변위 측정 자기 센서 LVDT 의 국산화 개발
지은이 : 조 주 현 (Sensor division) Web site : www.randb.co.kr
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1. 서 론
자기적 원리를 이용한 magnetic sensor는 자기를 전기로 변환하는 소자(element)로서
간단한 search coil부터 초전도 현상을 이용한 SQID (Super conducting Quantum Inter-
ference Device)까지 다종 다양하다.
자기 센서에는 다음과 같은 일반적인 장점이 있다.
1) 비접촉 검지가 가능하다.
2) 긴 수명, 높은 신뢰성.
3) 에너지 보존이 가능하다.(영구 마그네트의 이용)
4) 습도 등의 영향을 받기 어렵다.
5) 비교적 값이 싸다.
Magnetic sensor는 이러한 장점들을 기반으로 변위, 압력, 액위, 하중, 진동 측정
등에 실용화 되고 있다. 이 중 자기적 소자( Magnetic element) 변환 방식을 사용하는
변위 측정 센서는 적용되는 대상, 피 측정체의 형태 등에 따라 구조 및 설계 방법이 달라
지는데, 기계적 변위가 1차측 코일과 2차측 코일 사이에서 발생하는 자속의 변화, 즉,
상호 인덕턴스를 변화시키는 transducer로서 이러한 형태에 속하는 transducer를 LVDT
(Linear Variable Differential Transformer)라고 부른다.
LVDT는 전자기 차폐와 계측 대상의 구조적 형태에 적절히 적용함에 따라 환경 변화
에 대한 영향을 적게 받으면서 특성이 우수한 transducer로 사용이 가능하고, 이러한
형태의 transducer는 변위 측정을 기본으로 하고 있어 산업분야, 대학 및 연구실 등에서
대단히 폭 넓게 사용되고 있다.
LVDT는 1930년대 이후부터 일반 산업에 부분적으로 활용되기 시작하였으나 기본 설계에
대한 기술이 부족하였다. 이 후 Atkinson과 Hynes는 1차 코일에 의해 발생하는 누설자속
분포를 이용해 LVDT 설계를 현대적인 모델의 형태로 발전시켰다. LVDT 의 개선 노력이
계속되어 제작의 정확도를 높이기 위해 LVDT 내부에 발생되는 자속 분포를 여러 경계영역
으로 세분하고 수학적 해석을 통하여 모델화한 방법을 적용하기도 하였다. 거듭된 개선
으로 설계 제작된 LVDT를 현장에 직접 사용하기에는 어려움이 있다. Excitation current
(여기 전류), excitation frequency(여기 주파수), 코어의 투자율 등의 변화에 의해 LVDT
출력에 왜곡현상이 나타나거나 부하현상을 일으키며, LVDT 의 중요한 특성 중 하나인
잔류전압이 있기 때문이다. 이 잔류 전압은 코어가 중심위치에 있어도 자기적 또는 전기
적인 불균형에 의해 출력전압이 제로가 되지 않고 최대 변위 출력전압의 1 % 이하의 전압
이생긴다. 이 때문에 최소 측정 범위가 제한된다. 따라서 양호한 출력신호를 감지하기 위해
서는 신호변환장치 Conditioner의 성능이 뒷받침되어야 한다.
2. LVDT의 기초 이론
기계적 변위를 전기적인 신호로 바꿔주는 LVDT는 코어(core or armature)의 이동으로 1차
코일에서 2차코일에 유도되는 자속의 변화, 즉 상호 인덕턴스를 변화시키는 transducer로서
기계적, 전기적으로 분리되어 움직일 수 있는 코어의 변위에 비례하여 전기적 출력이 발생
된다. LVDT의 구성은 코일이 감기는 포머(former), 코어(core), 코어를 지지해 주는 지지봉
그리고 케이스(case)로 구성되어 있다. 그림 1. 는 일반적인 LVDT의 형상이다.
