Cómo construir un LVDT (DIY)

Cómo construir un LVDT (DIY)

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Un LVDT (Linear Variable Differential Transformer) se utiliza como un tipo de sensor de desplazamiento que ha alcanzado mucha popularidad en la industria y hasta en los aficionados a los sistemas móviles, que necesitan tener una realimentación de sus mecanismos (posición). La función que antes cumplía un potenciómetro, ahora se realiza mediante este tipo de transformadores especiales que permiten una instalación sencilla y una resolución sorprendente en la medición . En muchos aspectos, se podría considerar como el sensor de desplazamiento linealideal” ya que combina facilidad de construcción y excelente funcionamiento. Si te interesa la mecatrónica y necesitas un sensor de desplazamiento para tus mecanismos, aquí tienes la mejor opción, en NeoTeo.

Un Transformador Variable, de respuesta Lineal  y con arrollamientos secundarios conectados en modo Diferencial, sería el nombre apropiado para este tipo de sensores que hoy vamos a ver aquí, en NeoTeo. Podrán ponerle todos los nombres que quieran y adecuarlos en función de sus siglas, tal como se los conoce en el mundo de la robótica y la mecatrónica: “LVDT”, pero una definición acertada seria la enunciada en la primera oración. Como ya te hemos expresado, se trata de un dispositivo que se utiliza para detectar y cuantificar desplazamientos entre partes mecánicas, con muchas particularidades que descubrirás a lo largo de este artículo. Reiteramos entonces el concepto: “Un dispositivo que será capaz de informarnos, mediante una señal eléctrica, si una pieza de un mecanismo se ha desplazado respecto a otra y cuánto lo ha hecho”. Este razonamiento es muy importante de comprender, asimilar y razonar para aprovechar al máximo las posibilidades de utilidad que nos brinda este tipo de sensor de desplazamiento.

Cómo construir un LVDT (DIY)

Por lo general, una de las opciones válidas para determinar la magnitud de un desplazamiento lineal (o circular) de una pieza móvil, respecto a otra fija, era instalar un potenciómetro deslizante lineal en cualquiera de las dos y obtener una referencia de tensión de acuerdo a la magnitud del desplazamiento de las piezas entre sí. Como es lógico de suponer, en ambientes de trabajo hostiles, los potenciómetros tienen una vida útil muy limitada al igual que la mayoría de los sistemas mecánicos que están expuestos al rozamiento, a la fricción y en consecuencia, a un desgaste que obliga su recambio en forma periódica. Un LVDT es eterno gracias a que no requiere contacto alguno entre las partes que se utilizan para determinar el desplazamiento. Básicamente, tal como puedes ver en las imágenes, se trata de un cilindro dividido, en al menos tres partes, donde se bobinan los arrollamientos de este transformador especial, que constará de un primario y dos secundarios ubicados (físicamente) a ambos lados del bobinado primario.

El principio de funcionamiento de este tipo de dispositivos es muy sencillo de comprender y esto ayuda a perfeccionar, modificar, adaptar, rediseñar y hasta crear nuestros propios LVDT para las aplicaciones donde entendamos que es necesario el uso de un detector de desplazamiento. Un bobinado primario central recibe una tensión alterna cuya frecuencia de trabajo puede variar, dependiendo del tipo de núcleo que utilicemos en la construcción final, pero que por lo general se ubica entre 1Khz y 10Khz. En el ejemplo que realizamos para esta demostración, no pusimos ninguna atención a la frecuencia de trabajo ya que nuestro deseo era que veamos las posibilidades que ofrecía una frecuencia tomada al azar con una variación de su ciclo de trabajo. El resultado del sistema de excitación del bobinado primario fue una señal generada con un NE555, al que se le agregó un control de ancho de pulso (o impulso), obteniendo un circuito muy similar al utilizado en el Transformador Rotativo que supimos ver hace un tiempo ya.

Cómo construir un LVDT (DIY)

Por su parte y como ya mencionamos, el cuerpo central del transformador está construido por tres bobinados. Uno central, que será el excitado, el que recibirá la señal activa y dos laterales que deben construirse en la forma más idéntica que sea posible. De ello dependerá que, al momento de funcionar, la salida diferencial sea efectivamente una tensión muy cercana a 0 Volt; de lo contrario, obtendremos una falta de equilibrio en la inducción desde el primario a los secundarios y esto se verá en la salida como una tensión positiva o negativa. En nuestro ensayo experimental, cada bobinado intentó tener unas 500 espiras de alambre de cobre esmaltado, de 0,15 milímetros de diámetro y nos ayudamos con las divisiones que el soporte utilizado (obtenido de un viejo chasis de TV) ya poseía en su estructura. Este tipo de construcciones pueden alcanzar un alto grado de calidad artesanal aunque utilicemos el tubo plástico de un bolígrafo y separadores de cartón para los tres bobinados. La prioridad siempre es el esmero, el orden, la prolijidad y la creatividad de cada uno para adaptar los elementos que posee, dentro de la aplicación deseada.

