什么是LVDT？
LVDT是線性可變差分變壓器(Linear Variable Differential Transformer)的首字母縮寫(xiě)，這是一種常見(jiàn)的機(jī)電傳感器類型，能夠?qū)⑵錂C(jī)械耦合的物體的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。市面上常見(jiàn)的LVDT線性位置傳感器可以測(cè)量小至百萬(wàn)分之幾英寸的運(yùn)動(dòng)，也可測(cè)量高達(dá)±20英寸(±0.5米)的位置。



圖1顯示了典型LVDT的組件。變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)位于中心的主繞組(初級(jí)繞組)和一對(duì)對(duì)稱分布在主繞組兩側(cè)、繞制完全相同的次級(jí)繞組。線圈繞制在一個(gè)由熱穩(wěn)定玻璃增強(qiáng)聚合物制成的整體式空心骨架上，經(jīng)過(guò)防潮封裝，包裹在高磁導(dǎo)率磁屏蔽層中，然后固定在一個(gè)圓柱形不銹鋼外殼內(nèi)。這個(gè)線圈組件通常是位置傳感器的固定元件。圖1LVDT的運(yùn)動(dòng)元件是一個(gè)單獨(dú)的由磁導(dǎo)材料制成的管狀電樞，稱為鐵芯。鐵芯可以在線圈的空心內(nèi)孔中自由軸向移動(dòng)，并機(jī)械地連接到被測(cè)位置的物體上。該內(nèi)孔通常足夠大，以在鐵芯和內(nèi)孔之間提供顯著的徑向間隙，鐵芯和線圈之間沒(méi)有物理接觸

工作時(shí)，LVDT的主繞組由適當(dāng)幅度和頻率的交流電激勵(lì)，這稱為初級(jí)激勵(lì)。LVDT的電輸出信號(hào)是兩個(gè)次級(jí)繞組之間的差分交流電壓，該電壓隨鐵芯在LVDT線圈內(nèi)的軸向位置而變化。通常，該交流輸出電壓通過(guò)合適的電子電路轉(zhuǎn)換為更方便使用的高電平直流電壓或電流。

LVDT如何工作？



圖2說(shuō)明了當(dāng)LVDT的鐵芯處于不同軸向位置時(shí)會(huì)發(fā)生什么。LVDT的主繞組P由一個(gè)恒定幅度的交流電源激勵(lì)。由此產(chǎn)生的磁通通過(guò)鐵芯耦合到相鄰的次級(jí)繞組S1和S2。如果鐵芯位于S1和S2的中間，則耦合到每個(gè)次級(jí)的磁通相等，因此分別在繞組S1和S2中感應(yīng)的電壓E1和E2相等。在這個(gè)作為參考的鐵芯中間位置，稱為零點(diǎn)，差分電壓輸出(E1-E2)基本上為零。

查看如圖2所示，如果鐵芯向S1移動(dòng)得比向S2更近，則耦合到S1的磁通更多，耦合到S2的更少，因此感應(yīng)電壓E1增加而E2減小，導(dǎo)致差分電壓為(E1-E2)。相反，如果鐵芯向S2移動(dòng)得更近，則耦合到S2的磁通更多，耦合到S1的更少，因此E2增加而E1減小，導(dǎo)致差分電壓為(E2-E1)。圖2圖3A顯示了差分輸出電壓的大小EOUTEOUT如何隨鐵芯位置變化。鐵芯從零點(diǎn)產(chǎn)生最大位移時(shí)的EOUT值取決于初級(jí)激勵(lì)電壓的幅度和特定LVDT的靈敏度因子，但通常為幾伏RMS(有效值)。該交流輸出電壓EOUT的相位角(參考初級(jí)激勵(lì)電壓)保持恒定，直到鐵芯中心通過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)相位角突然變化180度，如圖3B所示。



通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐?，可以利用這180度的相移來(lái)確定鐵芯相對(duì)于零點(diǎn)的移動(dòng)方向。如圖3C所示，輸出信號(hào)的極性代表了鐵芯與零點(diǎn)的位置關(guān)系。該圖還顯示，LVDT的輸出在其指定的鐵芯運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)是非常線性的，但該傳感器也可以在擴(kuò)展范圍內(nèi)使用，不過(guò)輸出線性度會(huì)有所降低。

LVDT的輸出特性隨鐵芯的不同位置而變化。滿量程輸出是一個(gè)大信號(hào)，通常為一伏或更高，并且通常不需要放大。請(qǐng)注意，LVDT在超過(guò)滿量程的100%后仍能繼續(xù)工作，但線性度會(huì)下降。

LVDT支持電子設(shè)備
盡管LVDT是一個(gè)電力變壓器，但它需要與普通電源線截然不同的幅度和頻率的交流電源才能正常工作(通常為3Vrms，3kHz)。為L(zhǎng)VDT提供這種激勵(lì)電源是LVDT支持電子設(shè)備的若干功能之一，該設(shè)備有時(shí)也稱為L(zhǎng)VDT信號(hào)調(diào)理設(shè)備。

其他功能包括將LVDT的低電平交流電壓輸出轉(zhuǎn)換為更方便使用的高電平直流信號(hào)；當(dāng)LVDT的鐵芯移過(guò)零點(diǎn)時(shí)，從180度的輸出相移中解碼方向信息；以及提供電可調(diào)的輸出零位電平。

