线性可变差动变压器（LVDT）工作原理_主要类型_规格特性

术语线性可变差动变压器（LVDT）是一种坚固、完整的线性排列传感器，自然无摩擦。如果使用得当，它们的生命周期是无穷无尽的。由于交流控制LVDT不包含任何类型的电子设备，因此它们可以在非常低的温度下工作，也可以在高达650 °C (1200 °F)不敏感的环境中工作。

术语线性可变差动变压器的应用主要包括自动化、动力涡轮机、飞机、液压、核反应堆、卫星等。这些类型的传感器包含低物理现象和出色的重复性。它将线性位错从机械位置改变为相对电信号，包括方向和距离信息的相位和幅度。此外，LVDT的操作不需要接触部件和线圈之间的电气连接，而是依赖于电磁耦合。

基本概念

LVDT的全称是Linear Variable Differential Transformer，译为“线性可变差动变压器”。通常情况下，LVDT是一种普通类型的传感器，它的主要作用是将物体的矩形运动转换成等效的电信号。LVDT用于计算位移并根据变压器原理工作。

下图是LVDT传感器，它包括一个磁芯和一个线圈组件。其中，铁磁芯受到位置计算的物体的保护，而线圈组件则增加到固定结构。线圈组件包括三个空心形状的绕线线圈。内部线圈是主要的，由交流电源供电。主线圈产生的磁通量附在两个次线圈上，在每个线圈中产生交流电压。

与其它LVDT类型相比，该传感器类型的主要优点是坚固，因为传感元件之间没有材料接触。

由于机器依赖于磁通量的组合，因此该传感器可以具有无限的分辨率。因此，通过适当的信号调节工具可以注意到进展的最小部分，并且传感器的分辨率完全由DAS（数据采集系统）的声明决定。

框架结构

LVDT包括一个圆柱形线圈架，线圈架以线圈架中的一个主绕组为界，两个次要LVDT绕组缠绕在表面上。两个次要绕组的捻数相等，但顺时针方向和逆时针方向相反。

因此，o/p电压将是两个次要线圈之间的电压变化。这两个线圈用S1和S2表示。铁芯位于圆柱形成型器的中间。交流励磁电压为5-12V，工作频率为50-400HZ。

工作原理

线性可变差动变压器的工作原理是利用互感原理。位错是一种非电能，它被转化为电能。另外，在下面LVDT的工作过程中详细的介绍了能量是如何改变的。

LVDT电路图的工作过程根据铁芯在绝缘线圈架中的位置可分为三种情况，分别是：

• 情况1：当LVDT的磁芯处于零位时，两个次要绕组的磁通量将相等，因此绕组中的感应电动势相似。因此，对于无错位，输出值 (e_out ) 为零，因为 e1和e2是等效的。因此，它说明没有发生错位。
• 情况2：当LVDT的核心向上移动到零点时。在这种情况下，与连接到S2绕组的磁通相比，涉及次要绕组S1的磁通是额外的。由于这个原因，e1将被添加为e2。因此e_out（输出电压）为正。
• 情况3：当LVDT的磁芯下移到零点时，此时e2的量会和e1的量相加。由于这个e_out输出电压将为负加上它说明o/p在位置点上下降。

主要类型

线性可变差动变压器包括多种类型，下面分别来介绍下。

1、固定电枢LVDT

这些类型的LVDT非常适合长时间工作系列，它们将有助于防止不正确的布置，因为它们由低电阻组件引导和控制。

2、非导向电枢LVDT

这些类型的LVDT具有无限分辨率行为，此类LVDT的机制是一种无磨损计划，不控制计算数据的运动。该LVDT连接到要计算的样品，缓慢地安装在圆柱体中，包括独立固定的线性传感器主体。

3、强制扩展电枢LVDT

利用内部弹簧机构、电动机将电枢不断向前移动到可达到的最大水平。这些电枢在LVDT中用于缓慢移动的应用，这些设备不需要电枢和样品之间的任何连接。

主要特性

LVDT的特性主要分零位、最高右位和最高左位三种情况进行讨论。

1、零位

LVDT的工作过程可以通过下图在零轴位置或零轴处进行说明。在这种情况下，轴可以正好位于S1和S2绕组的中心。这些绕组是次级绕组，它们相应地增加了等效磁通的产生以及下一个端子上的感应电压。该位置也称为空位置。

