Cómo construir un LVDT y su driver analógico.

El LVDT es un dispositivo utilizado como transductor de posición lineal en múltiples aplicaciones. Está formado por tres bobinas: una central encargada de la excitación y otras dos laterales que recogerán la información.

Su principio de funcionamiento es sencillo. El LVDT posee un núcleo ferromagnético movil que, al desplazarse, cambia la inductancia entre la bobina central y las dos laterales provocando que el voltaje inducido en ambas cambie de manera proporcional al desplazamiento del núcleo. Generalmente el núcleo estará unido al elemento cuya posición lineal queremos medir y, dado que no se necesita contacto alguno con el dispositivo, el LVDT no aporta fricción al sistema siendo, por tanto, un excelente transductor en comparación a medidores resistivos y otros tipos.

Nuestro objetivo es construir un dispositivo que tendrá dos funciones: alimentar el bobinado central e interpretar los datos de los bobinados laterales para finalmente proporcionar un voltaje de corriente continua que represente la posición del núcleo.

Para comprender mejor el funcionamiento del LVDT he montado una pequeña aplicación donde se aprecian, al mover el núcleo a lo largo de su eje con el ratón, las variaciones en los voltajes de las diferentes bobinas.

Como se puede observar en la aplicación la bobina primaria, de color rojo, recibe una excitación continua en forma de seno lo que provoca un voltaje inducido en las dos bobinas de los laterales. Vemos que al desplazar hacia los lados el núcleo cambia la amplitud de la onda inducida en las dos bobinas secundarias.

Podemos apreciar también que si realizamos el cálculo matemático sencillo de restar las amplitudes de las dos ondas obtenemos un nivel de CC que representa, de forma lineal, la posición del núcleo. Ese es uno de nuestros objetivos junto con excitar, a partir de un voltaje continuo también, la bobina principal.

Queremos entonces un dispositivo analógico que reciba una tensión continua y proporcione otra tensión también continua en función de la posición del núcleo. Para ello separaremos el proyecto en dos partes: el excitador y el analizador.

Generador de onda

Para excitar la bobina primaria utilizaremos un oscilador sinsoidal por rotación de fase y un buffer para asegurar que la tensión no caiga al alimentar bobinas de baja impedancia. Veamos el esquemático que he diseñado para el excitador:

Como vemos en la izquierda, con el primer OPAMP, he montado un oscilador cuya frecuencia es de aproximadamente 620Hz. Su frecuencia teórica es la siguiente:

\Large f_\mathrm{osc}=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{2N}}=\frac{1}{2\pi 1000\cdot 100\cdot 10^{-9}\sqrt{2\cdot 3}}=649 Hz

Seguido al oscilador hay un potenciometro utilizado para ajustar el voltaje de salida al deseado. Utilizaremos un voltaje de 2V RMS normalmente.

Por último he puesto un buffer con dos transistores NPN y PNP para aumentar la capacidad de corriente de salida del circuito dado que alimentaremos bobinas, típicamente, de unos pocos ohmios.

Análisis de secundarios

Sabemos que las dos bobinas secundarias proporcionaran un voltaje inducido por la primaria que también será de forma sinusoidal. En primer lugar tendremos que convertir dicha onda sinusoidal a una tensión constante a la altura de su amplitud. Para realizar esto utilizaremos una pequeña modificación del super diodo que permite mantener el máximo de una señal.

Una vez hemos rectificado las señales de las dos bobinas secundarias las restaremos con otro OPAMP y posteriormente añadiremos una etapa de ajuste para permitir al usuario ajustar el cero del dispositivo de manera precisa.

Veamos el circuito completo:

Observamos los dos amplificadores de la izquierda cuya función es rectificar la onda y obtener su nivel de pico cuyas salidas se dirigen a un circuito restador. A la salida de dicho circuito deberíamos tener la onda que esperamos, sin embargo a veces las bobinas de las LVDT no están bien calibradas (no tienen el mismo número de vueltas o longitud) de modo que el cero no coincide con la posición central del núcleo. Para solucionar esto se ha incluido un nuevo restador que permite ajustar el nivel nulo con un potenciómetro.

Esquemáticos y listado de componentes

El circuito que he diseñado tiene unas dimensiones de 100x120mm. El esquemático del driver del LVDT es el siguiente:

Listado de componentes:

Referencia Valor
R1 33k
R2,R3,R4 1k
R5-12,R15 10k
R13,R14 22k
U1,U2 TL084
D1,D2,D3 1N4148
C1,C2,C3 100nF
C4 220nF
C5,C6 10uF
Q1 TIP31
Q2 TIP32
RV1,RV2 Potenciómetro 10K (Ajuste vertical)

El esquemático completo del proyecto es el siguiente:

Resultados del proyecto

Tras montar el circuito anterior he grabado un video donde se observan los resultados del proyecto. Espero que haya sido de utilidad o al menos interesante para el lector. Proximamente trabajaré sobre otros transductores algo más sencillos y también bastante eficaces.

Algunas imágenes del prototipo:

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9 respuestas a Cómo construir un LVDT y su driver analógico.

  1. Borja GP dijo:

    Simplemente :o

  2. Daniel M dijo:

    Excelente proyecto. Me podrias dar mas caracteristicas sobre el transformador LVDT que construiste. Numero de vueltas, impedancia resultante.

    Te lo agradeceria muchisimo. Un abrazo.

    • joken dijo:

      Hola Daniel,

      El número de vueltas es de aproximadamente unas 500 utilizando hilo de cobre esmaltado de 0.2mm. Resulta en una impedancia de unos 20 ohmios. En realidad no es una cuestión crítica dado que la impedancia de las bobinas tan solo influirá directamente en la cantidad de potencia de salida del oscilador y, aún así, está dotado de un regulador de tensión para reducirla en caso de bobinas con poca impedancia. Sí debes tener en cuenta que el número de vueltas sea igual en los tres...

      ...Continuar leyendo...
      • Daniel dijo:

        De antemano te comento que el transformador que embobiné lo hice con 600 vueltas aproximadamente de alambre magneto calibre 30.

        Los resultados que he tenido han sido bastante buenos.

        Me comunico contigo pronto.

        Saludos

  3. javier arevalo dijo:

    disculpa Daniel, es de alguna relevancia el material del cilindro que enredan las bobinas, ¿las bobinas tienen que estar aisladas unas de otras?

  4. javier arevalo dijo:

    mi comentario era para joken lo siento xD!!

  5. javier arevalo dijo:

    disculpa también que importancia tiene el grosor del cable y si hay alguna expresión matemática... por favor

  6. gerry dijo:

    saludos muy buen trabajo. me ayudomucho gracias

  7. Naaye dijo:

    Disculpa me podrias pasar el diseño de tu placa (archivo/programa), para poder compararla con la que estoy haciendo esque presiento que tengo algo mal , porfaa!

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