LVDT位移傳感器工作原理

無錫市河埒傳感器有限公司

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動變壓器的縮寫。它是一種常見類型的機電傳感器，可將其以機械方式耦合的物體的直線運動轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電氣信號。

無錫市河埒傳感器有限公司成立于1985年，是一家專業(yè)生產(chǎn)LVDT位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器及其配套變送器的高新技術(shù)企業(yè)。生產(chǎn)的LVDT具有動態(tài)特性好、非線性度好、體積小、壽命高、可靠性高、重復(fù)精度高、可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點。

圖 1 顯示了典型 LVDT 的元件。該變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個初級繞組和一對以相同方式纏繞的次級繞組，兩個次級繞組對稱分布在初級繞組的兩側(cè)。

LVDT 的活動元件是導(dǎo)磁性材料的鐵芯，可在線圈的中空孔內(nèi)沿軸向自由移動，并通過機械方式耦合到需測量位置的物體上。該孔通常足夠大，能夠在鐵芯和孔之間提供很大的徑向間隙，使其與線圈之間不會產(chǎn)生物理接觸。運行時，由具有適當振幅和頻率的交流電對 LVDT 的初級繞組進行通電，這一過程稱為初級勵磁，LVDT 的電氣輸出信號是兩個次級繞組之間的差分交流電壓，隨鐵芯在 LVDT 線圈內(nèi)的軸向位置而異。通常情況下，該交流輸出電壓由適當?shù)碾娮与娐忿D(zhuǎn)換為更便于使用的高電平直流電壓或電流。

 圖 2 顯示當 LVDT 的鐵芯處于不同的軸向位置時會出現(xiàn)什么情況。 LVDT 的初級繞組 P 由恒定振幅交流電源進行通電。由此形成的磁通量由鐵芯耦合到相鄰的次級繞組 S1 和 S2。如果鐵芯位于 S1 和 S2 的中間，則會向每個次級繞組耦合相等的磁通量，因此繞組 S1 和 S2 中各自包含的 E1 和 E2 是相等的，在該參考中間鐵芯位置（稱為電氣零位），差分電壓輸出 (E1 - E2) 本質(zhì)上為零。如圖 2 中所示，如果移動鐵芯，使其與 S1 的距離小于與 S2 的距離，則耦合到 S1 中的磁通量會增加，而耦合到 S2 中的磁通量會減少，因此感生電壓 E1 增大，而 E2 減小，從而產(chǎn)生差分電壓 (E1 - E2)。相反，如果鐵芯移動得更加靠近 S2，則耦合到 S2 中的磁通量會增加，而耦合到 S1 中的磁通量會減少，因此 E2 增大，而 E1 減小，從而產(chǎn)生差分電壓 (E2 - E1)。

圖 3A 顯示差分輸出電壓 EOUT 的大小是如何隨著鐵芯位置變化的。 自電氣零位開始最大鐵芯位移的 EOUT 值取決于初級勵磁電壓的振幅和特定 LVDT 的敏感因子，但通常為幾個伏特 RMS。該交流輸出電壓 EOUT（以初級勵磁電壓作為參考）的相位角會保持不變，直到鐵芯的中心經(jīng)過零點，此時該相位角突然改變 180 度，如圖 3B 中所示?？梢酝ㄟ^相應(yīng)的電路，使用該 180 度相移來確定鐵芯離開零點的方向。圖 3C 中對其進行了顯示，其中輸出信號的極性表示鐵芯與零點的位置關(guān)系。   該圖還顯示 LVDT 的輸出在其指定的鐵芯移動范圍內(nèi)具有很好的線性，但可以在更大的范圍使用傳感器，此時輸出線性會有所降低。

為何使用 LVDT？

無摩擦操作

LVDT 最重要的特性之一是其無摩擦操作。在正常使用過程中，LVDT 的鐵芯和線圈配件之間沒有機械接觸，因此不存在蹭擦、拖曳或其他摩擦來源。該特性在材料測試、振動位移測量和高分辨率尺寸測量系統(tǒng)中尤其有用。

