Cómo construir un LVDT (DIY)

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 lineal “ideal” 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.

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.

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.

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.