Fig.1 일반적인 LVDT 형상
전기적 절연이 우수한 원통형의 포머에는 신호 발생전원을 공급하는 1차 코일을 감고 1차
코일의 중심으로부터 대칭적으로 동일한 모양을 가진 2차 코일을 감아서 외부적으로 반대
방향으로 직렬 연결한다. 자성체 코어의 움직임은 각각의 2차 코일에서 발생되는 유기전압
(Induced voltage)을 일으키게 하는 1차와 2차 코일의 상호 인덕턴스를 변하게 하여 기계적
변위를 감지한다. 코어가 2차 코일 중간에 위치하면 각각의 2차 코일에 유도되는 기전력은
동일하고 180°의 위상차를 가지기 때문에 출력은 0이 되나, 코어가 움직여 중간을 벗어나게
되면 2차와 1차 코일 사이의 상호 인덕턴스가 다른 한 쪽보다 크게 되어 서로 직렬로 연결
되어 있는 2차측 출력에서는 차동전압(differential voltage)이 발생된다. 그림. 2는 LVDT 의
회로연결을 나타낸다. 2차 코일에 유도되는 기전력은 Faraday's Law에 의해 아래의 (1)식
으로 나타내어지고, LVDT의 출력전압은 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.
e=-N(dF/dt)=-Na(dB/dt) (1)
e=e1-e2 (2)
e : 유도 기전력
N : 코일 권선수
Φ : 자속
a : 자속이 지나가는 단면적
B : 자기장
외부적으로 반대로 연결되어져 있는 2차 측의 양 코일에서 출력되어지는 식 (2)의 차등
전압을 다시 표현하면 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.
e=K1x(1-(x2/K2 )) (3)
여기에서 x는 코어의 변위를 나타내며 (x1-x2)/2로 주어진다. 또 K1은 LVDT의 Sensitivity가
되며 K2는 Linearity의 factor가 된다.
Fig.2 LVDT의 차등 출력 전압 측정을 위한 회선
LVDT는 구조상 코어와 코일 사이에 실질적인 접촉이 없기 때문에 LVDT의 기계적인 마모
가 생기지 않는다. 따라서 출력에 영향을 주는 마찰이 적기 때문에 응답특성을 높일 수 있
고 과부하에 의한 영향이 없다. 고온과 저온의 상태, 염기를 포함하고 있는 환경 등에서 LVDT
의 수명은 짧아지고 정상적인 동작 을 기대하기는 어렵다. 이러한 사항들을 고려하여 포머의
재질로 강도, 내부식성, 습도 등에 강하고 직진도, 평행도 등이 우수한 세라믹이 있으나,
이는 가공이 어려우며 가공 과정에서 발생한 치수 오차를 재조정하기 어렵고 세라믹 포머와
코어 사이의 마찰은 타 재질에 비해 더 크기 때문에 마모가 쉽게 일어난다. 합성수지 계통의
재질은 포머의 직진도 및 휨이 세라믹보다 못하지만 내충격, 내열, 내한성이 높고 포머와 코어
사이의 마찰은 출력에 영향을 미칠 만큼 나쁘지 않기 때문에 LVDT의 포머로 사용한다.
코어로 사용되는 재료는 환경변화에 대한 영향을 적게 받으며 투자율이 높은 자성체를 선택
하여야 하고, 1차와 2차 코일 사이에서 발생되는 와전류 현상을 줄이고, 외부로부터 야기되는
자속이 LVDT에 끼치는 영향을 줄이기 위한 차폐케이스를 사용하여야 한다.
Fig.3 코어의 위치에 따른 출력 전압
코어와 코일 사이에는 실질적인 마찰이 없으며, 코어와 포머 사이의 마찰에 의한 미소한
마모는 출력에 영향을 주지 않는다. 또 코어의 크기가 작고 마찰이 적으므로 동적측정
(dynamic measurement)에 대하여 응답특성을 높일 수 있고 기계적 과부하에 의한 영향이
없다. 그러나 이러한 LVDT는 코어가 양쪽 끝으로 이동할수록 선형도가 나빠진다. 이것은
LVDT 양단에서 발생되는 누설자속(leakage flux)과 코어의 자화가 균일하지 못하고 자속
밀도가 감소되므로 발생하는 일반적인 현상이다. 이러한 영향을 줄이기 위해 측정범위에
비해 LVDT 자체를 길게 설계하여야 하며 동시에 코어의 크기도 길어지게 된다. 이러한
문제점을 개선하기 위한 방법으로 여러 가지 코일 권선법을 사용한다. 그림. 4 는 LVDT
의 선형도를 향상시키기 위한 여러 가지 코일 권선법을 보여준다.
