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行业应用

什么是LVDT?LVDT位移传感器原理介绍

2018-06-02

LVDT位移传感器工作原理

无锡市河埒传感器有限公司

LVDT(Linear Variable Differential Transformer)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。

无锡市河埒传感器有限公司成立于1985年,是一家专业生产LVDT位移传感器、转速传感器及其配套变送器的高新技术企业。生产的LVDT具有动态特性好、非线性度好、体积小、寿命高、可靠性高、重复精度高、可适应各种恶劣环境等优点。


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。

 

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LVDT 的活动元件是导磁性材料的铁芯,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,能够在铁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,随铁芯在 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 的铁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铁芯耦合到相邻的次级绕组 S1 和 S2。如果铁芯位于 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,在该参考中间铁芯位置(称为电气零位),差分电压输出 (E1 - E2) 本质上为零。如图 2 中所示,如果移动铁芯,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,如果铁芯移动得更加靠近 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)。


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                                               图2:显示当LVDT的铁芯处于不同的轴向位置时会出现什么情况


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图 3A 显示差分输出电压 EOUT 的大小是如何随着铁芯位置变化的。 自电气零位开始最大铁芯位移的 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,直到铁芯的中心经过零点,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 度相移来确定铁芯离开零点的方向。图 3C 中对其进行了显示,其中输出信号的极性表示铁芯与零点的位置关系。

 

该图还显示 LVDT 的输出在其指定的铁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。



LVDT解调

LVDT解调模块为LVDT 提供激励信号是,并接收LVDT次级的输出信号,并将交流次级信号解调成与铁芯位置相对应的直流电流或电压信号。

我公司提供LTM-6A、LTM-6S等智能位移变送器,具有输出DC4~20mA、DC0~10V、断线报警等功能,可满足客户使用中的各种需求。

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为何使用 LVDT?

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 的铁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理工作,因此可以测量铁芯位置极小的变化。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,此外LVDT 具有出色的可重复性。

 

无限长的机械寿命

由于 LVDT 的铁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,此优点在高可靠性应用(如飞机、人造卫星和宇宙飞船以及核设施)中尤其重要。

 

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,则铁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铁芯运动,但通常对铁芯垂直轴向的运动或其径向位置不敏感。

 

可分离线圈和铁芯

由于 LVDT 的铁芯和线圈之间的仅有相互作用时磁耦合,因此可以通过在铁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,铁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,并且能够承受强烈撞击载荷和高强度振动。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。外壳和铁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 可以很快地响应铁芯位置的变化。LVDT 传感器本身的动态响应仅受铁芯轻微质量惯性效应的限制。LVDT 传感系统的响应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。如果发生断电情况,在重新启动测量系统后,LVDT 的输出值将与断电之前的值相同。


 

 

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