LVDT란? 변위를 전기신호로 측정하는 원리

LVDT란 코어의 직선 이동에 따라 1차·2차 코일의 유도전압이 변하는 원리를 이용해 변위를 전기신호로 측정하는 센서입니다. 구조와 차동출력, 영점 및 위치측정 원리를 알아봅니다.

LVDT란 무엇이며 무엇을 측정할까?

LVDT는 Linear Variable Differential Transformer의 약자로 물체의 직선 변위(Linear Displacement)를 전기적인 신호로 변환하는 위치센서입니다. 기본적으로 Transformer와 유사한 전자유도 원리를 이용하지만 전력을 변환하는 일반 변압기와 달리 내부의 이동 가능한 Ferromagnetic Core 위치를 측정하는 것이 목적입니다. 센서 내부에는 하나의 Primary Coil과 두 개의 Secondary Coil이 배치되고 중앙을 따라 Core가 직선으로 움직이는 구조가 일반적입니다. 측정대상이 이동하면 Core도 함께 움직이고 그 위치에 따라 Primary와 Secondary 사이의 Magnetic Coupling이 달라지면서 출력전압이 변합니다. 이 변화를 이용하면 기준위치에서 얼마나 이동했는지뿐 아니라 이동방향도 판단할 수 있습니다. LVDT는 접촉식 Probe 형태의 치수측정기, Hydraulic Cylinder의 Stroke 측정, Valve Position Feedback, Material Testing Machine, 정밀기계와 자동화설비의 위치측정 등에 활용됩니다. 높은 반복성과 연속적인 Analog Measurement가 가능하다는 점이 특징입니다.

1차·2차 코일은 어떻게 변위를 검출할까?

LVDT 내부의 Primary Coil에는 일정한 주파수의 AC Excitation Voltage를 공급합니다. 이 전류가 교류 Magnetic Flux를 형성하고 이동 가능한 Core를 통해 양쪽의 Secondary Coil S1과 S2에 전압이 유도됩니다. 두 Secondary Coil은 일반적으로 서로 반대 극성이 되도록 직렬로 연결되어 두 유도전압의 차이가 Differential Output으로 나타나도록 구성됩니다. Core가 센서 중앙의 Null Position에 있을 때는 이상적으로 두 Secondary Coil에 유도되는 전압의 크기가 거의 같아 차동출력이 매우 작아집니다. Core가 한쪽으로 이동하면 해당 방향 Secondary Coil과의 Magnetic Coupling이 증가하고 반대쪽은 상대적으로 감소하여 두 전압의 균형이 깨집니다. 따라서 출력신호의 크기는 일정한 선형범위 안에서 Core의 이동량과 관계를 갖습니다. 중요한 점은 LVDT가 단순히 출력전압의 크기만으로 방향을 판단하는 것이 아니라 Excitation Signal에 대한 Differential Output의 Phase 관계를 이용하여 Null Position의 어느 쪽으로 이동했는지를 구분한다는 것입니다.

Null Position과 출력신호는 어떤 관계가 있을까?

LVDT의 중심에는 기준이 되는 Null Position 또는 Electrical Zero가 존재합니다. Core가 이 위치에 있으면 S1과 S2의 유도전압이 서로 상쇄되어 이상적인 Differential Output은 0에 가까워집니다. 실제 센서에서는 제작공차와 배선, 전자회로 등의 영향으로 완전한 0V가 아닌 작은 Residual Voltage가 나타날 수 있습니다. Core가 Null에서 한쪽으로 이동하면 출력의 Amplitude가 증가하고 반대방향으로 이동하면 역시 크기는 증가하지만 기준신호에 대한 Phase가 반전됩니다. Signal Conditioner는 이러한 AC Differential Signal을 Demodulation하고 Filtering하여 위치에 대응하는 DC Voltage나 Current Signal로 변환할 수 있습니다. 예를 들어 산업용 LVDT Transmitter는 ±10V, 0-10V 또는 4-20mA 등의 출력으로 변환하여 PLC나 Data Acquisition System에서 쉽게 사용할 수 있도록 구성됩니다. 실제 측정범위에서는 Sensitivity와 Linearity가 중요하며 지정된 Linear Range를 벗어나면 변위와 출력 사이의 관계가 비선형적으로 변할 수 있습니다.

LVDT가 정밀 위치측정에 사용되는 이유는 무엇일까?

LVDT의 장점 중 하나는 Core와 Coil 사이에 원칙적으로 전기적인 접촉이 필요하지 않다는 것입니다. Core는 Coil 내부를 이동하지만 정상적인 구조에서는 측정원리 자체를 위해 전기접점을 미끄러뜨릴 필요가 없으므로 Potentiometer 방식에서 발생할 수 있는 저항트랙의 접촉마모가 없습니다. 이 때문에 반복적인 위치변화가 발생하는 설비에서 긴 수명과 높은 Repeatability를 확보하기 유리합니다. 또한 Differential 구조를 이용하기 때문에 작은 변위변화를 민감하게 검출할 수 있으며 적절한 Signal Conditioning을 적용하면 높은 Resolution의 위치측정이 가능합니다. 다만 실제 Probe Type LVDT에서는 측정대상과 Probe Tip이 기계적으로 접촉할 수 있으므로 센서 전체가 항상 완전한 비접촉식이라는 의미는 아닙니다. LVDT는 정적인 위치뿐 아니라 사용 가능한 Frequency Response 범위 안에서 움직이는 물체의 변위도 측정할 수 있어 Valve와 Actuator의 Feedback, 구조물 변위시험 및 정밀 치수검사 등에 폭넓게 활용됩니다.

LVDT를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

LVDT를 선정할 때는 Measurement Range, Sensitivity, Linearity, Repeatability, Frequency Response와 Operating Temperature 등을 확인해야 합니다. 특히 필요한 Stroke가 센서의 지정된 Linear Range 안에 들어오는지가 중요합니다. Core가 기계적으로 비뚤어진 상태로 이동하거나 센서축과 측정축의 Alignment가 맞지 않으면 마찰과 측정오차가 발생할 수 있으므로 설치구조도 중요합니다. AC Excitation이 필요한 LVDT Element를 사용할 경우 적절한 Excitation Frequency와 Voltage를 공급해야 하며 출력신호가 매우 작은 경우 전용 LVDT Signal Conditioner를 사용하는 것이 일반적입니다. 주변에 Motor, Transformer, Solenoid와 같은 강한 전자기장이 존재한다면 Cable Shielding과 Grounding, 배선경로를 검토하여 Noise 영향을 줄여야 합니다. 설치 후에는 기준위치를 이용한 Zero Calibration과 알려진 변위에 따른 Span Calibration을 수행할 수 있습니다. 결국 LVDT는 이동하는 Core와 차동코일 사이의 전자유도 변화를 이용하여 직선 변위의 크기와 방향을 정밀한 전기신호로 변환하는 대표적인 Linear Position Sensor입니다.