LVDT

　　工作原理

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)是鐵芯可動(dòng)變壓器。它由一個(gè)初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈，鐵芯，線圈骨架，外殼等部件組成。初級(jí)線圈、次級(jí)線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿狀鐵芯。當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這樣輸出電壓為零；當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部移動(dòng)并偏離中心位置時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)線圈反串相接、兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓之差，這個(gè)輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關(guān)系。

　　初級(jí)線圈、次級(jí)線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿狀鐵芯。當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這樣輸出電壓為零；當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部移動(dòng)并偏離中心位置時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，有電壓輸出，其電壓

　　大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)線圈反串相接、兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓之差，這個(gè)輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關(guān)系。

　　LVDT的工作電路稱為調(diào)節(jié)電路或信號(hào)調(diào)節(jié)器。一個(gè)典型的調(diào)節(jié)電路應(yīng)包括穩(wěn)壓電路、正弦波發(fā)生器、解調(diào)器和一個(gè)放大器。

　　正弦波發(fā)生器應(yīng)具有恒定的幅度和頻率，且不受時(shí)間和溫度的影響。正弦可用文氏電橋產(chǎn)生，或用方波、階梯波經(jīng)濾波產(chǎn)生，或用其它合適的方法產(chǎn)生。

　　解調(diào)器可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管結(jié)構(gòu)，當(dāng)LVDT次級(jí)線圈的交流輸出大于1VF.S時(shí)，使用簡(jiǎn)單二極管解調(diào)器；如果信號(hào)幅度低于此值，由于兩個(gè)二極管正向電壓的差異，會(huì)存在溫度敏感問(wèn)題，但對(duì)較大的信號(hào)電壓，二極管誤差的影響并不明顯。也可以用同步解調(diào)器，在同步解調(diào)器中，兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管交替地開(kāi)關(guān)，其定時(shí)與為初級(jí)供電的正弦波同步。在初級(jí)與解調(diào)器開(kāi)關(guān)間所需相移量取決于LVDT指標(biāo)和LVDT與信號(hào)調(diào)節(jié)器間的導(dǎo)線長(zhǎng)度。

　　正弦波發(fā)生器、解調(diào)器和放大電路已組合成商品化IC，使用這些器件將極大地簡(jiǎn)化LVDT信號(hào)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。最常用的有Philips出品的NE5521和ADI公司的AD598/698。此外，細(xì)間距封裝的標(biāo)準(zhǔn)模擬和數(shù)字器件的出現(xiàn)，使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化，并可固定在LVDT外殼的內(nèi)部。

　　LVDT的作用

　　LVDT可以用來(lái)測(cè)量物體的伸長(zhǎng)度、震動(dòng)頻率、振幅、物體厚薄程度和膨脹度等精確數(shù)據(jù)。具體還可以用在機(jī)床工具和液壓缸的定位，以及輥縫和閥門(mén)的控制等。

　　LVDT的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

　　LVDT 具有眾多值得稱道的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛：

　　（1）無(wú)摩擦測(cè)量

　　LVDT 的可動(dòng)鐵芯和線圈之間通常沒(méi)有實(shí)體接觸，也就是說(shuō)LVDT是沒(méi)有摩擦的部件。它被用于可以承受輕質(zhì)鐵芯負(fù)荷，但無(wú)法承受摩擦負(fù)荷的重要測(cè)量。兩個(gè)例子，精密材料的沖擊撓度或振動(dòng)測(cè)試，或纖維或其它高彈材料的拉伸或蠕變測(cè)試。

　?。?）無(wú)限的機(jī)械壽命

　　由于LVDT的線圈及其鐵芯之間沒(méi)有摩擦和接觸，因此不會(huì)產(chǎn)生任何磨損。這樣，LVDT的機(jī)械壽命，理論上是無(wú)限長(zhǎng)的。在對(duì)材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞測(cè)試等應(yīng)用中，這是極為重要的技術(shù)要求。此外，無(wú)限的機(jī)械壽命對(duì)于飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船以及重要工業(yè)設(shè)備中的高可靠性機(jī)械裝置也同樣重要的。因此LVDT在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，廣泛用于對(duì)油門(mén)桿位置、油針位置、導(dǎo)葉位置、噴口位置等位移進(jìn)行精確測(cè)量與控制。

　　（3）無(wú)限的分辨率

　　LVDT的無(wú)摩擦運(yùn)作及其感應(yīng)原理使它具備兩個(gè)顯著的特性。第一個(gè)特性是具有真正的無(wú)限分辨率。這意味著LVDT可以對(duì)鐵芯最微小的運(yùn)動(dòng)作出響應(yīng)并生成輸出。外部電子設(shè)備的可讀性是對(duì)分辨率的唯一限制。

　　（4）零位可重復(fù)性

　　LVDT構(gòu)造對(duì)稱，零位可回復(fù)。LVDT的電氣零位可重復(fù)性高，且極其穩(wěn)定。用在高損益閉環(huán)控制系統(tǒng)中，LVDT是非常出色的電氣零位指示器。它還用于復(fù)合輸出與零位的兩個(gè)自變量成比例的比率系統(tǒng)。

　?。?）軸向抑制

　　LVDT對(duì)于鐵芯的軸向運(yùn)動(dòng)非常敏感，徑向運(yùn)動(dòng)相對(duì)遲鈍。這樣，LVDT可以用于測(cè)量不是按照精準(zhǔn)直線運(yùn)動(dòng)的鐵芯，例如，可把LVDT耦合至波登管的末端測(cè)量壓力。