Tal como mencionamos en el video, al bobinado primario podríamos activarlo con cualquier tipo de forma de onda (cuadrada, senoidal o triangular) mientras los resultados sean los deseados. Para nuestro ejemplo de demostración, utilizamos una señal del tipo escalón que resultó útil y eficiente para visualizar resultados satisfactorios. Sin colocar ningún tipo de núcleo entonces, la conexión diferencial (en oposición) de los bobinados secundarios, nos devolverá una tensión que tenderá a cero al activar el sistema y energizar el bobinado primario. A medida que el núcleo seleccionado comienza a ingresar al transformador, el flujo magnético en el interior del LVDT se encuentra favorecido hacia uno de los bobinados provocando en éste una mayor inducción y en consecuencia una tensión que, como vemos en el video, se presenta en un sentido determinado. Para nuestra comodidad y conveniencia, podemos determinar si deseamos que sea positiva o negativa. Luego, a medida que avanzamos hacia el centro, el núcleo logrará un equilibrio de inducción desde el bobinado primario hacia los bobinados secundarios laterales. En ese punto del recorrido longitudinal, la tensión de salida será igual a cero. Coloca tu atención en esta parte del segundo video para descubrir la resolución que permite alcanzar este tipo de sensores de desplazamiento.

Cómo construir un LVDT (DIY)

Al alejar el núcleo desde el centro hacia el otro bobinado secundario, obtendremos el mismo efecto que en el caso anterior, pero con la polaridad de la tensión invertida, indicándonos que hemos pasado el punto central de equilibrio. Sobre este punto en particular, podemos mencionar que la tensión recuperada desde los bobinados secundarios puede ser manipulada para ofrecer el tipo de información que tú creas conveniente. Vale decir, si deseas rectificar y obtener tensiones positivas y negativas que indiquen el desplazamiento, puedes hacerlo, o quizás prefieras tener siempre indicaciones positivas por sobre cero, si la aplicación así lo permite o requiere. Es decir, la manipulación de la señal obtenida, a partir de este trabajo conceptual, es una decisión que se ajustará a la necesidad de cada uno de nosotros y nuestras aplicaciones. Porque aquí no estamos indicando el método para construir un sensor de desplazamiento específico sino que estamos aprendiendo a comprender su funcionamiento y los beneficios que puede brindarnos. Eso nos permitirá crear nuestro sensor a nuestra conveniencia. Dicho en otras palabras y con otro ejemplo: no aprenderemos a hacer pan para una tarde sino que aprenderemos a sembrar para toda la vida.

Tal como te expresamos en el video, la longitud total del sistema también será un elemento importante a considerar dentro de nuestro diseño. Para algunas situaciones serán necesarios desplazamientos extensos y para otros, un grupo pequeño de bobinados serán suficientes para cumplir la misión de controlar, por ejemplo, la profundidad de trabajo de una herramienta de fresado sobre el cabezal móvil de una máquina de control numérico. Luego de ver los videos, las explicaciones quedan redundantes; solo podemos agregar que estamos ante un tipo de sensor que puede ser utilizado y colocado en lugares tan insólitos como en la parte dorsal de una mano robótica para detectar y cuantificar el movimiento de cada dedo, hasta en medidores de nivel dentro de tanques de combustible. Su falta de rozamiento y posterior desgaste mecánico, de contacto eléctrico peligroso y  su facilidad de aplicación nos invitan a tenerlo en cuenta para múltiples aplicaciones mecanizadas. Las posibilidades de uso son infinitas y por supuesto, te esperamos en el Foro de Electrónica de NeoTeo para compartir experiencias sobre las utilidades que este tipo de sensores de desplazamiento lineal puede ofrecernos. ¡Te esperamos!


Avatar de Mario
Autor: Mario
  • Manolo

    Genial artículo, Don Mario, como siempre.

    Una duda respecto a este sensor: ¿la respuesta en tensión es lineal respecto al movimiento o sigue algún patrón exponencial?

    Un abrazo

    • Rodrigo

      #1
      Los LVDTs tienen un comportamiento lineal en tensión alterna dentro de su rango de medida ofrecido. Por regla general, este rango puede ser superado con la consiguiente pérdida de linealidad.

  • Anónimo

    Muy buen artículo Mario.

  • Anónimo

    Excelente Artículo, muchas aplicaciones para la Robótica, y lo mejor es la secillez del circuito de excitación!!! Gracias amigo Mario.

