通過(guò)調(diào)整線圈部分的結(jié)構(gòu)尺寸、主級(jí)線圈激勵(lì)電壓的幅值和頻率，主次級(jí)線圈的匝數(shù)比等工作參數(shù)，可以改變測(cè)量行程和靈敏度，其在工業(yè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件位移測(cè)量、微動(dòng)機(jī)構(gòu)位移測(cè)量和振動(dòng)檢測(cè)等方面都有應(yīng)用。
昌暉儀表在本文簡(jiǎn)要介紹LVDT位移傳感器的基本構(gòu)成，工作原理，以及輸入輸出特點(diǎn)，并試制原型樣機(jī)對(duì)工作原理進(jìn)行驗(yàn)證。
1、線性可變差動(dòng)變壓器基本構(gòu)成
LVDT的基本結(jié)構(gòu)如圖1中所示，由一組主級(jí)線圈、二組次級(jí)線圈(圖1中標(biāo)注的次級(jí)線圈1、次級(jí)線圈2)、鐵芯，線圈骨架等組件構(gòu)成，其中主級(jí)線圈和次級(jí)線圈都被繞制在線圈骨架的繞組槽內(nèi)，僅鐵芯可以移動(dòng)。
圖1 LVDT基本構(gòu)成-截面展示
鐵芯可以固結(jié)在測(cè)量桿的尾端或直接由長(zhǎng)桿鐵芯充當(dāng)測(cè)量桿，通過(guò)彈簧預(yù)壓縮產(chǎn)生的彈力來(lái)維持測(cè)量桿與被測(cè)對(duì)象的緊密接觸，鐵芯在線圈骨架內(nèi)部則盡可能以低摩擦狀態(tài)移動(dòng)。鐵芯一般用高磁導(dǎo)率但不殘留剩磁的軟磁材料制成。
2、線性可變差動(dòng)變壓器工作原理
對(duì)主級(jí)線圈施加時(shí)變激勵(lì)電壓(以下假設(shè)激勵(lì)電壓波形為正弦波)，經(jīng)過(guò)鐵芯的耦合，主級(jí)線圈內(nèi)時(shí)變激勵(lì)電壓所產(chǎn)生的時(shí)變電磁波將傳遞至兩組次級(jí)線圈處，分別在兩組次級(jí)線圈內(nèi)感應(yīng)出耦合了鐵芯位置信息的感應(yīng)電壓波形。鐵芯位置將影響耦合程度，并體現(xiàn)在感應(yīng)電壓波形的幅值上，即兩組次級(jí)線圈電壓波形的幅值蘊(yùn)含有鐵芯的位置信息。具體可以借助如下描述來(lái)理解：
假設(shè)兩組次級(jí)線圈的匝數(shù)相等，當(dāng)鐵芯位于中位時(shí)，主級(jí)線圈與兩組次級(jí)線圈之間的電磁耦合程度相等，則兩組次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓波形的幅值將相等；而當(dāng)鐵芯位于最左位或最右位時(shí)，相應(yīng)位置處的次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓波形將明顯大于另一者。如圖2中所示。
圖2 鐵芯在不同位置處的次級(jí)線圈感應(yīng)電壓
如此，由兩組次級(jí)線圈內(nèi)感應(yīng)電壓波形的幅值大小關(guān)系就能表征鐵芯位置，以實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。
3、關(guān)于兩組次級(jí)線圈繞制方向的一些思考
此處兩組次級(jí)線圈的繞制方向相反，導(dǎo)致主級(jí)線圈在兩組次級(jí)線圈內(nèi)感應(yīng)出的感應(yīng)電壓波形呈反相狀態(tài)：次級(jí)線圈1與主級(jí)線圈的繞制方向相同，其感應(yīng)電壓波形與主級(jí)線圈激勵(lì)電壓波形同相；而次級(jí)線圈2與主級(jí)線圈的繞制方向相反，其感應(yīng)電壓波形與主級(jí)線圈激勵(lì)電壓波形反相。
由于鐵芯位置信息只體現(xiàn)的感應(yīng)電壓波形的幅值上，兩種繞制方式對(duì)于感應(yīng)電壓波形的幅值并無(wú)直接影響。但是反向繞制的兩組次級(jí)線圈在接入后續(xù)信號(hào)處理電路前，一般會(huì)進(jìn)行串聯(lián)。對(duì)于串聯(lián)的兩組次級(jí)線圈，在受到外部干擾時(shí)，反向繞制的兩組次級(jí)線圈由于感應(yīng)電壓呈反相，即在串聯(lián)時(shí)可直接將各自受到的干擾進(jìn)行抵消；而對(duì)于同向繞制的兩組次級(jí)線圈由于感應(yīng)電壓呈同相，在串聯(lián)時(shí)干擾不能相抵消，反而會(huì)讓干擾疊加。
所以，對(duì)于繞制方向的選擇，推薦采用反向繞制，具有抑制干擾的效果，并且這是在感應(yīng)電壓輸入到后續(xù)信號(hào)處理電路前就具有一定干擾抑制效果，意味著能降低后續(xù)信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試的工作量。
圖3 兩組次級(jí)線圈按反向繞制并串聯(lián)
4、LVDT樣機(jī)試制及感應(yīng)電壓測(cè)試
圖4 LVDT樣機(jī)-線圈部分
主級(jí)線圈、次級(jí)線圈1、次級(jí)線圈2，這三組線圈匝數(shù)都約為90匝，由于是手工繞制的，會(huì)存在偏差。
使用信號(hào)發(fā)生器輸出10kHz-200mVpp的正弦電壓波形作為激勵(lì)電壓輸入到主級(jí)線圈，同時(shí)輸入至示波器的通道1(黃色波形)，并將次級(jí)線圈1的感應(yīng)電壓輸入至示波器的通道2(淡藍(lán)色波形)，次級(jí)線圈2的感應(yīng)電壓輸入至示波器的通道3(紫色波形)。
借助測(cè)試平臺(tái)，我們可以觀察到如下現(xiàn)象：
①次級(jí)線圈1和次級(jí)線圈2的感應(yīng)電壓波形都與輸入至主級(jí)線圈的激勵(lì)電壓波形相同，也是正弦波形；
②次級(jí)線圈1的感應(yīng)電壓波形與輸入至主級(jí)線圈的激勵(lì)電壓波形呈同相，次級(jí)線圈2的感應(yīng)電壓波形與輸入至主級(jí)線圈的激勵(lì)電壓波形呈反相。這與前文所描述的線圈繞制方向與波形相位關(guān)系相符合；
③推動(dòng)鐵芯，可在視頻中觀察到次級(jí)線圈1(淡藍(lán)色波形)和次級(jí)線圈2(紫色波形)的感應(yīng)電壓波形的幅值發(fā)生變化，并且一者幅值增大同時(shí)另一者幅值減小。初步驗(yàn)證了前文所描述的，可由兩組次級(jí)線圈感應(yīng)電壓波形的幅值大小關(guān)系來(lái)表征鐵芯位移，此即為線性可變差動(dòng)變壓器的位移測(cè)量基本工作原理。