Fig. 4 선형도 향상을 위한 여러 가지 코일 권선법
LVDT의 사용 대상이 일반적으로 미소한 변위 측정에 이용되고 LVDT 의 외형치수도 작은
것이 요구되므로 전체적으로 치수를 줄여야 한다. 그러나 LVDT가 정상적으로 동작되는
범위에서 이를 소형화 하기 위해서는 LVDT 1차측에 공급되는 전류가 충분히 공급되면서
용량이 적은 source를 사용해야 한다. 이렇게 하기 위해서는 1차측에 권선할 수 있는 권선
수가 어느 정도 정해져 있기 때문에 임피던스를 높이기 위해서는 source의 주파수를 증가
시키는 방법 밖에 없다. 그러나 주파수를 증가시키면 2차측에 분포되어 있는 전기용량의
불균형에 의한 영전압이 증가되어 선형성을 악화시키게 되어 일반적으로 400 Hz에서
20 kHz의 주파수에서 LVDT를 동작시킨다.
LVDT 의 신호 변환을 위한 신호변환기는 크게 다음과 같은 두 가지 원리에 의해 이루어
진다. Synchronous demodulator system나 Passive demodulator/DC amplifier system
이다. LVDT는 generator에 의해 발생되는 교류전압에 의해 구동 되고, 이 generator는
일반적으로 발진기(oscillator), 신호 증폭기(signal amplifier), 자동 제로 조절 회로로 구성
되어 있다. 발진기(oscillator)는 작은 왜곡을 가진 사인파를 발생시킨다. 사각파형을 이용
하기도 하나 코어가 영(0)의 위치에 있을 때 0전압을 나타내어야 하나 사각파형을 사용하면
영(0) 전압이 되지 않아 LVDT 의 선형도를 악화 시키는 결과를 초래하게 된다.
여기 주파수(excitation frequency)는 보통 400 Hz에서 5 kHz 사이의 주파수에서 LVDT를
동작시키는데 주파수를 증가시키면 2차측에 분포되어 있는 전기용량의 불균형에 의한 영
전압이 증가되어 선형성을 악화 시키기 때문에 사용 목적에 맞는 적절한 주파수를 선택하여
회로설계를 하여야 한다.
LVDT의 공급 전압은 일반적으로 1-10 V (rms)전원을 사용하고 있으며 LVDT 의 측정 범위
에 따른 크기와 내부 임피던스가 고려되어야 한다. LVDT의 2차측은 synchronous demodu-
lator system을 사용하여 2차측의 출력신호로부터 순수한 위치에 대한 정보를 얻어낼 수 있다.
즉, 이것은 LVDT 의 코어가 영(0) 위치로 지나갈 때 갑자기 위상이 180 ° 변화가 일어나는 것
을 의미한다. Synchronous demodulator system에 의해 전파정류가 이루어지고 이것은 다시
필터를 거쳐 증폭되어 진다. 그림. 5는 synchronous demodulator system의 block diagram
을 나타낸 것이다.
Fig.5 Block diagram of a synchronous demodulator system
LVDT 2차측에 출력되어진 신호는 다시 증폭기에 연결되어 발진기 신호원 위상과 동일한 신호
와, 동기 복조기에서 전파 정류된다. 즉, 잡음이 제거된 DC 출력을 얻을 수 있다. 이론적으로 LVDT
코어가 영(0)의 위치에 있을 때 신호변환 회로의 출력은 항상 0이어야 하나 반대로 연결된 2차측
권선의 위상과 전압의 불균형, 출력전압의 왜곡 및 누설 저항 등에 의해 항상 0 이 되지 않는다.
이것은 LVDT의 선형성을 악화시키기 때문에 제로 조절 장치를 연결하여야 한다.