無限分辨率

由于 LVDT 在無摩擦結(jié)構(gòu)中根據(jù)電磁耦合原理工作，因此可以測量鐵芯位置極小的變化。該無限分辨率功能僅受 LVDT 信號調(diào)節(jié)器中的噪聲和輸出顯示器分辨率的限制，此外LVDT 具有出色的可重復(fù)性。

無限長的機械壽命

由于 LVDT 的鐵芯和線圈結(jié)構(gòu)通常之間沒有接觸，因此沒有部件會相互摩擦或磨損。這意味著 LVDT 具有無限長的機械壽命，此優(yōu)點在高可靠性應(yīng)用（如飛機、人造衛(wèi)星和宇宙飛船以及核設(shè)施）中尤其重要。

抗超程損壞

大多數(shù) LVDT 的內(nèi)部孔在兩端都是開口的。如果發(fā)生意外的超程，則鐵芯能夠完全通過傳感器線圈配件，而不會導(dǎo)致?lián)p壞。由于該不受位置輸入過載損壞的特性，LVDT 成為適用于連接到破壞性材料測試設(shè)備中抗拉測試樣品的延伸儀等應(yīng)用的傳感器。

單軸敏感度

LVDT 會響應(yīng)沿線圈軸向的鐵芯運動，但通常對鐵芯垂直軸向的運動或其徑向位置不敏感。

可分離線圈和鐵芯

由于 LVDT 的鐵芯和線圈之間的僅有相互作用時磁耦合，因此可以通過在鐵芯和孔之間插入一個非磁性管來隔離線圈配件。這樣，可以在管中包含加壓流體，鐵芯可以在其中自由移動，而線圈配件是非受壓的。通常在用于液壓比例和/或伺服閥中閥芯位置反饋的 LVDT 中利用該特性。

可適應(yīng)嚴苛的環(huán)境

LVDT 裝配中使用的材料和結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)加固耐用的傳感器，該傳感器在各種環(huán)境條件下都能夠可靠運行。連接繞組后使用環(huán)氧樹脂密封到外殼中，從而具有很強的防潮和防濕性，并且能夠承受強烈撞擊載荷和高強度振動。此外，內(nèi)部高磁導(dǎo)率屏蔽層可將外部交流電場的影響降至最低。外殼和鐵芯都由抗腐蝕材料制成，外殼還用作補充的磁屏蔽層。對于傳感器必須接觸易燃或腐蝕性蒸氣和液體或在加壓流體中運行的應(yīng)用，可以使用各種焊接工藝對外殼和線圈配件進行密封。普通 LVDT 可在很寬的溫度范圍內(nèi)運行，但是，如果需要，可以將其生產(chǎn)為可在低溫下運行，或者，通過使用特殊材料，在許多核反應(yīng)堆中存在的高溫和高輻射水平下運行。

零點可重復(fù)性

LVDT 的固有零點位置非常穩(wěn)定且可重復(fù)，即使超過其很寬的工作溫度范圍也是如此。這使得 LVDT 能夠作為閉環(huán)控制系統(tǒng)和高性能伺服平衡儀器中的零位傳感器很好地工作。

快速動態(tài)響應(yīng)

由于常規(guī)操作過程中不存在摩擦，因此 LVDT 可以很快地響應(yīng)鐵芯位置的變化。LVDT 傳感器本身的動態(tài)響應(yīng)僅受鐵芯輕微質(zhì)量慣性效應(yīng)的限制。LVDT 傳感系統(tǒng)的響應(yīng)由信號調(diào)節(jié)器的特性決定。

絕對輸出

與增量輸出器件相反，LVDT 是絕對輸出器件。如果發(fā)生斷電情況，在重新啟動測量系統(tǒng)后，LVDT 的輸出值將與斷電之前的值相同。