线性可变差动变压器 (LVDT) 基础知识

白皮书

线性可变差动变压器

LVDT 为海底、发电站、工业自动化、航空航天、测试和测量等众多领域的应用提供可靠的位置测量。

LVDT 是线性可变差动变压器的缩写。 它是一种常见类型的机电传感器,可将其以机械方式耦合的物体的直线运动转换为对应的电气信号。LVDT 线性位移传感器随时可用,可以测量各种移动,小到百万分之一英寸,大到几英寸,但也能够测量大到 ±30 英寸(±0.762 米)的位置。图 1 显示了典型 LVDT 的元件。该变压器的内部结构包括一个初级绕组和一对以相同方式缠绕的次级绕组,两个次级绕组对称分布在初级绕组的两侧。线圈缠绕在具有热稳定性的单件式中空玻璃强化聚合物上,加上防潮层后,包裹在具有高磁导率的磁屏蔽层内,然后固定在圆柱形不锈钢护套中。该线圈配件通常是位移传感器的静止元件。

典型 LVDT 的元件

图 1:所示为位于 LVDT 中央的初级绕组。两个次级线圈对称地缠绕在初级线圈的两侧(对于“短行程”LVDT,如图所示),或者位于初级线圈的顶部(对于“长行程” LVDT)。两个次级绕组通常以“反向串联”(差动)方式连接。

它是一种常见类型的机电传感器,可将其以机械方式耦合的物体的直线运动转换为对应的电气信号。
LVDT 线圈配件

LVDT 的活动元件是透磁性材料的独立管状电枢。 这称为纤芯,可在线圈的中空孔内沿轴向自由移动,并通过机械方式耦合到需测量位置的物体上。该孔通常足够大,能够在纤芯和孔之间提供很大的径向间隙,使其与线圈之间不会产生物理接触。运行时,由具有适当振幅和频率的交流电对 LVDT 的初级绕组进行通电,这一过程称为初级励磁。LVDT 的电气输出信号是两个次级绕组之间的差分交流电压,随纤芯在 LVDT 线圈内的轴向位置而异。通常情况下,该交流输出电压由适当的电子电路转换为更便于使用的高电平直流电压或电流。

图 2 显示当 LVDT 的纤芯处于不同的轴向位置时会出现什么情况。 LVDT 的初级绕组 P 由恒定振幅交流电源进行通电。由此形成的磁通量由纤芯耦合到相邻的次级绕组 S1 和 S2。如果纤芯位于 S1 和 S2 的中间,则会向每个次级绕组耦合相等的磁通量,因此绕组 S1 和 S2 中各自包含的 E1 和 E2 是相等的。在该参考中间纤芯位置(称为零点),差分电压输出 (E1 - E2) 本质上为零。如图 2 中所示,如果移动纤芯,使其与 S1 的距离小于与 S2 的距离,则耦合到 S1 中的磁通量会增加,而耦合到 S2 中的磁通量会减少,因此感生电压 E1 增大,而 E2 减小,从而产生差分电压 (E1 - E2)。相反,如果纤芯移动得更加靠近 S2,则耦合到 S2 中的磁通量会增加,而耦合到 S1 中的磁通量会减少,因此 E2 增大,而 E1 减小,从而产生差分电压 (E2 - E1)。

显示当 LVDT 的纤芯处于不同的轴向位置时会出现什么情况。

图 2:显示当 LVDT 的纤芯处于不同的轴向位置时会出现什么情况。

图 3A 显示差分输出电压 EOUT 的大小是如何随着纤芯位置变化的。 自零点开始最大纤芯位移的 EOUT 值取决于初级励磁电压的振幅和特定 LVDT 的敏感因子,但通常为几个伏特 RMS。该交流输出电压 EOUT(以初级励磁电压作为参考)的相位角会保持不变,直到纤芯的中心经过零点,此时该相位角突然改变 180 度,如图 3B 中所示。可以通过相应的电路,使用该 180 度相移来确定纤芯离开零点的方向。图 3C 中对其进行了显示,其中输出信号的极性表示纤芯与零点的位置关系。该图还显示 LVDT 的输出在其指定的纤芯移动范围内具有很好的线性,但可以在更大的范围使用传感器,此时输出线性会有所降低。 

图 3

图 3:LVDT 的输出特性随纤芯的位置不同而变化。全程输出是一个较大的信号(通常为一伏特或更大),通常不需要放大。请注意,LVDT 会继续在超过 100% 全程的范围运行,但线性会降低。

尽管 LVDT 是电力变压器,但它正常运行所需交流电源的振幅和频率与常规电源线大不相同(通常为 3 Vrms,3 kHz)。 为 LVDT 提供该励磁电源是 LVDT 支持电子设备(有时也称为 LVDT 信号调节设备)的多项功能之一。其他功能包括将 LVDT 的低电平交流电压输出转换为更方便使用的高电平直流信号、对 LVDT 纤芯经过零点时来自 180 度输出相移的方向信息进行解码以及提供可电气调节的输出零电平。提供了各种 LVDT 信号调节电子设备,包括用于原始设备制造商应用的芯片级和板级产品以及供用户使用的模块和完整实验室仪器。

