LVDT（线性可变差动变压器式位移传感器）工作原理与应用

LVDT（线性可变差动变压器式位移传感器）工作原理与应用

LVDT（线性可变差动变压器式位移传感器）是一种高精度的位置传感器，广泛应用于各种工业自动化和精密测量场景。本文将详细介绍LVDT的工作原理、结构特点及其独特的优势，帮助读者深入了解这一精密传感器的技术细节。

LVDT的基本定义

LVDT是Linear Variable Differential Transformer（线性可变差动变压器）的缩写，属于机电转换器的一种。它能够将物体的直线运动机械变化量转换成相应的电子信号。LVDT位移传感器的测量范围可以从几百万分之一英寸到几英寸，甚至可以达到±20英寸的位移量。

图-1：LVDT位移传感器的构成组件

如图-1所示，LVDT位移传感器的内部结构主要包括一个置于一对相同次级线圈中间的初级线圈。这些线圈缠绕在一个中空的热塑性玻璃纤维强化型聚合物上，为了防潮，外部包有一层高透磁性的隔离物，并密封在一个圆柱形的不锈钢管内。可动组件是一个具有透磁性的管状铁心，可以在中空的线圈内自由移动，并与被测对象结合。线圈孔径足够大，确保铁心与线圈之间没有实质接触。

LVDT的工作原理

LVDT的工作原理基于电磁感应。在使用时，需要向初级线圈施加一定频率的交流电（激磁）。LVDT的输出信号是两组次级线圈之间的交流电压差，这个电压差会随着铁心在线圈内的位置变化而变化。通常，为了方便使用，交流输出电压会通过电子回路处理，转换为高准位的直流电压或电流。

图-2：LVDT位移传感器铁心在不同位置时的情况

图-2说明了当LVDT位移传感器的铁心处于不同位置时的情况。当铁心位于S1和S2的中间时，相同的磁通量会耦合至两个次级线圈，因此在每个线圈中感应出的电压E1和E2相等。当铁心位于原点时，输出的电压差（E1 - E2）应该等于零。

图-3：输出电压差Eout随铁心位置的变化

图-3显示了输出电压差Eout的大小会随着铁心的位置而改变。铁心从原点至最大位移量的Eout电压值，取决于初级激磁电压的大小以及LVDT本身的灵敏度，通常为几个Vrms。与初级激磁电压相关的AC输出电压Eout的相位角，在铁心位于原点时是一个常数。如图-4所示，原点位置的相位角变化呈现陡峭的180度。

图-6：内置放大器的DC LVDT剖面图

配合LVDT的电子回路通常包括以下几个功能：

1. 提供固定振幅和频率的AC电源（3Vrms @ 2.5kHz～3.0kHz）
2. 将LVDT的低准位AC输出电压转换为高准位的DC信号
3. 利用相位检出器判断铁心移动方向
4. 输出信号的零点准位调整

LVDT的优势特性

LVDT因其独特的物理原理和材料技术，具备以下显著优势：

1. 无摩擦操作：LVDT的铁心和线圈组件之间没有机械接触，适用于材料测试、振动位移测量等高精度应用。
2. 无限分辨率：能够测量极微小的位置变化，受限于放大器分辨率和显示器位数。
3. 无限机械寿命：无摩擦设计意味着无磨损，适用于航空、卫星等高可靠性要求场合。
4. 超出量程不损坏：铁心超出量程不会损坏传感器，适合材料破坏测试。
5. 单轴感应：仅对轴向运动敏感，对横向运动不感应，适用于非精确安装场景。
6. 可分离的线圈和铁心：通过非磁性管隔离，适用于高压流体环境。
7. 优异的环境适应性：坚固耐用，防潮防湿，耐振耐冲击，抗外部磁场干扰。
8. 稳定的零点重复性：零点位置稳定，适用于闭环控制系统。
9. 快速动态响应：无摩擦设计确保快速响应，受限于铁心惯性。
10. 绝对值输出：即使电源关闭，位置数据也不会丢失。

应用场景

LVDT广泛应用于各种工业自动化和精密测量场景，包括但不限于：

• 材料测试和振动位移测量
• 高精度尺寸测量系统
• 航空航天和核能设备
• 工业过程控制和工厂自动化
• 油压系统比例阀和伺服阀的位置反馈
• 高温、低温和辐射环境下的特殊应用

LVDT凭借其高精度、长寿命和优异的环境适应性，已成为工业自动化领域不可或缺的精密传感器之一。