LVDT傳感器簡介
來源:
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作者:fenggongkeji
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發布時間: 2022-12-08
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什么是LVDT位移傳感器？LVDT傳感器如何工作，有什么優點？本文做了詳細介紹
什么是 LVDT？
LVDT 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換為對應的電氣信號。LVDT 線性位移傳感器隨時可用，可以測量各種移動，小到百萬分之一英寸，大到幾英寸，但也能夠測量大到 ±30 英寸（±0.762 米）的位置。圖 1 顯示了典型 LVDT 的元件。該變壓器的內部結構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。線圈纏繞在具有熱穩定性的單件式中空玻璃強化聚合物上，加上防潮層后，包裹在具有高磁導率的磁屏蔽層內，然后固定在圓柱形不銹鋼護套中。該線圈配件通常是位移傳感器的靜止元件。
圖 1：所示為位于 LVDT 中央的初級繞組。兩個次級線圈對稱地纏繞在初級線圈的兩側（對于“短行程”LVDT，如圖所示），或者位于初級線圈的頂部（對于“長行程” LVDT）。兩個次級繞組通常以“反向串聯”（差動）方式連接。
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換為對應的電氣信號。LVDT 的活動元件是透磁性材料的獨立管狀電樞。 這稱為纖芯，可在線圈的中空孔內沿軸向自由移動，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，能夠在纖芯和孔之間提供很大的徑向間隙，使其與線圈之間不會產生物理接觸。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，隨纖芯在 LVDT 線圈內的軸向位置而異。通常情況下，該交流輸出電壓由適當的電子電路轉換為更便于使用的高電平直流電壓或電流。
LVDT 是怎樣工作的？
圖 2 顯示當 LVDT 的纖芯處于不同的軸向位置時會出現什么情況。
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纖芯耦合到相鄰的次級繞組 S1 和 S2。如果纖芯位于 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。在該參考中間纖芯位置（稱為零點），差分電壓輸出 (E1 - E2) 本質上為零。如圖 2 中所示，如果移動纖芯，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，從而產生差分電壓 (E1 - E2)。相反，如果纖芯移動得更加靠近 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，從而產生差分電壓 (E2 - E1)。
圖 2：顯示當 LVDT 的纖芯處于不同的軸向位置時會出現什么情況。
圖 3A 顯示差分輸出電壓 EOUT 的大小是如何隨著纖芯位置變化的。 自零點開始最大纖芯位移的 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，直到纖芯的中心經過零點，此時該相位角突然改變 180 度，如圖 3B 中所示。可以通過相應的電路，使用該 180 度相移來確定纖芯離開零點的方向。圖 3C 中對其進行了顯示，其中輸出信號的極性表示纖芯與零點的位置關系。該圖還顯示 LVDT 的輸出在其指定的纖芯移動范圍內具有很好的線性，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。
圖 3：LVDT 的輸出特性隨纖芯的位置不同而變化。全程輸出是一個較大的信號（通常為一伏特或更大），通常不需要放大。請注意，LVDT 會繼續在超過 100% 全程的范圍運行，但線性會降低。
LVDT 支持電子設備
盡管 LVDT 是電力變壓器，但它正常運行所需交流電源的振幅和頻率與常規電源線大不相同（通常為 3 Vrms，3 kHz）。 為 LVDT 提供該勵磁電源是 LVDT 支持電子設備（有時也稱為 LVDT 信號調節設備）的多項功能之一。其他功能包括將 LVDT 的低電平交流電壓輸出轉換為更方便使用的高電平直流信號、對 LVDT 纖芯經過零點時來自 180 度輸出相移的方向信息進行解碼以及提供可電氣調節的輸出零電平。提供了各種 LVDT 信號調節電子設備，包括用于原始設備制造商應用的芯片級和板級產品以及供用戶使用的模塊和完整實驗室儀器。DIN 軌道安裝 LVDT 信號調節器，具有模擬電壓、4-20mA 和 RS-485 輸出信號調節也可以自帶支持電子設備，如圖 4 中所示的 DC-LVDT。 這些易于使用的位移傳感器幾乎具有 LVDT 的所有優勢，同時具有直流輸入、直流輸出操作的簡易性。當然，具有集成式電子元件的 LVDT 可能不適合某些應用，或者可能無法針對某些安裝環境進行相應的封裝。
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 的纖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中尤其有用。
無限分辨率
由于 LVDT 在無摩擦結構中根據電磁耦合原則操作，因此可以測量纖芯位置極小的變化。該無限分辨率功能僅受 LVDT 信號調節器中的噪聲和輸出顯示器分辨率的限制。這些相同的因素還為 LVDT 提供了出色的可重復性。
無限長的機械壽命
由于 LVDT 的纖芯和線圈結構通常之間沒有接觸，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。該因素在高可靠性應用（如飛機、人造衛星和宇宙飛船以及核設施）中尤其重要。該因素在許多工業過程控制和工廠自動化系統中也是非常可取的。
抗超程損壞
大多數 LVDT 的內部孔在兩端都是開口的。如果發生意外的超程，則纖芯能夠完全通過傳感器線圈配件，而不會導致損壞。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備中抗拉測試樣品的延伸儀等應用的傳感器。
單軸敏感度
LVDT 會響應沿線圈軸向的纖芯運動，但通常對纖芯垂直軸向的運動或其徑向位置不敏感。因此，LVDT 通常可以在不對涉及偏離或浮動的成員的移動應用產生不利影響的情況下正常工作，也可以在纖芯不沿精確直線運行的情況下正常工作。
可分離線圈和纖芯
由于 LVDT 的纖芯和線圈之間的僅有相互作用時磁耦合，因此可以通過在纖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，纖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。
可適應嚴苛的環境
LVDT 裝配中使用的材料和結構可實現加固耐用的傳感器，該傳感器在各種環境條件下都能夠可靠運行。連接繞組后使用環氧樹脂密封到外殼中，從而具有很強的防潮和防濕性，并且能夠吸收所有軸中的強烈撞擊載荷和高水平振動。此外，內部高磁導率屏蔽層可將外部交流電場的影響降至最低。外殼和纖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運行，但是，如果需要，可以將其生產為可在低溫下運行，或者，通過使用特殊材料，在許多核反應堆中存在的高溫和高輻射水平下運行。
零點可重復性
LVDT 的固有零點位置非常穩定且可重復，即使超過其很寬的工作溫度范圍也是如此。這使得 LVDT 能夠作為閉環控制系統和高性能伺服平衡儀器中的零位傳感器很好地工作。
快速動態響應
由于常規操作過程中不存在摩擦，因此 LVDT 可以很快地響應纖芯位置的變化。LVDT 傳感器本身的動態響應僅受纖芯輕微質量慣性效應的限制。LVDT 傳感系統的響應更經常由信號調節器的特性決定。
絕對輸出
與增量輸出器件相反，LVDT 是絕對輸出器件。這意味著如果發生斷電情況，從 LVDT 發送的位移數據不會丟失。重新啟動測量系統后，LVDT 的輸出值將與斷電之前的值相同。
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