LVDT 信号调节器
DIN 轨道安装 LVDT 信号调节器,具有模拟电压、4-20mA 和 RS-485 输出信号调节

也可以自带支持电子设备,如图 4 中所示的 DC-LVDT。 这些易于使用的位移传感器几乎具有 LVDT 的所有优势,同时具有直流输入、直流输出操作的简易性。当然,具有集成式电子元件的 LVDT 可能不适合某些应用,或者可能无法针对某些安装环境进行相应的封装。

图 4

图 4:左侧的 DC-LVDT 横断面视图显示内置的信号调节电子设备模块。此模块固定在该图纸中未显示的灌胶复合物中。

  1. 传感器的工程精度(英文版)

TE 现场应用工程师 Mike Marciante 讨论 TE 制造的精密 LVDT 线性位移传感器如何耐受某些最严苛的环境考验。

无摩擦操作

LVDT 最重要的特性之一是其无摩擦操作。在正常使用过程中,LVDT 的纤芯和线圈配件之间没有机械接触,因此不存在蹭擦、拖曳或其他摩擦来源。该特性在材料测试、振动位移测量和高分辨率尺寸测量系统中尤其有用。

无限分辨率

由于 LVDT 在无摩擦结构中根据电磁耦合原则操作,因此可以测量纤芯位置极小的变化。该无限分辨率功能仅受 LVDT 信号调节器中的噪声和输出显示器分辨率的限制。这些相同的因素还为 LVDT 提供了出色的可重复性。

无限长的机械寿命

由于 LVDT 的纤芯和线圈结构通常之间没有接触,因此没有部件会相互摩擦或磨损。这意味着 LVDT 具有无限长的机械寿命。该因素在高可靠性应用(如飞机、人造卫星和宇宙飞船以及核设施)中尤其重要。该因素在许多工业过程控制和工厂自动化系统中也是非常可取的。

抗超程损坏

大多数 LVDT 的内部孔在两端都是开口的。如果发生意外的超程,则纤芯能够完全通过传感器线圈配件,而不会导致损坏。由于该不受位置输入过载损坏的特性,LVDT 成为适用于连接到破坏性材料测试设备中抗拉测试样品的延伸仪等应用的传感器。

单轴敏感度

LVDT 会响应沿线圈轴向的纤芯运动,但通常对纤芯垂直轴向的运动或其径向位置不敏感。因此,LVDT 通常可以在不对涉及偏离或浮动的成员的移动应用产生不利影响的情况下正常工作,也可以在纤芯不沿精确直线运行的情况下正常工作。

可分离线圈和纤芯

由于 LVDT 的纤芯和线圈之间的仅有相互作用时磁耦合,因此可以通过在纤芯和孔之间插入一个非磁性管来隔离线圈配件。这样,可以在管中包含加压流体,纤芯可以在其中自由移动,而线圈配件是非受压的。通常在用于液压比例和/或伺服阀中阀芯位置反馈的 LVDT 中利用该特性。

可适应严苛的环境

LVDT 装配中使用的材料和结构可实现加固耐用的传感器,该传感器在各种环境条件下都能够可靠运行。连接绕组后使用环氧树脂密封到外壳中,从而具有很强的防潮和防湿性,并且能够吸收所有轴中的强烈撞击载荷和高水平振动。此外,内部高磁导率屏蔽层可将外部交流电场的影响降至最低。外壳和纤芯都由抗腐蚀材料制成,外壳还用作补充的磁屏蔽层。对于传感器必须接触易燃或腐蚀性蒸气和液体或在加压流体中运行的应用,可以使用各种焊接工艺对外壳和线圈配件进行密封。普通 LVDT 可在很宽的温度范围内运行,但是,如果需要,可以将其生产为可在低温下运行,或者,通过使用特殊材料,在许多核反应堆中存在的高温和高辐射水平下运行。

零点可重复性

LVDT 的固有零点位置非常稳定且可重复,即使超过其很宽的工作温度范围也是如此。这使得 LVDT 能够作为闭环控制系统和高性能伺服平衡仪器中的零位传感器很好地工作。

快速动态响应

由于常规操作过程中不存在摩擦,因此 LVDT 可以很快地响应纤芯位置的变化。LVDT 传感器本身的动态响应仅受纤芯轻微质量惯性效应的限制。LVDT 传感系统的响应更经常由信号调节器的特性决定。

绝对输出

与增量输出器件相反,LVDT 是绝对输出器件。这意味着如果发生断电情况,从 LVDT 发送的位移数据不会丢失。重新启动测量系统后,LVDT 的输出值将与断电之前的值相同。