LVDT 教程

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。

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)。

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。 

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。

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。