変位/位置センサ
内容
さまざまな変位/位置センサ
位置計測に一般に使用されるセンサには、近接プローブ、線形可変差動変圧器 (LVDT)、回転式可変差動変圧器 (RVDT) などがあります。この他にも、エンコーダやストリング式ポテンショメータなど、多くの種類の位置計測用センサがあります。
図1. 渦電流近接プローブは、相対近接度を計測するセンサです。
渦電流近接プローブは、相対近接度を計測するセンサです。これらのセンサは、回転または往復するシャフト表面の電圧の変化を利用します。近接プローブは非接触トランスデューサであるため、ベアリングハウジングなど、適度に固定された状態の機械構造上に取り付けます。取り付け場所から、検出物体の変位を静的または動的に計測します。近接プローブ計測は、移動する検出物体の空隙など、動的な位置を計測する場合に使用します。
図2. LVDTは固定されたコイル装置と可動コアで構成されており、変圧器の原理によって動作します。
LVDTは固定されたコイル装置と可動コアで構成されており、変圧器の原理によって動作します。LVDTは、特定の信号値をコアの指定位置に関連付けることで、変異を計測します。LVDT信号の調整器は、1次出力信号の正弦波を生成し、2次出力信号を同期を取って復調します。復調された出力は、ローパスフィルタを経由して高周波リプルを除去します。その結果生成される出力は、コアの変位に比例したDC電圧です。DC電圧の符号は、その変位が左右どちら側かを示しています。LVDTトランスデューサを他の変位トランスデューサと比較した場合の主なメリットは、その高出力性です。
RVDTはLVDTを回転式にしたもので、一般に±30～70ﾟの角度範囲で動作します。
変位/位置センサに適した計測システムを設計
励起
LVDTでは、一次コイルに通常50 Hz～25 kHzのAC励起ソースが必要です。信号の周波数は、コア動作の最大予測周波数より少なくとも10倍高くなります。
近接プローブには励起が必要ですが、センサにソースが付属されていて、信号調節ハードウェア側では必要ありません。
ダイナミックレンジ
ダイナミックレンジとは、デバイスが計測可能な最大入力信号に対して、どれほど小さな信号を計測できるかの基準です。デシベルで表すと、ダイナミックレンジは20 log (Vmax/Vmin) となります。たとえば、±10 Vの入力範囲と110 dBを超えるダイナミックレンジを備えたデバイスは、電圧比が106になることもあります。最大信号は10 Vで、計測可能な最小信号は10 μVとなります。したがって、必要なダイナミックレンジは、システム用のハードウェアを選択する上で重要です。
電圧レンジ
近接プローブは15～30 Vの電圧レベルを出力します。これは多くの一般的なセンサよりはるかに高い電圧です。センサの電圧出力レンジに適した収集ハードウェアを選ぶことが重要です。
フィルタ処理
確実に正しい周波数範囲をサンプリングするため、サンプラとADCの前にローパスフィルタを追加します。こうすることで、高周波ノイズが減衰され、サンプリングレートより高いエイリアス成分により計測に歪みが生じることがなくなります。
変位/位置センサ向けのNI計測システム
NIでは、センサのタイプや励起、電圧レンジ、その他アプリケーションのあらゆるニーズに対応するため、さまざまな信号調節プラットフォームを提供しています。
PXI
図3. 高性能なPXIプラットフォームは、渦電流プローブで近接性を計測するのに適しています。
高性能なPXIプラットフォームは、渦電流プローブで近接性を計測するのに適しています。近接センサ用のPXIモジュールは、入力電圧が最大±42 V、同時サンプリング入力が最大204.8 kS/sです。モジュールには高精度計測を行うのに必要なソフトウェアとハードウェアが付属しています。トランスデューサは、音響や振動、近接センサなど非常に大きなダイナミックレンジを備えています。
NI CompactDAQ
図4. NI CompactDAQは、低コストのポータブル近接性計測に最適なソリューションです。
NI CompactDAQは、低コストのポータブル近接性計測に最適なソリューションです。近接性計測用NI 9229モジュールは、±60 Vの入力レンジ、128 dBのダイナミックレンジ、アンチエイリアスフィルタ、チャンネル間絶縁、50 kS/s/chの同時サンプリングという仕様となっています。高速でありながら高確度で、汎用アナログモジュールとしても適した分解能やサンプリングレート、入力レンジを備えています。