3. LVDT 개발 추진 현황
변위 측정용 자기 센서인 LVDT는 산업분야, 대학 및 연구소 등에서 대단히 폭 넓게 사용
되고 있으나 아직 국내에서 체계적으로 양산 되고 있지 않은 상태이고 LVDT 제작 기술
수준 역시 선진국 제작 회사에 비해 저조하다. 따라서 소요되고 있는 대부분을 수입에
의존하고 있는 실정이다. 이에 LVDT를 국산화 하여 국내 산업체의 측정 분야에 기여하고
막대한 수입 물량도 줄여야 할 것이다. 이에 본 업체에서는 LVDT의 선형도를 개선하기
위하여 구조적으로 그림.5 와 같은 형태로 코일을 권선하여 LVDT를 개발 중에 있다. LVDT
의 1차 코일은 LVDT의 포머에 전체적으로 균일하게 감고 2차 코일은 포머의 중심에서부터
바깥쪽으로 갈수록 층을 증가시키고 양쪽이 대칭되도록 하였다. 이러한 코일의 권선은 코어
가 포머 바깥쪽으로 이동함에 따라 악화되는 선형도를 보상시킬 수 있어 포머의 바깥 부분
까지 최대한으로 사용할 수 있기 때문에 LVDT의 길이도 줄일 수 있게 된다.
Fig.5 개발 진행중인 LVDT 코일 권선 방법
현재 본 사에서는 산업체에서 많이 사용되고 있는 측정범위 +/- 2 mm, +/- 5 mm. +/- 10 mm,
+/- 25 mm, +/- 50 mm인 LVDT 의 개발을 완료한 상태이고 실험실 조건에서의 선형도를 측정
한 결과 0.25 % 의 우수한 선형도를 나타내었다. 표.1은 본 사에서 개발 제작된 LVDT 와 기존
상품 화 되어 있는 Sensotec 회사의 LVDT를 비교한 것이다.
| | Strocke range | Linearity | Sensitivity |
| Sensotec LVDT | +/- 2.54 mm +/- 5.08 mm +/- 10.16 mm +/- 25.4 mm +/- 50.8 mm | +/- 0.25 % of full scale | 1.8880 mV/V/MIL 1.9150 mV/V/MIL 1.4590 mV/V/MIL 2.5476 Vrms/Inch 2.1144 Vrms/Inch |
| | Excitation | Operating Temperature | |
| 3 Vac@5 kHz | -20 °C ~ 60 °C | ||
| R&B LVDT | +/- 2.54 mm +/- 2.54 mm +/- 2.54 mm +/- 2.54 mm +/- 2.54 mm | +/- 0.25 % of full scale | 12.824 mV/V/mm 9.734 mV/V/mm 7.822 mV/V/mm 10.442 mV/V/mm 7.325 mV/V/mm |
| | Excitation | Operating Temperature | |
| 3 Vac@5 kHz | -20 °C ~ 65 °C |
표.1 R&B LVDT 와 Sensotec LVDT의 특성 비교
LVDT의 개발과 더불어 LVDT의 출력신호를 감지하기 위한 signal conditioner의 개발도
완료한 상태이고, 개발된 signal conditioner의 기본 특징은 다음과 같다.
- Easy,menu-driven setting of all parameters via front panel
- Scalable analogue output
- Min/Max two peak value stores
- RS 232 interface for setting all parameters and output of measurement
- 5 digit display
-16 bit resolution
표.2는 본 사에서 개발 제작된 signal conditioner의 technical data이다.
| Type | Spec. | |
| General | Main connection/Supply voltage Channels | 220 Vac 1 |
| Amplifier | Transducer Excitation Voltage Type of Input Accepted Input Range Accuracy Board Rate Drift | 3 Vrms@5kHz LVDT 20 mV ~ 1.2 V(parameter setting) < +/- 0.1 % 1200~38400(parameter setting) 3mV/24hour |
| Display | Scaling Resolution Type | 5 digit 16 bit FND |
| Environmental | Temperature, Operating | 0 °C ~ 60 °C |
표.2 R&B signal conditioner의 technical data.
LVDT 및 signal conditioner의 개발 결과 현재 상품화 되어 사용되고 있는 LVDT와 비교해
볼 때 표.1 표.2 와 같은 우수한 특성을 얻었으며, 개발된 LVDT 및 signal conditioner의 상품
화를 위해서는 여러 환경 조건에서의 장기 안정도 문제가 좀더 세밀히 검토되어야 할 것이다.
본 사에서는 올 하반기 센서 시장에 개발된 LVDT 및 signal conditioner를 선보일 예정이며,
LVDT의 국산화에 큰 영향을 미칠 것으로 전망된다.
전화 : 042-634-6037 Fax : 042-634-6039, 주소 : 306-020 대전광역시 대덕구 대화동 63-20
자기센서로..
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