Transformadores diferenciales variables lineales (LVDT): fundamentos, diseño y métricas clave de rendimiento

Explore los principios básicos de los LVDT: estructura, operación, función de transferencia, rango lineal, linealidad y sensibilidad.

El transformador diferencial variable lineal (LVDT) es un transductor electromecánico de precisión que convierte el desplazamiento mecánico del núcleo en un voltaje AC proporcional. Ofrece resolución virtualmente infinita, linealidad sub‑0,5 %, alta sensibilidad y prácticamente nula fricción mecánica, lo que lo hace ideal para aplicaciones de medición críticas.

En este artículo detallamos la disposición física, principios de funcionamiento y tres parámetros críticos de rendimiento —rango lineal, error de linealidad y sensibilidad.

Estructura de un LVDT

La Figura 1 ilustra una vista en corte típica de un LVDT y su circuito equivalente. El dispositivo consiste en un único devanado primario rodeado por dos devanados secundarios. Un núcleo ferromagnético, usualmente una varilla no ferrosa, es libre de moverse a lo largo del eje de las bobinas. A medida que el núcleo se desplaza, el acoplamiento magnético a cada secundario cambia, produciendo voltajes dependientes de la posición.

Figura 1(a). Vista en corte de un LVDT. Imagen cortesía de Honeywell

Figura 1(b). Modelo de circuito de un LVDT

Los dos devanados secundarios están conectados en serie opuesta: están conectados en serie pero bobinados en direcciones opuestas. El núcleo se une al objeto medido; el ensamblaje de bobinas permanece estacionario.

Cómo funciona

Cuando el núcleo está en el centro, el flujo magnético igual enlaza ambos secundarios. Como los secundarios están bobinados opuestamente, sus voltajes inducidos se cancelan, produciendo voltaje de salida cero (V_out = 0). Esto se muestra en la Figura 2.

Figura 2. LVDT con núcleo perfectamente centrado

Desplazar el núcleo hacia arriba fortalece el acoplamiento al primer secundario, creando un voltaje mayor allí que en el segundo (|V_s1| > |V_s2|). La salida resultante es no nula y en fase con la excitación, como se ilustra en la Figura 3.

Figura 3. LVDT con el núcleo movido hacia arriba

Por el contrario, un desplazamiento hacia abajo del núcleo favorece al segundo secundario, produciendo una salida negativa que idealmente está 180° fuera de fase con la excitación. Las formas de onda para este escenario se muestran en la Figura 4.

Figura 4. LVDT con el núcleo movido hacia abajo

Función de transferencia

La relación entre desplazamiento del núcleo y voltaje de salida se captura en la Figura 5. La curva de transferencia es lineal alrededor del punto nulo, pero solo dentro de un rango de desplazamiento limitado.

Figura 5. Imagen cortesía de Ramón Pallàs‑Areny y John G. Webster, Sensors and Signal Conditioning

Medir solo la amplitud no puede indicar la dirección del desplazamiento; la información de fase es esencial para resolver movimiento hacia izquierda versus derecha.

Rango lineal

Más allá de la región lineal, el acoplamiento magnético se satura y la salida se desvía de la tendencia en línea recta. El desplazamiento máximo sobre el cual la salida permanece lineal se define como rango a plena escala. Los LVDT están disponibles desde ±100 µm hasta ±25 cm, adecuados para uso en laboratorio, industrial y sumergible.

Error de linealidad

Incluso dentro del rango lineal nominal, la curva de salida no es perfectamente recta. La mayor desviación de la línea de mejor ajuste se denomina error de linealidad, típicamente expresado como porcentaje de la salida a plena escala. Por ejemplo, el LVDT Measurement Specialties E‑100 lista un error de linealidad de ±0,5 %.

La saturación magnética puede introducir un componente de tercer armónico incluso en nulo; esto puede mitigarse con un filtro pasa‑bajos en la salida.

Sensibilidad

La sensibilidad —o ratio de transferencia— relaciona el voltaje de salida con el desplazamiento del núcleo. Con el primario energizado a su nivel recomendado (3 V_RMS para el E‑100), el núcleo se mueve por el desplazamiento a plena escala. El voltaje de salida resultante produce la sensibilidad mediante:

\[\text{Sensibilidad} = \frac{V_{out}}{V_{Primario}\times\text{Desplazamiento Núcleo}}\]

Unidades típicas son milivoltios de salida por voltio de excitación por milésima de pulgada de desplazamiento del núcleo (mV/V/mil). El E‑100 ofrece 2,4 mV/V/mil, permitiendo a los diseñadores dimensionar el amplificador de acondicionamiento con precisión.

En resumen, los LVDT combinan alta resolución, excelente linealidad y cero fricción mecánica, convirtiéndolos en transductores fundamentales para medición precisa de desplazamiento en una amplia gama de aplicaciones.