线性可变差动变压器（LVDT）：原理、设计与关键性能指标
探索LVDT核心原理：结构、工作、传递函数、线性范围、线性度与灵敏度
线性可变差动变压器（LVDT）是精密机电换能器，将机械铁芯位移转化为成比例交流电压。具备近乎无限分辨率、亚0.5%线性度、高灵敏度、近零机械摩擦，成关键测量应用理想选择。
本文详述物理布局、工作原理、及线性范围、线性度误差、灵敏度三大关键性能参数。
LVDT结构
图1展示典型LVDT剖视图及等效电路。器件由单初级线圈包围两个次级线圈组成。铁磁铁芯（通常为非铁磁杆）可沿线圈轴自由移动。铁芯位移改变与各次级磁耦合，产生位置相关电压。
图1(a). LVDT剖视图。图片由Honeywell提供
图1(b). LVDT电路模型
两次级线圈反向串联：串联但绕向相反。铁芯连接被测对象；线圈组件固定不动。
工作原理
铁芯居中时，等量磁通链接两次级。因次级反向绕制，感应电压抵消，输出电压为零（Vout = 0）。见图2。
图2. 铁芯完美居中的LVDT
铁芯上移增强与第一次级耦合，产生较大电压（|Vs1| > |Vs2|）。输出非零且与激励同相，见图3。
图3. 铁芯上移的LVDT
反之铁芯下移有利第二次级，产生负输出，理想情况下与激励相位差180°。波形见图4。
图4. 铁芯下移的LVDT
传递函数
铁芯位移与输出电压关系见图5。传递曲线在零点附近线性，但仅限有限位移范围。
图5. 图片由Ramón Pallàs-Areny与John G. Webster提供，《传感器与信号调理》
仅测幅值无法指示位移方向；相位信息对区分左右移动至关重要。
线性范围
超出线性区，磁耦合饱和，输出偏离直线趋势。输出保持线性的最大位移定义为全量程范围。LVDT量程从±100 µm至±25 cm，适用实验室、工业、潜水场景。
线性度误差
名义线性范围内输出曲线仍非完美直线。与最佳拟合线最大偏差称为线性度误差，通常以满量程输出百分比表示。例：Measurement Specialties E-100 LVDT标称±0.5%线性度误差。
磁饱和甚至在零点引入三次谐波分量；可通过输出端低通滤波器缓解。
灵敏度
灵敏度——或传递比——关联输出电压与铁芯位移。初级按推荐电平激励（E-100为3 VRMS），铁芯移动全量程位移。结果输出电压经公式得出灵敏度：
\[\text{Sensitivity} = \frac{V_{out}}{V_{Primary}\times\text{Core Displacement}}\]
典型单位：毫伏输出/伏特激励/千分之一英寸铁芯位移（mV/V/mil）。E-100提供2.4 mV/V/mil，助设计师准确选型调理放大器。
综上，LVDT结合高分辨率、优异线性度、零机械摩擦，成为跨广泛应用精密位移测量的基石换能器。
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