeichneten Messungen die unterschiedliche Hautdicke entlang der Reihe einzelner Wandler genau an.

Eine ?H?henlinienkarte“ 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 Farbt?ne k?nnen die Bereiche unterschiedlicher Dicke dargestellt werden, so wie verschiedene H?henlinien 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 Ger?t, wie z. B. einer Metallmembran oder einem Messring, k?nnen 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 Beh?lter, wie z. B. des Drucks im Zylinderblock eines Motors w?hrend 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 m?glicher Sto?belastung. In der Regel ist die spiralf?rmige Metallmembran in die Wand des Druckbeh?lters 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 St??el der Kernverl?ngerung ist an der Mitte der Scheibe befestigt. Lineare Wandler sind für Betriebstemperaturen von bis zu 600 °C erh?ltlich.

Alternativ kann bei hohen Temperaturen ein N?herungssensor verwendet werden, der keinen Kontakt mit der Membran herstellt. Jede W?lbung 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 Zuverl?ssigkeit.

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 tats?chlichen Bewegungen und sind oft steif und unempfindlich gegenüber sehr kleinen Lasten. Der Prüfring ist hingegen ein vergleichsweise flexibler Tr?ger, 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 widerstandsf?higer 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 Sto?belastung unterliegt, kann er leicht überladen werden. Ein Prüfring kann sich stattdessen weiter bewegen, um die Sto?belastung ohne nachteilige Wirkung zu absorbieren.

Verwenden eines LVDT-Sensors zur Z?hlung

Das schnelle Z?hlen von Banknoten – oder ?hnlichen Bl?ttern, 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 z?hlen, zu erkennen, wenn zwei oder mehr Noten zusammen gez?hlt 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 verl?uft, w?hrend 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, w?hrend die Noten durch die Lücke laufen.

Wenn also eine einzelne Banknote zwischen den Walzen hindurchl?uft, werden die LVDT-Kerne um einen Betrag verschoben, der der Dicke der Note entspricht. Dadurch werden Spannungsausgangssignale mit einer entsprechenden Intensit?t für beide Wandler erzeugt. Das Signal bleibt nur erhalten, solange die Note zwischen den Walzen verl?uft. Auf diese Weise wird ein Impuls erzeugt, der für die elektronische Z?hlung verwendet werden kann. Zwei zusammen durchgeführte Noten verdoppeln die anhaltende Signalintensit?t 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 ben?tigten 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 Sto?festigkeit, und sie umfassen alle Hubl?ngen innerhalb unserer Sensoreigenschaften. Wenn Sie l?ngere Hubl?ngen ben?tigen, 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, Fertigungswerkst?tten, 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 bet?tigte Wegsensormechanismen. OMEGA kann Pr?zisionsprodukte 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, L?ngen und Bewegungen an.

Satelliten: Denken Sie nur an die Anwendungen in der Satellitentechnologie und damit verwandten Bereichen. Zus?tzlich zur Satellitenproduktion werden Positionswandler für Raumfahrzeuge, Frachtflugzeuge, Milit?rflugzeuge, Drohnen, experimentelle Flugzeuge, Raketen, Kernreaktoren, Flugsimulatoren oder Hochgeschwindigkeitsbahnen ben?tigt. Flugzeuge: Die meisten Luft- und Raumfahrt-/Flugzeuganwendungen setzen Miniatur- oder Subminiatur-Positionswandler ein. Hierbei handelt es sich um durch Kabel bet?tigte Wegsensormechanismen. OMEGA kann Pr?zisionsprodukte 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, L?ngen und Bewegungen an.

Satelliten: Denken Sie nur an die Anwendungen in der Satellitentechnologie und damit verwandten Bereichen. Zus?tzlich zur Satellitenproduktion werden Positionswandler für Raumfahrzeuge, Frachtflugzeuge, Milit?rflugzeuge, Drohnen, experimentelle Flugzeuge, Raketen, Kernreaktoren, Flugsimulatoren oder Hochgeschwindigkeitsbahnen ben?tigt.
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