  • Anónimo

    saludos
    recuerdo tanto cuando trabaje en un observatorio vulcanologico, nosotros teníamos un sensor de movimiento basado en el principio de oscilación del núcleo y en el devanado secundario de un transformador especial se recibía el voltaje, existía un transformador que daba la variación de voltaje en los tres ejes x,y,z y asi se determinaba el grado de inclinación la cual era de 1cm en un kilometro a la redonda.

    el principio era basado en LVDT, también tuve el gusto de destapar este sensor el cual viene super sellado y con el mas mínimo movimiento salia un buen voltaje y producia consquilleo en las manos.
    cuando hice mi proyecto de grado hice un montaje muy parecido al de Mario para inducir ruido al tenido electronico (tecnica PLC, comunicacion por linea de poder)para aquel entonses yo use un tranformador de FI de los radios viejos, y le variaba el nucleo y con un osciloscopio podia ver la señal senoidal que indica Mario, la diferencia radica en que mi onda portadora era de 120KHZ con onda cuadrada y en la salida solo había un nucleo

    es muy buen proyecto para colocarse en practica

  • luis

    Hola Mario muy bun articulo!!!,todo lo que nos traes asi se tratase de una pabada para algunos, siempre es muy bien venido,por lo menos para mi,sin dudas que este proyecto tiene una infinidad de aplicaciones.Lo que no nos digistes es cuantas vueltas tienen los secundarios,tienen 500 tambien? y con el mismo calibre de alambre?.Definitivamente debe haber algun calculo para determinar con que tension y frecuencia yo puedo hacer funcionar el trafito,para que al cabo de un determinado tiempo de funcionamiento no me caliente y se me derrita!!!,yo no lo se pero estoy muy entuciasmado por saberlo,bueno me despido y saludos a todos los del foro NEOTEO.

  • Awrr

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    ║ Neoteo♥ ║
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  • Anónimo

    Hola Mario:

    Si bien este artículo da una buena idea del funcinamiento de un transformador LVDT, encuentro que la explicación que das sobre el funcionamiento para el circuito propuesto para el LVDT no es correcta. Supongo que no habrás probado dicho circuito.

    Si he leído bien, dices que en la salida de los dos secundarios (conectados en serie en oposición de fase, según se ve en el diagrama del circuito) se obtendrá una tensión de aproximadamente 0 voltios cuando el transformador esté equilibrado, mientras que si por la posición del núcleo deslizable el transformador está desequlibrado, se obtendrá una tensión de salida positiva o negativa.

    Al hablar de tensión de salida positiva o negativa parece que te estás refiriendo a tensiones de corriente continua, pero estamos hablando de la salida de un transformador eléctrico, y (salvo que hayan cambiado las leyes de la electricidad sin enterarme) éstos sólo pueden proporcionar tensiones alternas en su salida, no tensiones continuas (positivas o negativas).

    El transformador LVDT transforma las variaciones de tensión de la corriente continua pulsante aplicada en su arrollamiento primario en tensiones alternas en sus dos arrollamientos secundarios, que estarán en oposición de fase. Si el transformador está equilibrado, ambas tensiones se compensan y la tensión de salida es nula, mientras que si no está equilibrado (por la posición del núcleo deslizable), dominará la tensión de un secundario respecto a la del otro y se obtendrá una tensión de salida alterna cuyo valor dependerá del grado de desequilibrio del transformador, y cuya fase dependerá de cuál de los dos arrollamientos secundarios entregue más tensión.

    Un saludo desde Barcelona (España).

  • Daniel Melendrez

    Mi estimado Mario. ¿Me podrías pasar las medidas del transformador? No las encuentro en el texto.

    Muchas gracias. Felicidades por el proyecto

    Un abrazo.

  • daniel

    si necesito un sensor que mida dstancias entre cero y dies milimetros es mas recomendable usar un sensor de tamaño pequeño o uno grande

  • Anónimo

    Hola, muy interesante diseño. Hace un par de años realicé algo parecido pero con una sola bobina y funcionaba midiendo la variación de la inductancia.
    Saludos.

  • andres

    una pregunta como se puede conseguir el cuerpo de la bobina o con que nombre se encuentra

    • César

      #13 Es muy fácil conseguir el mandril o soporte plástico a partir de un televisor de tubo CRT que en su etapa de líneas incorporaban uno o varios de estos inductores. Atención a algunas de estas bobinas cuyo núcleo está magnetizado y no sirve al propósito de autoconstruír un LVDT

  • EDDU

    Saludos Mario excelente articulo, solo pensar que existen muchas aplicaciones en que se utiliza el SENSOR LVDT se vuelve cada ves mas interesante lograr mi objetivo.
    Pero ante esto tengo una pregunta: Podria utilizar un mayor diametro de alambre esmaltado de cobre como el de 0.23mm para construir mi sensor LVDT? Y cuantas espiras tendre que dar?

    De antemano muchas gracias