Zur Wegmessung stehen heute die verschiedensten Sensoren zur Verfügung, wobei die Funktionsprinzipien Potentiometrisch, Halleffekt, Induktiv (LVDT), Optisch, Ultraschall und Kapazitiv die gebräuchlichsten sind. Außerdem unterscheidet man grundsätzlich zwischen absoluten und inkrementalen Wegmesssystemen. Für die meistgefragte Messung kleiner bis mittlerer Hübe stellen Sensoren nach dem Prinzip LVDT eine optimale Lösung dar. LVDTs bieten zahlreiche Funktionsvorteile gegenüber anderen Sensortypen und sind zusätzlich auch von der Kostenseite her attraktiv. Zum größten Teil basieren die besonderen Eigenschaften und Vorzüge auf dem grundlegenden physikalischen Konstruktionsprinzip sowie den verwendeten Materialien.LVDT steht für Linear Variable Differential Transducer und bezeichnet einen linearen Wegaufnehmer mit proportionalem Ausgangssignal. Er besteht aus zwei Grundelementen, nämlich einer feststehenden Spulenanordnung sowie einem beweglichen Kern. Zusätzlich ist noch ein Sinusgenerator zur Speisung der Primärspule erforderlich. Das Ausgangssignal der Sekundärspulen wird in einer Demodulatorschaltung gleichgerichtet; das Messsignal steht dann an deren Ausgang zur Verfügung.
Arbeitsprinzip
Die von einem Sinusgenerator gespeiste Primärspule induziert Spannungen in den beiden Sekundärspulen. Befindet sich der Kern exakt mittig dazwischen, so wird in beiden Wicklungen eine Spannung von unterschiedlicher Polarität, jedoch gleicher Amplitude induziert. Durch die entsprechende Verschaltung der Sekundärspulen ist das resultierende Signal Null: das Kennzeichen für die neutrale Mittelstellung des Aufnehmers. Bei Verschiebung des Kerns aus der Mittellage entsteht eine unsymmetrische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspulen, und am Demodulatorausgang ist ein dem Hub proportionales Signal messbar. Abhängig von der Bewegungsrichtung des Kerns erhält man am Ausgang ein Signal mit entsprechend zugeordneter Polarität.
Eigenschaften
Ein LVDT-Sensor besitzt viele überzeugende Eigenschaften:
Berührungsloses Messverfahren: Zwischen dem Spulensystem und dem beweglichen Kern besteht keine mechanische Verbindung. Dies ist generell für höher-dynamische Messanordnungen, wie sie bei Schwingungstests und Materialanalysen auftreten, von großem Vorteil. Da zwischen Kern und Spulen lediglich eine magnetische Kopplung besteht, kann zwischen Spulenträger und Kern ein nichtmagnetischer Tubus eingebaut werden. Innerhalb dieses Tubus kann sich zum Beispiel eine Druckflüssigkeit oder ein chemisches Fluid befinden, in dem sich der Kern bewegt. Dadurch wird die Spulenanordnung vom Fluid nicht tangiert und befindet sich im drucklosen Raum. Diese Anordnung wird vielfach bei der Hubmessung in Hydraulikventilen gewählt. Unbegrenzte Lebensdauer: Da zwischen Messkern und Spulen kein Kontakt besteht, entsteht keinerlei Verschleiß durch Schmutz oder Abrieb. Dieser Vorteil ist bei hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wichtig, wie sie in der Luft- und Raumfahrt, bei Nuklear-, teilweise auch bei Mobil- und Industrieanwendungen vorliegen. Unendliche Auflösung: Das Messsystem an sich besitzt durch das induktive und berührungslose Messverfahren eine unendliche Auflösung, welche lediglich durch die Rauschdaten der Demodulatorschaltung begrenzt wird. Absolutes Ausgangssignal: Im Gegensatz zu inkrementalen Sensoren erzeugt ein LVDT ein absolutes, lineares Ausgangssignal. Dies besagt, dass der Messwert auch nach einem vorübergehenden Stromausfall nicht verloren geht, sondern danach wieder fehlerfrei ansteht. Hohe Dynamik: Durch das berührungslose Messverfahren ist ein LVDT auch für Messungen hoher Dynamik geeignet. Im Allgemeinen ist eine Dynamik bis zu einem Wert von 20 kHz erreichbar. Limitierende Einflüsse kommen von der Masse des Kerns sowie der Grenzfrequenz der nachgeschalteten Signalverarbeitung. Großer Hubbereich: Entsprechend konstruierte LVDT arbeiten bis zu Messhüben von 2.000 mm, zumeist werden sie jedoch für kleinere Hübe bis zu 200 mm