　?。?）堅(jiān)固耐用

　　制造LVDT所用的材料以及接合這些材料所用的工藝使它成為堅(jiān)固耐用的傳感器。即使受到工業(yè)環(huán)境中常有的強(qiáng)大沖擊、巨幅振動(dòng)，LVDT也能繼續(xù)發(fā)揮作用。鐵芯與線圈彼此分離，在鐵芯和線圈內(nèi)壁間插入非磁性隔離物，可以把加壓的、腐蝕性或堿性液體與線圈組隔離開(kāi)。這樣，線圈組實(shí)現(xiàn)氣密封，不再需要對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)密封。對(duì)于加壓系統(tǒng)內(nèi)的線圈組，只需使用靜態(tài)密封即可。

　?。?）環(huán)境適應(yīng)性

　　LVDT是少數(shù)幾個(gè)可以在多種惡劣環(huán)境中工作的傳感器之一。例如，密封型LVDT采用不銹鋼外殼，可以置于腐蝕性液體或氣體中。有時(shí)，LVDT被要求在極端惡劣的環(huán)境下工作。例如，在類(lèi)似液氮的低溫環(huán)境中。又如，在核反應(yīng)堆主安全殼內(nèi)工作的LVDT，工作溫度高至550℃，外加10Rads的輻射和/或3X10 NVT的中子通量。再如，在210bar承壓流體中工作的LVDT。LVDT設(shè)計(jì)巧妙，可以同時(shí)適應(yīng)多種惡劣環(huán)境。但是，需要特別注意的是，雖然在大多數(shù)情況下，LVDT具有無(wú)限的工作壽命（理論上），置于惡劣環(huán)境下的LVDT ，工作壽命卻因環(huán)境不同的各不相同。

　?。?）輸入/輸出隔離

　　LVDT被認(rèn)為是變壓器的一種，因?yàn)樗膭?lì)磁輸入（初級(jí)）和輸出（次級(jí)）是完全隔離的。LVDT無(wú)需緩沖放大器，可以認(rèn)為它是一種有效的模擬信號(hào)計(jì)算元件。在高效的測(cè)量和控制回路中，它的信號(hào)線與電源地線是分離開(kāi)的。

　　如上所述，LVDT具有諸多卓越的品質(zhì)。它的主要限制是，為得到線性性能，傳感器的外殼要比行程長(zhǎng)，還有輸出信號(hào)對(duì)輸入被測(cè)量存在一定的非線性。采用專門(mén)的調(diào)節(jié)技術(shù)，可以改進(jìn)行程對(duì)外殼的長(zhǎng)度比和非線性問(wèn)題，其中一個(gè)技術(shù)就是增加微控制器進(jìn)行校正。LVDT具有良好的重復(fù)性，這一技術(shù)是可行的。

　　雖然LVDT已問(wèn)世多年，但它仍不失為很多位置傳感問(wèn)題行之有效的解決方案。堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)提供高可靠性，而其性能十分適合行程小于±100mm的多數(shù)應(yīng)用。

　　LVDT也可制作成旋轉(zhuǎn)器件，工作方式與線性模型相似，只是加工后的鐵芯沿曲線路徑移動(dòng)，這就是接下來(lái)要介紹的RVDT。

　　RVDT（Rotary Variable Differential Transformer）是旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器縮寫(xiě)，屬于角位移傳感器。它采用與LVDT相同的差動(dòng)變壓器式原理，即把機(jī)械部件的的旋轉(zhuǎn)傳遞到角位移傳感器的軸上，帶動(dòng)與之相連的擾流片/鐵心，改變線圈中的感應(yīng)電壓/電感量，輸出與旋轉(zhuǎn)角度成比例的電壓/電流信號(hào)。

　　RVDT非接觸設(shè)計(jì)，具有無(wú)限分辨率、使用壽命長(zhǎng)，精度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量，廣泛應(yīng)用于球閥閥位、液壓泵、叉車(chē)、機(jī)器人、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的傳動(dòng)和反饋控制。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　應(yīng)用最普遍的2種原理LVDT以及應(yīng)用：

　　直流回彈式LVDT具有優(yōu)良的性能，采用方便的單電源9-28V DC供電，產(chǎn)品的測(cè)量接觸探頭采用耐磨鍍絡(luò)硬質(zhì)工具鋼，最大測(cè)量量程為50mm，最大彈力200克，電子電路密封在304不銹鋼金屬管內(nèi)，可以在潮濕和灰塵等惡劣環(huán)境中工作，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的可被計(jì)算機(jī)或PLC使用的0-5V或4-20mA輸出。

　　差動(dòng)變壓器式位移傳感器（LVDT）可廣泛應(yīng)用于航天航空，機(jī)械，建筑，紡織，鐵路，煤炭，冶金，塑料，化工以及科研院校等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)，用來(lái)測(cè)量伸長(zhǎng)，振動(dòng)，物體厚度，膨脹等的高技術(shù)產(chǎn)品。

　　軸徑跳動(dòng)檢測(cè)
　　閥位檢測(cè)與控制
　　輥縫間隙控制
　　金屬加工檢測(cè)

　　直流拖動(dòng)式LVDT具有優(yōu)良的性能，采用方便的單電源9-28V DC供電，電子電路密封在304不銹鋼金屬管內(nèi)，可以在潮濕和灰塵等惡劣環(huán)境中工作，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的可被計(jì)算機(jī)或PLC使用的0-5V或4-20mA輸出。

　　機(jī)床及工具定位
　　液壓缸定位
　　輥縫間隙控制
　　閥門(mén)位置檢測(cè)與控制