什么是LVDT差動變壓式位移傳感器
來源：什么是LVDT差動變壓式位移傳感器 發(fā)布于：2020-9-15 10:36:08 瀏覽：3881
什么是LVDT?
LVDT線性差動變壓式位移傳感器詳細介紹
LVDT 是Linear Variable Differential Transformer （線性差動變壓器）的縮寫，為機電轉(zhuǎn)換器的一種。LVDT 可以將一個對象之直線運動的機械變化量轉(zhuǎn)換成相對應的電子信號。LVDT 線性位置傳感器（LVDT位移傳感器），可測量之位移量小至幾百萬分之一英吋至幾英吋，但也可以測量至±20 英吋的位移量。
圖-1
圖-1 所示是一個典型LVDT位移傳感器之構(gòu)成組件。變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包含了一個置于一對且相同之次級線圈中間的初級線圈，此初級線圈和次級線圈之間具有對稱的行間。這些線圈是纏繞在一個中空之熱塑性玻璃纖維的強化型聚合物上，為了能夠防潮，再包上一層高透磁性的隔離物，然后密封在一個圓柱形之不銹鋼管內(nèi)。此線圈組合通常是位置傳感器的必備組件。
LVDT 的可動組件是一個具透磁性之管狀鐵心，此鐵心可以在中空成型之線圈內(nèi)自由移動，并和欲測量位置之對象結(jié)合在一起。線圈之孔徑是大到將鐵心置于其內(nèi)時，仍能提供有效之間隙，使得鐵心與線圈之間沒有實質(zhì)上的接觸。
在使用上，我們是將一定頻率之交流電加在初級線圈上，也就是所謂的初級激磁。LVDT 的輸出信號就是兩組次級線圈之間的交流電壓差，此電壓差會隨著鐵心在線圈內(nèi)之位置而改變。通常為了方便使用，此交流輸出電壓會再經(jīng)由電子回路的處理，轉(zhuǎn)換為高準位的直流電壓或電流。
LVDT位移傳感器如何動作?
圖-2
圖-2 說明什么當LVDT位移傳感器的鐵心在不同位置時，會發(fā)生什么情形。LVDT 的初級線圈（P）被2.5KHz～ 5KHz 之交流電源激磁以后，所產(chǎn)生的磁通量會經(jīng)由鐵心耦合至鄰近的次級線圈S1和S2。假如鐵心是位于S1 和S2的中間，相同的磁通量會耦合至二次側(cè)。所以，在每一個線圈所感應出的電壓E1 和E2 也會相等。所以，當鐵心位于中心點時，也就是所謂的原點，輸出的電壓差（E1 -E2）應該等于零。
圖-3
圖-3 顯示輸出電壓差Eout 之大小會隨著鐵心的位置而改變。鐵心從原點至最大位移量之Eout 的電壓值，視初級激磁電壓大小，以及LVDT 本身之靈敏度而定，通常是幾個Vrms 。和初級激磁電壓有關之AC 輸出電壓Eout 的相位角，在鐵心位于原點時，是一個常數(shù)。如圖-4所示，原點位置之相位角的變化呈現(xiàn)陡峭地180 度。
配合適當?shù)幕芈?，可以利用?80度的相位移來判斷鐵心離開原點之位移方向。如圖-5 所示，輸出信號的極性代表鐵心位置和原點之間的相對關系。此圖亦顯示出，鐵心在LVDT 的額定量測范圍內(nèi)移動時，其輸出信號是非常的線性。若要超出額定量測之范圍來使用也可以，但是輸出信號之線性度會降低。
配合LVDT 的電子回路
雖然LVDT 是變壓器的一種，但是需要一個固定振幅及頻率的AC 電源才能正常地操作。此電源和一般所知的AC 電源不同，通常是3Vrms @2.5kHz ～ 3．0kHz 。供給LVDT 所需之激磁電源，是一般我們所知之LVDT 信號放大器所具備的功能之一。其他的功能包括將LVD T 的低準位AC 輸出電壓轉(zhuǎn)換為高準位的DC 信號，在使用上會比較方便。另外，當LVDT 的鐵心通過原點時，利用相位檢出器可從180 度的相位移來判斷鐵心移動的方向，以及輸出信號的零點準位調(diào)整。圖-6 所示為右側(cè)內(nèi)含放大器之DC LVDT 的剖面圖，放大電路之模塊應有封膠保護，但為了說明起見，未顯示出來。
為什么要采用LVDT位移傳感器？
