LVDT

XVIII Congresso Regional De Iniciação Científica e Tecnológica

DESENVOLVIMENTO E TESTE DE UM SENSOR LVDT Moacir Fonteque Júnior 1, Fábio Luiz Bertotti 1, Rafael Bardal 1, Miguel Antonio Sovierzoski2 Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná - CEFET-PR 2 Departamento Acadêmico de Eletrônica 1 Curso de Engenharia Industrial Elétrica – ênfase Eletrônica e Telecomunicações Av. Sete de Setembro, 3165 – Curitiba Curitiba – PR – CEP 80230-901 moafonteque@cheloc [email protected], o.com, [email protected], [email protected], [email protected]

Este artigo apresenta o projeto, o desenvolvimento e os ensaios de um sensor LVDT (Linear Variable Differential Differential Transformer). É apresentado um estudo teórico sobre os fenômenos atuantes e princípios princípios de funcionamento funcionamento do sensor LVDT. Em seguida, são apresentadas informações relativas ao processo de desenvolvimento do sensor e ao circuito condicionador de sinal adequados ao sensor desenvolvido. O artigo é finalizado apresentando as respostas do sensor, através do condicionador de sinais, em função do deslocamento e posicionamento do núcleo do sensor. Resumo.

sensor de deslocamento linear, construção de sensor LVDT, sensor de posicionamento.

LVDT destaca-se por apresentar uma alta prec precis isão ão,, con confi fiab abil ilid idad adee e robu robust stez ez.. O artigo apresenta o projeto, o desenvolvimento e os ensaios de um sensor LVDT. É apresentado um estudo teórico sobre os fenômenos atuantes e princípio de funcionamento dos sensores LVDT. Em seguida, são apresentadas informações relativas ao processo de desenvolvimento do sensor e ao circuito condicionador de sinal adequados ao sensor desenvolvido. O artigo é finalizado apresentando as características de respostas do sensor desenvolvido, através do circuito condicionador de sinais, em função do deslocamento e posicionamento do núcleo do sensor.

Palavr as-ch ave: ave:

1. INTRODUÇÃO A medida de posicionamento e deslocamento é muito utilizada na automação de processos uma forma geral. São utilizados sensores de diversas tecnologias cujas características de funcionamento permitem realizar tais medidas. Dentre uma grande gama de sensores para para esta esta fina finali lida dade de,, os mais mais util utiliz izad ados os são são o transformador diferencial linear variável Linear Variable Differential Transformer Transformer ( Linear LVDT), os sensores potenciômetros e os sensores ópticos tipo encoders. encoders. O sensor Engenharia Elétrica

2. ESTUDO DO SENSOR LVDT A principal finalidade do sensor LVDT é medir deslocamentos e posicionamento de dispositivos móveis. O sensor pode gerar dados, com boa margem de precisão, relativos a velocidades, acelerações, posi posici cion onam amen ento toss inst instan antâ tâne neos os,, comp compor orta ta-mentos de vibrações, oscilações e instabilidades do dispositivo móvel acoplado a ele.

2.1 Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento do sensor LVDT baseia-se no fenômeno de transferência de energia eletromagnética entre fontes excitadoras e dispositivos coletores deste tipo de energia, no caso do sensor, os indutores. CRICTE 2003

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O dispositivo sensor padrão possui três indutores e um núcleo ferromagnético móvel. O indutor primário é excitado por um sinal elétrico, sendo responsável pela geração do campo magnético. Este campo magnético é conduzido, através do núcleo ferromagnético móvel, para os enrolamentos secundários e estes geram um sinal elétrico proporcional ao fluxo magnético em suas espiras. Os indutores secundários possuem sentidos de enrolamentos inversos sendo interligados em série e acoplados a um circuito condicionador de sinal. O sinal elétrico de saída do sensor LVDT é a diferença entre os sinais dos indutores secundários, devido ao sentido oposto de enrolamento dos indutores secundários. Os sinais de saída dos indutores secundários variam proporcionalmente com a intensidade do fluxo magnético em suas espiras, e a variação do fluxo magnético é resultante do deslocamento do núcleo ferromagnético entre as bobinas.

