REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No

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1 POSICIONADOR PARA BANCO ÓPTICO A PARTIR DE VARIACIÓN DE INDUCTANCIA Y LVDT CON SISTEMAS DE ADQUISICIÓN ANÁLOGO DIGITAL Y PROGRAMACIÓN LABVIEW C. G. López b y L. C. Jiménez 1 Grupo de Películas Delgadas, Departamento de Física Departamento de Electrónica b Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá, Colombia RESUMEN Mediante el presente trabajo se exploran las posibilidades de implementar un sensor magnético para desplazamiento en distancias cortas, a partir de la variación de la permeabilidad del núcleo en una bobina (solenoide o transformador). Se observa que el solenoide no presenta una variación lineal de su inductancia en función de la posición del núcleo, mientras que el transformador diferencial de variación lineal (LVDT) entrega un voltaje, en modo diferencial, lineal; presentándose modulación de AM. La demodulación se puede obtener mediante detector de envolvente sincrónico, o por demodulación radiométrica. Esta última optimiza la precisión de la medición respecto a variaciones de parámetros de los componentes, efectos de temperatura y ruido. INTRODUCCIÓN El transductor de desplazamiento magnético presenta ventajas, respecto al potenciómetro: resolución infinita, operación libre de fricción, larga vida útil, resistencia a sobrecargas mecánicas, alta sensibilidad axial y mínima sensibilidad radial, fácil diseño y elaboración para trabajar en ambientes hostiles (corrosivos, húmedos, radiactivos, presurizados, etc.), rápida respuesta dinámica, punto nulo repetible, salida absoluta, permite medir desplazamientos muy cortos (del órden de micras). A partir de la variación de la permeabilidad del núcleo de una bobina se obtiene un transductor que mide posición en función del campo B. Este sensor se puede implemetar bajo el principio de funcionamiento del solenoide, modulando la frecuencia de un oscilador LC, cuya salida se pasa a través de un conversor de frecuencia a voltaje. Pero la variación de la inductancia en función de la posición no es lineal. Otra alternativa es utilizar el LVDT, que consiste en dos devanados idénticos arrollados en contrafase y un bobinado central primario, devanados sobre el mismo núcleo (normalmente en relación 1:1:1). Al excitar el primario con un generador de frecuencia fija se obtiene un voltaje inducido en cada secundario con polaridades opuestas, lo que permite tomar la salida diferencial modulada en amplitud, según la posición del núcleo. 1 cjimenez@javeriana.edu.co 240

2 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No. 1, 2002 PARTE EXPERIMENTAL SOLENOIDE: En la bobina con núcleo de aire de la figura 1 se tiene que: L=uo.N 2.S.L. (1) Sin embargo, cuando la permeabilidad del núcleo se varía al introducir una ferrita, se obtiene una inductancia que no es lineal en función de la posición del mismo. Los campos cuasiestáticos locales en el solenoide se obtienen de las ecuaciones de Maxwell: Figura No.1 Solenoide con núcleo variable Obteniéndose: B. dl = s J. ds = Ni (2) E. dl = -d/dt s B. ds (3) Bz = (µo Ni) / l ρ<r Bz = 0 ρ>r E Φ = - (ρ / 2) * d/dt Bz ρ<r E Φ = - (c 2 / 2 ρ)* d/dt Bz ρ>r (4) De aquí se deduce que al colocar el núcleo de ferrita de menor diámetro que el del solenoide, se generan menos pérdidas por corrientes parásitas en dicho núcleo. Esto se optimiza además, por la gran resistencia al paso de corriente eléctrica que brinda la ferrita y su baja reluctancia ante B. Esta teoría es válida para el diseño del LVDT. En el experimento se utilizó una bobina solenoide con diámetro interno de 10 mm, 30 mm de longitud, con armadura en empac, 265 vueltas en alambre esmaltado calibre 28, y ferrita en el núcleo de µ=3µo con diámetro de 6.3mm. Se implementó blindaje en ferrita seguido de blindaje en aluminio, debidamente aterrizado. Montando el circuito de la figura 2, se genera una señal de frecuencia 1/ LC, proporcional a la posición del núcleo, inyectada al conversor de frecuencia a voltaje. 241

3 El LVDT presentado en la figura 3, se implementó con ventanas 15mm: 13mm: 15mm. Número de vueltas de 150: 130: 150. en alambre esmaltado calibre 28, armadura en empac, diámetro interno de 10 mm, ferrita del núcleo con µ=3µo y diámetro de 6.3 mm. Se implementó blindaje de ferrita seguido de blindaje en aluminio aterrizado. En general, las mediciones de desplazamiento se tomaron con un comparador de carátula. La señal de excitación de 3 V - 3 KHz. es modulada en amplitud. El demodulador de AM implementado es análogo, con detector de envolvente sincrónico, como se muestra en la figura 4. El MOSFET es controlado por la señal de fase medida en el primario, a través del comparador de nivel U1. La señal detectada se almacena en el condensador detector de picos C4. Esta señal demodulada es procesada a través del filtro pasabajo U2A para quitar componentes de alta frecuencia y amplificada por U3A. Figura No.2 Circuito Oscilador LC variable y Conversor Frecuencia_Voltaje Figura No.3 Construcción del LVDT 242

4 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No. 1, 2002 Figura No.4. Demodulador AM análogo sincrónico para LVDT La salida diferencial del LVDT depende del acople de las inductancias mutuas: M2(x) = M2(0) + ax + bx 2 + cx 3 + υx 4 M1(x) = M2(0) - ax + bx 2 - cx 3 + υx 4 M2(x) M1(x) = 2ax + υx 3 (5) ANÁLISIS DE RESULTADOS La salida del oscilador no es una función lineal de la posición del núcleo, debido al comportamiento de la inductancia, como se aprecia en la gráfica 5a. Sin embargo el conversor de frecuencia a voltaje sí es un dispositivo lineal. Solenoide blindado con ferrita y aluminio LVDT Blindado con ferrita y aluminio , ,5 0, Serie1 0,3 Serie ,2 0, Distancia (mm) Distancia (mm) (a) Figura No.5. Gráficas de resultados obtenidos a) Inductancia en función de la posición del núcleo. b) Salida LVDT en voltaje dc (b) 243

5 La gráfica de la señal demodulada, en el LVDT, obtenida en función de la posición del núcleo se muestra en la figura 5b. Como se aprecia, el dispositivo presenta amplitud lineal respecto a la posición y a partir del punto nulo central de genera un cambio de fase abrupto de 0º a 180º. CONCLUSIONES El solenoide implementado como medidor de desplazamiento, a partir de un oscilador LC variable, presenta un comportamiento no lineal. Además hay gran dependencia de la variación de parámetros de los componentes electrónicos, ruido y de la temperatura. El LVDT presenta buena linealidad, por ser diferencial brinda alto rechazo al ruido en modo común. El cambio de fase a partir del punto nulo central permite determinar la posición con buena precisión en todo el recorrido del núcleo. Los componentes electrónicos del demodulado análogo presentan los mismos problemas descritos para el circuito electrónico del solenoide. Una forma de resolver estos inconvenientes, es utilizar demodulador AM radiométrico digital. REFERENCIAS [1] An LVDT Primer (An linear variable differential transformer primer) [online]. New Jersey: Macro sensors, [cited 23 october, 2000]. Available from Internet : [2] Analog Devices. LVDT Signal Conditioner AD598. Manual [3] Analog Devices Universal LVDT Signal Conditioner AD698. Manual 244