由于LVDT位移傳感器本身操作之基本物理原理或本身結(jié)構(gòu)所采用之材料及技術，因而具備某些特性和優(yōu)點。
無摩擦操作
LVDT 最重要的特性之一就是無摩擦操作。在一般的操作之下，LVDT 的鐵心和線圈組件結(jié)構(gòu)之間沒有機械式的接觸，如摩擦、拖曳或其他可造成摩擦之因素。此特性在材料測試，振動位移測量以及高分辨率尺寸測量系統(tǒng)特別有用。
分辨率無限大
因為LVDT 是利用無摩擦結(jié)構(gòu)之電磁耦合原理的方式操作，所以能夠測量極微小之鐵心位置的變化量。此無限解析之能力，只受限于LVDT 信號放大器的分辨率和輸出顯示器的位數(shù)。因而，LVDT 亦具有極佳之重復性。
機械壽命無限長
通常LVDT 的鐵心和線圈組件結(jié)構(gòu)之間沒有接觸，所以，沒有任何組件彼此之間會相互摩擦或磨損，此意味著LVDT 具有無機械壽命限制之特性。此特性在高信賴度要求之應用方面，如航空器、衛(wèi)星、太空飛行器以及核能設備安裝等，特別的重要。另外，在很多工業(yè)過程控制以及工廠自動化控制系統(tǒng)方面，對此特性也有高度的需求。
不會因為超出量測范圍而受損
大部分LVDT 的內(nèi)膛兩端是沒有封閉的。若因操作不慎，超出其額定之量測行程，鐵心會完全通過傳感器的線圈組件結(jié)構(gòu)，并不會造成任何的損壞。這種不因超出位移行程而破壞之特性，使得LVDT 在材料破壞測試設備方面，如附著于測試組件以便測試其張力之張力計，是一個很理想的傳感器,參考HSTA750系列。
單軸感應
LVDT 只對鐵心沿著線圈的軸線運動會有反應，而通常對于鐵心橫向交叉軸的運動或鐵心的徑向位置是不感應的。所以，對于非準線安裝或漂浮移動的應用場合，以及當LVDT 的移動并不是很精確的呈一直線時，LVDT 仍能正常的工作，而不會有任何反效果。
可分離之線圈及鐵心
因為在LVDT 的鐵心和線圈組件之間，只有磁耦合的交互作用，所以在鐵心和內(nèi)膛的管壁之間可以插入非磁性的管子，而將鐵心和線圈組件隔離。利用這種作法，可以將加壓之流體封裝在隔離用之管子內(nèi)，那么當線圈組件被釋壓時，鐵心便會自由移動。在油壓系統(tǒng)之比例閥或伺服閥，做為線軸位置回授用之LVDT，常常利用此特性，參考HSIR750系列。
耐環(huán)境特性佳
LVDT 因為所采用之材料以及組裝結(jié)構(gòu)的技術，是一種非常堅固耐用的傳感器，可適用于各種不同的操作環(huán)境。線圈繞組以環(huán)氧樹脂封裝之后，放入不銹鋼管內(nèi)，可達到極佳之防潮防濕的效果，而且耐振性及耐沖擊性佳。此外，由于內(nèi)部的高透磁性屏蔽，使得受外部AC 磁場效應的影響降到最低。
外殼及鐵心皆是采用防腐蝕之金屬材料，而且外殼也有增強隔絕磁場的效果。在某些應用場合，當傳感器必須暴露于易燃或腐蝕性之蒸汽及液體，或加壓之流體下來操作時，可以利用各種熔接加工處理方法，將外殼和線圈組件結(jié)構(gòu)整個完全密封起來。
通常LVDT 適用的操作溫度范圍非常的寬廣，但是，若有需要，也可特別訂制而專門應用于低溫的環(huán)境。或者采用特殊的材料，可適用于像核子反應爐等需要耐高溫及輻射的應用場合。
零點重復性
LVDT 本身的零點位置是非常的穩(wěn)定，而且重復性高，即使超出其適用之操作溫度范圍，亦是如此。此特性使得LVDT 在閉回路控制系統(tǒng)以及高性能伺服平衡儀器方面的應用，是一個很好的零點位置傳感器。
快速動態(tài)反應
在一般的操作情況下，此無摩擦之特性，使得LVDT 能夠很快的反應出鐵心位置的變化量。LVDT 本身的動態(tài)反應，僅受限于鐵心之微小質(zhì)量的慣性效應。通常，LVDT 感應系統(tǒng)的反應速度，是取決于放大器的特性。
絕對值輸出
LVDT 是一個絕對值輸出組件，不同于增量型的輸出組件。此意味著，即使電源關閉時，LVDT 送出的位置數(shù)據(jù)并不會消失。
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