Com a movimentação do núcleo ferromagnético no sentido de uma das extremidades, ocorre o deslocamento das linhas do campo magnético gerado pelo enrolamento primário, alterando o fluxo magnético entre as espiras dos enrolamentos secundários. Sendo assim, o sinal de saída do indutor secundário para o qual o núcleo está se deslocando possuirá uma maior amplitude. O sinal de saída no indutor secundário para o qual o núcleo está se afastando diminuirá. O sinal de saída do LVDT será alterado em função das amplitudes das tensões geradas pelos indutores secundários, conforme apresenta as figuras 2 e 3.

Figura 2 – Deslocamento do Núcleo no sentido do indutor secundário direito

Figura 1 – Núcleo na posição central do sensor LVDT e sinal de excitação e sinal de saída

Quando o núcleo encontra-se na posição central, conforme apresenta a figura 1, o campo magnético gerado pelo indutor primário, é igual nos dois indutores secundários. Logo, os sinais de saída dos indutores secundários terão as mesmas amplitudes, com fase deslocada de 180º. O sinal resultante de saída do sensor LVDT será um valor nulo, indicando o posicionamento central do núcleo e de posicionamento em proporção igual entre as duas bobinas secundárias.

Engenharia Elétrica

A figura 2 apresenta o núcleo ferromagnético no indutor secundário direito, isso provoca uma tensão induzida maior no indutor direito e uma tensão menor no indutor secundário esquerdo. Assumindo que o enrolamento do indutor secundário direito possua o mesmo sentido de enrolamento do indutor primário, a resultante é uma tensão em fase com a tensão de excitação. A figura 3 apresenta o núcleo ferromagnético no indutor secundário esquerdo, isso provoca uma tensão maior no indutor esquerdo e uma tensão menor no indutor secundário direito. Como o enrolamento do indutor secundário esquerdo possui sentido oposto ao sentido de enrolametno do indutor primário, a resultante é uma tensão defasada 180º em relação à tensão de excitação. CRICTE 2003

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Figura 3 – Deslocamento do Núcleo no sentido do indutor secundário esquerdo

Depois de condicionado, o sinal do sensor LVDT comporta-se conforme apresenta a figura 4, abrangendo uma certa faixa de linearidade.

Figura 4 – Resposta de um sensor LVDT em relação à excursão do núcleo ferromagnético

2.2 Princípio da linearidade do sensor O sensor LVDT, como o nome indica é um Transformador Diferencial Linear Variável. É um dispositivo que apresenta uma ampla faixa de linearidade em seu sinal de saída. Se o dispositivo fosse projetado somente com um indutor secundário, este apresentaria uma não linearidade considerável, característica do indutor. Isso não implica que a não linearidade intrínseca a cada indutor desaparece com a inserção de outros indutores. Primeiramente os indutores secundários são dispositivos semelhantes, quanto a construção e características elétricas apresentando o número de espiras, tipo de fio, Engenharia Elétrica

posicionamento, e apresentando também, características de não linearidades semelhantes. Os indutores secundários são interligados em série para formar o sinal de saída, e os indutores secundários possuem sentidos opostos de enrolamento. Dessa forma, o sinal de saída, como já mencionado, é resultante da adição dos sinais de saída de cada indutor secundário. Com características de não linearidade muito semelhantes, esta é cancelada na saída dos indutores garantindo, assim, a linearidade do dispositivo.

3. PROJETO E DESENVOLVIMENTO DO SENSOR LVDT O corpo do sensor foi confeccionado em nylon, por ser facilmente usinado e não ser ferro-magnético, gerando espalhamento do campo magnético. Através de processo de usinagem no nylon, foram gerados três sulcos para o acondicionamento dos indutores. O sulco central acondiciona o indutor primário, que gera o campo eletromagnético. Este indutor foi confeccionado com 1000 espiras de fio esmaltado 30 AWG. Os sulcos secundários possuem tamanhos padronizados e são igualmente distanciados do indutor central. Suas dimensões foram projetadas para garantir a mesma proporção de entrada do núcleo ferromagnético na bobina destino com a sua saída da bobina origem, sendo este fenômeno o responsável pela linearidade de resposta do componente. Estes sulcos acondicionam os indutores secundários, confeccionados com 1500 espiras de fio esmaltado 30 AWG por indutor, os quais são sensibilizados pelas linhas de campo magnético induzidas pelo indutor primário e conduzidas com maior facilidade devido a permeabilidade magnética do núcleo móvel, gerando assim sinais nos indutores secundários. A figura 5 ilustra o projeto mecânico do sensor LVDT desenvolvido e a figura 6 apresenta a fotografia do sensor protótipo desenvolvido. CRICTE 2003

