Loading article…
線形可変差動トランス（LVDT）は、線形可変変位トランス[ 1 ] 、線形可変変位トランスデューサ[ 2 ]、または単に差動トランス[ 3 ]とも呼ばれ、線形変位（特定の方向に沿った位置）を測定するために使用される電気トランスの一種です[ 4 ] [ 5 ] 。これは、LVDT型変位センサの基本です[ 5 ]。回転変位を測定するために使用されるこのデバイスに対応するものは、回転可変差動トランス（RVDT）と呼ばれます。
LVDTは、堅牢で絶対的な直線位置/変位変換器です。本質的に摩擦がなく、適切に使用すればほぼ無限のサイクル寿命を実現します。AC駆動のLVDTは電子部品を一切含まないため、極低温から最高650 ℃（1200 °F）までの過酷な環境、高振動・高衝撃下でも動作するように設計できます。LVDTは、パワータービン、油圧機器、自動化システム、航空機 、衛星、原子炉など、幅広い用途で広く使用されています。これらの変換器は、ヒステリシスが低く、再現性に優れています。
LVDTは、機械的な基準位置（ゼロ位置またはヌル位置）からの位置または直線変位を、位相（方向）と振幅（距離）の情報を含む比例電気信号に変換します。LVDTの動作は、可動部（プローブまたはコアアセンブリ）とコイルアセンブリ間の電気的接触を必要とせず、電磁結合に依存します。
線形可変差動トランスは、チューブの周囲に3つのソレノイドコイルが端と端を合わせて配置されている。中央のコイルは一次コイルで、外側の2つのコイルは上下の二次コイルである。位置を測定する対象物に取り付けられた円筒形の強磁性コアが、チューブの軸に沿ってスライドする。交流電流が一次コイルを駆動し、二次コイルに接続されたコアの長さに比例した電圧が各二次コイルに誘導される。[ 3 ]周波数は通常1～ 10kHzの範囲である。
コアが移動すると、一次コイルと2つの二次コイルとの結合状態が変化し、誘導電圧も変化します。コイルは、出力電圧が上側の二次電圧と下側の二次電圧の差（そのため「差動」と呼ばれます）となるように接続されています。コアが中央位置、つまり2つの二次コイルの中間にあるとき、2つの二次コイルには等しい電圧が誘導されますが、2つの信号は相殺されるため、理論的には出力電圧はゼロになります。実際には、一次コイルと各二次コイルとの結合方法にわずかな違いがあるため、コアが中央にあるときにもわずかな電圧が出力されます。
この小さな残留電圧は位相シフトによるもので、直交誤差と呼ばれることが多い。閉ループ制御システムではヌル点付近で振動を引き起こす可能性があるため厄介であり、単純な計測アプリケーションでも許容できない場合がある。これは、交流で二次電圧を直接減算する同期復調を使用した結果である。現代のシステム、特に安全性に関わるシステムでは、LVDTの故障検出が必要であり、通常の方法は、オペアンプに基づく高精度半波整流器または全波整流器を使用して各二次を個別に復調し、直流信号を減算して差を計算することである。一定の励起電圧の場合、2つの二次電圧の合計はLVDTの動作ストローク全体でほぼ一定であるため、その値は小さな範囲内に収まり、監視することができる。これにより、LVDTの内部故障が発生すると、合計電圧が制限値から逸脱し、迅速に検出されて故障が示される。この方式では直交誤差はなく、位置依存の差電圧はヌル点で滑らかにゼロを通過する。
システム内でマイクロプロセッサやFPGAなどのデジタル処理が可能な場合、処理デバイスが故障検出を実行するのが一般的であり、二次電圧の差を二次電圧の合計で割ることによって、測定を励起信号の正確な振幅に依存しないようにし、精度を向上させるために比率測定[ 6 ]処理を行う場合もある。十分なデジタル処理能力が利用可能な場合は、これを使用してDACを介して正弦波励起を生成し、場合によっては多重化ADCを介して二次復調も実行することが一般的になりつつある。
コアが上方向に移動すると、下側の二次コイルの電圧が低下するにつれて、上側の二次コイルの電圧が増加します。結果として、出力電圧はゼロから増加します。この電圧は一次電圧と同相です。コアが反対方向に移動すると、出力電圧もゼロから増加しますが、その位相は一次電圧の位相と逆になります。出力電圧の位相は変位の方向（上方向または下方向）を決定し、振幅は変位量を示します。同期検出器は、変位に対応する符号付き出力電圧を検出できます。
LVDTは、数インチ（数百ミリメートル）までの変位に対して出力電圧がほぼ直線になるように、細長いコイルで設計されています。
LVDTは絶対位置センサとして使用できます。電源が切れても、再起動すれば同じ測定値が表示され、位置情報が失われることはありません。適切に設定すれば、再現性と繰り返し精度が最大の利点となります。また、コアの単軸方向の直線運動以外に、コアが軸を中心に回転するなどの動きがあっても、測定値に影響はありません。
摺動コアがチューブの内壁に接触しないため、摩擦なくスムーズに動作し、LVDTは非常に信頼性の高いデバイスとなっています。摺動接点や回転接点が一切ないため、LVDTは外部環境から完全に密閉された状態で使用できます。
LVDTは、サーボ機構における位置フィードバック、工作機械における自動計測、その他多くの産業および科学用途において一般的に使用されています。