市面上有各種LVDT信號(hào)調(diào)理電子設(shè)備，包括用于OEM應(yīng)用的芯片級(jí)和板級(jí)產(chǎn)品，以及為用戶準(zhǔn)備的模塊和完整的實(shí)驗(yàn)室儀器。支持電子設(shè)備也可以是內(nèi)置式的，如圖4所示的DC-LVDT(直流線性位移傳感器)。這些易于使用的位置傳感器實(shí)際上提供了LVDT的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有直流輸入、直流輸出操作的簡(jiǎn)便性。當(dāng)然，帶有集成電子設(shè)備的LVDT可能不適用于某些應(yīng)用，或者其封裝形式可能不適合某些安裝環(huán)境。

為何使用LVDT？
LVDT具有某些顯著的特性和優(yōu)點(diǎn)，其中大部分源于其基本的物理工作原理或其所用的材料和技術(shù)。

1、無(wú)摩擦工作
LVDT最重要的特性之一是其無(wú)摩擦操作。在正常使用中，LVDT的鐵芯和線圈組件之間沒(méi)有機(jī)械接觸，因此不存在摩擦、拖拽或其他摩擦源。此特性在材料測(cè)試、振動(dòng)位移測(cè)量和高分辨率尺寸測(cè)量系統(tǒng)中特別有用。

2、無(wú)限分辨率
由于LVDT在無(wú)摩擦結(jié)構(gòu)中以電磁耦合原理工作，它可以測(cè)量鐵芯位置的無(wú)限小的變化。這種無(wú)限分辨率的能力僅受LVDT信號(hào)調(diào)理器中的噪聲和輸出顯示分辨率的限制。這些相同的因素也賦予了LVDT出色的重復(fù)性。

3、無(wú)限的機(jī)械壽命
因?yàn)長(zhǎng)VDT的鐵芯和線圈結(jié)構(gòu)之間通常沒(méi)有接觸，所以沒(méi)有部件會(huì)相互摩擦或磨損。這意味著LVDT具有無(wú)限的機(jī)械壽命。這一因素在飛機(jī)、衛(wèi)星和航天器以及核設(shè)施等高可靠性應(yīng)用中尤為重要。在許多工業(yè)過(guò)程控制和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，這也是非?？扇〉?br />
4、過(guò)行程損壞抵抗
大多數(shù)LVDT的內(nèi)孔兩端都是開(kāi)放的。在發(fā)生意外過(guò)行程時(shí)，鐵芯能夠完全穿過(guò)傳感器線圈組件而不會(huì)造成損壞。這種對(duì)位置輸入過(guò)載的耐受性使LVDT成為理想傳感器，適用于例如在破壞性材料測(cè)試設(shè)備中連接到拉伸測(cè)試樣本上的引伸儀等應(yīng)用。




LVDT的橫截面視圖顯示了內(nèi)置的信號(hào)調(diào)理電子模塊。該模塊用灌封化合物固定，圖中未顯示該化合物。

5、單軸敏感性
LVDT對(duì)鐵芯沿線圈軸線的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)，但通常對(duì)鐵芯的橫軸運(yùn)動(dòng)或其徑向位置不敏感。因此，LVDT通常可以在涉及未對(duì)準(zhǔn)或浮動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件的情況下，以及在鐵芯并非沿精確直線移動(dòng)的情況下正常工作，而不產(chǎn)生不利影響

6、可分離的線圈和鐵芯
由于LVDT的鐵芯和線圈之間唯一的相互作用是磁耦合，因此可以通過(guò)在鐵芯和內(nèi)孔之間插入非磁性管來(lái)將線圈組件與鐵芯隔離。這樣做可以容納加壓流體在管內(nèi)，鐵芯在其中自由移動(dòng)，而線圈組件不加壓。此特性常用于液壓比例和/或伺服閥中用于閥芯位置反饋的LVDT

7、環(huán)境魯棒性
LVDT組裝過(guò)程中使用的材料和構(gòu)造技術(shù)造就了堅(jiān)固耐用的傳感器，能夠適應(yīng)各種環(huán)境條件。繞組經(jīng)過(guò)粘合后，再用環(huán)氧樹(shù)脂封裝到外殼中，從而具有卓越的防潮和防濕性能，并且能夠承受所有軸向上的巨大沖擊載荷和高振動(dòng)水平。內(nèi)部的高磁導(dǎo)率磁屏蔽層最大限度地減少了外部交流場(chǎng)的影響

外殼和鐵芯均由耐腐蝕金屬制成，外殼還充當(dāng)輔助磁屏蔽層。對(duì)于那些傳感器必須承受暴露于易燃或腐蝕性蒸汽和液體，或在加壓流體中運(yùn)行的應(yīng)用，可以使用各種焊接工藝將外殼和線圈組件進(jìn)行氣密密封。

普通LVDT可以在非常寬的溫度范圍內(nèi)工作，但如果需要，它們可以制造用于低至低溫的環(huán)境，或者使用特殊材料，在許多核反應(yīng)堆中存在的高溫和輻射水平下運(yùn)行。

8、零點(diǎn)重復(fù)性
LVDT的固有零點(diǎn)位置極其穩(wěn)定和可重復(fù)，即使在其非常寬的工作溫度范圍內(nèi)也是如此。這使得LVDT在閉環(huán)控制系統(tǒng)和高性能伺服平衡儀器中作為零位傳感器表現(xiàn)優(yōu)異。

9、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)
普通操作期間摩擦的缺失使得LVDT能夠非常快速地響應(yīng)鐵芯位置的變化。LVDT傳感器本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)僅受鐵芯輕微質(zhì)量的慣性效應(yīng)限制。更常見(jiàn)的是，LVDT傳感系統(tǒng)的響應(yīng)由信號(hào)調(diào)理器的特性決定。

10、絕對(duì)輸出
LVDT是一種絕對(duì)輸出設(shè)備，而不是增量輸出設(shè)備。這意味著在電源中斷的情況下，從LVDT發(fā)送的位置數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，LVDT的輸出值將與斷電前相同。