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Figura 5 – Projeto Mecânico do Sensor LVDT

seja um sinal com polaridade negativa, o sinal será bloqueado pelo diodo de saída do operacional. Neste caso, o sinal é retificado pelo retificador de ciclo negativo. Este circuito atua como um retificador ideal, pois a barreira de potencial dos diodos não aparece na saída. Os sinais dos dois retificadores são adicionados pelo somador composto pelos resistores R5 e R6 e passa por um filtro passivo de primeira ordem. Um ganho DC ajustável de saída é dado logo após o filtro.

Figura 6 – Foto do Sensor Protótipo, apresentando detalhes do núcleo ferromagnético e do sensor construído

O sensor foi construído de forma a permitir que um núcleo cilíndrico possa deslizar com o mínimo de atrito em seu interior. O núcleo móvel é de aço inoxidável e se desloca pelo interior das bobinas do sensor. O núcleo é fixado por uma haste em latão a qual possui baixa condutibilidade magnética e garante uma maior robustez ao dispositivo.

4. CIRCUITO CONDICIONADOR DE SINAIS O circuito condicionador de sinais utilizado no ensaio do sensor é apresentado na figura 7. O circuito é composto por um retificador de precisão ativo, implementado com amplificadores operacionais, e um filtro passa-baixas. Quando um sinal com polaridade positiva é aplicado na entrada, na saída do retificador de ciclo positivo tem-se uma tensão proporcional positiva e com ganho ajustado pelo potenciômetro P1. Caso Engenharia Elétrica

Figura 7 – Circuito condicionador de sinal do sensor LVDT

5. ENSAIOS E RESULTADOS O sensor foi ensaiado com um conjunto de freqüências de excitação no indutor primário e os resultados obtidos foram plotados no gráfico apresentado pela figura 8. Em função do dimensionamento físico do sensor desenvolvido como número de espiras, formato e posicionamento dos indutores, formato do núcleo, este apresentou respostas de amplitudes diferentes para um conjunto de freqüências entre 50 Hz a 10.000 Hz. A melhor resposta do sensor foi para sinal de excitação próximo a 1000 Hz, resultando em uma maior variação de amplitude do sinal de saída em função do posicionamento do núcleo central.

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, consultado em 25/06/2003.

Resposta do LVDT 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 )5,0 s t l 4,0 o3,0 V (2,0 a d í 1,0 a0,0 S -1,0 0 e 4 d -2,0 o -3,0 ã s -4,0 n e -5,0 T -6,0 -7,0 -8,0 -9,0 -10,0 f=50Hz f=2000Hz

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Deslocamento (mm)

f=100Hz f=3000Hz

f=250Hz f=4000Hz

f=500Hz f=5000Hz

f=1000Hz f=10000Hz

Figura 8 – Resposta do sensor protótipo para diversas freqüências de excitação

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Apesar do sensor protótipo desenvolvido ter sido construído com a utilização de equipamentos simples como tornos mecânicos, lixadeiras, furadeiras, entre outros instrumentos de tornearia, seu modelo seguiu perfeitamente os padrões dimensionais propostos na sua fase de pesquisa. Isso garantiu os resultados satisfatórios apresentados como o alto fator de linearidade presente em quase todo a região de deslocamento do núcleo ferromagnético, estabilidade e robustez adequada à sua utilização. O projeto do sensor LVDT foi desenvolvido como parte do Projeto Final do curso de Graduação em Engenharia Elétrica do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná.

6. REFERÊNCIAS [1] Ramos, Helena, LVDT-Based Vibration Meter , E.P.E.’99 – International Conference on Electrical & Power. Iasi, Romênia. [2] Bolton, William. Tradução: Roberto de Godoi Vidal, Luiz. Instrumentação & Controle. ECCEL Eletrônica 2002. [3] Sentech Incorporated, Products LVDT, 813 Series AC/AC, disponível em Engenharia Elétrica

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