eingesetzt. Gute Linearität: Im Allgemeinen liegt die Linearität eines LVDT bei ±0,2Prozent. Durch Verbesserungen der Wickeltechnik können jedoch auch Werte im Bereich von ±0,05Prozent erreicht werden. Stabiler Nullpunkt: Der Nullpunkt des Messsystems ist bei hoher Wiederholgenauigkeit über den gesamten Nenn-Temperaturbereich äußerst stabil. Gute Temperaturstabilität: Die Temperaturdrift liegt typisch im Bereich von 0,01 Prozent/°C für den spezifizierten Temperatur- bzw. Messbereich, lässt sich jedoch durch gezielte Kompensation weiter reduzieren. Niedriger Preis: Fälschlicherweise stehen LVDT im Ruf, teuer zu sein. Dies ist jedoch nur zutreffend, wenn man High-End-Ausführungen betrachtet. Hat man eher durchschnittliche Anforderungen an den Aufnehmer, möchte jedoch die grundsätzlichen Vorteile des Messverfahrens erhalten, so sind die Kosten eher gering. Großer Temperaturbereich: Bei entsprechender Auslegung kann für die reine LVDT-Hardware ein Funktionsbereich von bis zu -200 bis 500 °C erreicht werden. Sind jedoch Speisung bzw. Demodulator im Sensorgehäuse integriert, so wird naturgemäß der Temperaturbereich dieser Komponenten bestimmend. Ein LVDT ist daher bei externer Anordnung der Elektronik auch für Anwendungen mit großer Temperatur-Bandbreite geeignet. Hohe Funktionssicherheit: Der Prinzipaufbau eines LVDT ist äußerst betriebssicher. Durch einen Verguss der Spulen bzw. der integrierten Elektronik sowie eine Gehäuseabschirmung kann man den Sensor selbst gegen hohe Schockbelastungen sowie externe Wechselfelder unempfindlich machen.Bestandteile eines LVDT
Die Spulenwicklungen werden normalerweise mit Kupferlackdraht ausgeführt. Die einzelnen Windungen müssen nebeneinander liegen (keine „wilde“ Wicklung). Zur Reduzierung der Spulenbaulänge können Primär- und Sekundärwicklungen auch übereinander liegen. Eine verbesserte Linearität in den Hub-Endbereichen erreicht man durch eine konkave Wickeltechnik der Sekundärspulen. Für den Spulenträger sollte man ein Material mit geringer Temperatur-Ausdehnung wählen, um die Drift zu minimieren. Hier werden glasfaserverstärkte Kunststoffe, Keramik oder auch Stahl eingesetzt. Als Kernmaterial kommt zunächst Ferrit in Betracht; da dies jedoch sehr spröde und schlecht bearbeitbar ist, werden meist weich-magnetische Werkstoffe verwendet. Hier kommen Stahl-Nickel-Legierungen in Frage, z. B. Ni50/Fe50, welche nach der Bearbeitung geglüht werden. Die Betätigungsstange trägt den Kern und muss aus einem nicht magnetisierbaren Material bestehen, neben Kunststoff lassen sich auch rostfreie Stähle wie X2CrNiMo18-14-3 verwenden.Für einen Metalltubus zwischen Spulenträger und Kern kann grundsätzlich ein der Betätigungsstange gleiches Material Verwendung finden. Sollte sich im Tubusraum ein höherer Druck befinden, so muss man ihn entsprechend mechanisch dimensionieren.Für den Sinusgenerator können bekannte Schaltungsprinzipien verwendet werden. Es ist zu beachten, dass man die Generatorfrequenz mindestens 2,5-(besser 10-)fach größer als die mechanische Grenzfrequenz der Messanordnung wählt. Die Demodulatorschaltung kann je nach Anforderung über eine passive oder aktive Gleichrichtung des Messsignals verfügen. Die Schaltung wird von den Anforderungen hinsichtlich Rauschanteil, Dynamik und Ausgangswiderstand bestimmt und kann an ihrem Ausgang auch eine Wandlerschaltung zur Anpassung des Messsignal an eine nachgeordnete digitale Signalverarbeitung erhalten. Hierbei ist jedoch der Einfluss auf die Auflösung und Dynamik des Signals zu beachten. Die erforderliche Elektronik kann sich entweder im Sensorgehäuse oder außerhalb befinden. Im letzteren Fall sollten die Verbindungsleitungen zwischen den Aufnehmerspulen und der Elektronik wegen ihrer Störempfindlichkeit so kurz wie möglich und einzeln geschirmt sein. Falls keine extremen Anforderungen hinsichtlich Dynamik und Genauigkeit bestehen, lässt sich durch den Einsatz integrierter Standard-Schaltkreise eine erhebliche Vereinfachung der Sensorelektronik erreichen.