输出相序以及相对于导出核心位移和运动的输入信号的输出幅度差异。轴布置在中性位置或零位主要表明串联连接的次级绕组上的感应电压与净输出电压成反比。

• EV1=EV2
• Eo=EV1– EV2=0V

2、最高右位位置

在这种情况下，右上角的位置如下图所示。一旦轴向右侧方向移动，则S2绕组会产生巨大的力，而S1绕组会产生最小的力。

因此，“E2”（感应电压）明显优于E1。得到的差分电压方程如下所示：

• Eo=EV2–EV1

3、最大左侧位置

在下图中，轴可以向左侧方向倾斜更多，然后可以在S1绕组上产生高磁通量，并且当“E2”减小时可以在“E1”上感应出电压。下面给出了这个等式：

• Eo=EV1–EV2

最终的LVDT输出可以根据频率、电流或电压来计算。该电路的设计也可以使用基于微控制器的电路（如PIC、Arduino等）来完成。

规格特点

LVDT的规格包括以下几方面内容。

1、线性度

在计算范围内计算的距离和o/p距离之间的直线比例的最大差异。

• >（0.025+%或0.025– %）满量程
• （0.025至0.20+%或0.025至0.20 – %）满量程
• （0.20至0.50+% 或0.20至0.50 – %）满量程
• （0.50至0.90+% 或0.50至0.90 – %）满量程
• （0.90至+%或0.90 – %）满量程及以上
• 0.90至±%满量程及以上

2、工作温度

LVDT的工作温度包括：

• > -32ºF、(-32-32ºF)、(32 -175ºF)、(175-257ºF)、257ºF及以上。设备必须准确运行的温度范围。

3、测量范围

测量范围包括：

• 0.02″，(0.02-0.32″)，(0.32 – 4.0″)，(4.0-20.0″)，(±20.0″)

4、准确性

解释数据量真实值之间差异的百分比。

5、输出

电流、电压或频率。

6、协议

串行协议如RS232，或并行协议如IEEE488。

7、类型

基于频率、基于电流平衡AC/AC或基于DC/DC。

曲线图

LVDT曲线图如下所示，它显示了轴的变化以及它们从零点开始的差分交流输出幅度和来自电子设备的直流输出的结果。轴距核心位置的位移最大值主要取决于灵敏度系数以及主励磁电压的幅值。轴保持在零位，直到给线圈的主绕组指定参考主励磁电压。

如上图所示，DC o/p极性或相移主要定义零点轴的位置来表示类似LVDT模块的o/p线性度的特性。

优缺点

LVDT的主要优点包括以下几点内容：

• 位移测量范围非常高，从1.25mm到250mm。
• 输出非常高，不需要任何扩展。
• 当铁芯在空心成型机内移动时，不会出现位移输入故障和摩擦损失，因此它使LVDT成为一种精密设备。
• 表现出小的迟滞，而且重复性为空。
• 功耗非常低，根据另一种类型的传感器评估约为1W。
• 将线性位错转换为易于传输的电压。
• 对远离磁场有反应，因此它始终需要一个系统来使它们远离漂移磁场。
• 分辨率是无限的，可以精确计算微小运动。
• 对跨轴核心运动不敏感，测量质量既不受感觉也不受到视觉的影响。
  

LVDT的主要缺点包括以下几点内容：

• 会因温度和振动而损坏。
• 需要大位移才能获得显着的差动输出
• 对杂散磁场有反应
• 应选择接收仪器以处理AC信号，如果需要dc o/p，则应使用解调器n/w。
• 有限的动态响应是机械地通过核心的质量和电气地通过施加的电压。

主要应用

LVDT传感器的应用主要包括需要计算从几毫米到只有几厘米的位错，常见的一些应用包括：

• 作为主传感器，直接将位错转换为电信号。
• 也可以用作辅助传感器。
• 用于测量重量、力和压力
• 在自动取款机中测量美元钞票的厚度。
• 用于土壤水分检测。
• 可应用于扫地机器人。
• 用于大脑探测的医疗设备。
• 其中一些传感器用于计算压力和负载。
• 主要用于工业和伺服机构。
  
• 其它应用，如动力涡轮机、液压、自动化、飞机和卫星等。

LVDT的输出是多少？

众所周知，线性可变差动变压器等测量设备的输出是一个正弦波，其振幅与偏心位置成正比，0⁰或者180⁰相位基于铁芯所在的一侧。在这里，全波整流用于解调信号。发动机输出 (EOUT) 的最高值出现在距中间位置最高的核心位移处。它是主侧激励电压的幅值函数，也是特定类型LVDT的灵敏度因子。通常情况下，RMS是相当可观的。