线性可变差分变压器 (LVDT) 简介

正在寻找 LVDT 的简洁介绍？本文将解释 LVDT 基础知识，包括结构、电路、传递函数、线性范围、灵敏度等。

线性可变差动变压器 (LVDT) 是一种机电传感器，可感应磁芯的机械位移并在输出端产生成比例的交流电压。高分辨率（理论上无限）、高线性度（0.5% 或更好）、高灵敏度和零机械摩擦是 LVDT 器件的一些重要特性。

在本文中，我们将了解 LVDT 的结构和工作原理。我们还将检查这些传感器的三个重要参数：线性范围、线性误差和灵敏度。

LVDT 的结构

图 1 显示了基本 LVDT 的剖视图和电路模型。它由一个初级绕组通过一个可动铁芯耦合到两个次级绕组组成。当导磁芯移动时，初级绕组和每个次级绕组之间的磁耦合相应地发生变化。这会在两个绕组上产生与位置相关的电压信号，可用于确定物体的位置。

图 1(a)。 LVDT 的剖视图。图片由霍尼韦尔提供

图 1(b)。 LVDT电路模型

两个次级绕组是串联相反的，这意味着它们串联连接但以相反的方向缠绕。磁芯通常通过非铁磁棒连接到正在测量其运动的物体上，而线圈组件通常固定在固定形式上。

它是如何工作的？

图 2 显示了完美居中的核心如何理想地产生零输出。输入由适当频率 (VEXC) 的交流电压激发。由于两个次级线圈对称地缠绕在初级线圈的两侧，居中的磁芯导致初级到两个次级的磁耦合相等。由于次级绕组是串联的，因此两个次级绕组上会感应出极性相反的相等电压 (Vs1 =-Vs2)。因此，两个绕组的电压将抵消，我们的总输出为零（Vout =0）。

图 2. 具有完美居中核心的 LVDT

当磁芯如图 3 所示向上移位时，初级和第一次级之间的耦合变得更强。与第二个次级 (|Vs1|> |Vs2|) 和非零输出 (Vout) 相比，这导致第一个次级上的交流电压更大。请注意，输出与 Vs1 同相，但其幅度相对较小。

对于图 3 中描绘的示例，当核心经历向上位移时，输出应该与 VEXC 理想地同相。

图 3。 LVDT 核心向上移动

岩心向下位移的典型波形如图4所示。

图 4。 核心向下移动的LVDT

在这种情况下，初级和次级之间的磁耦合增加导致 |Vs2|> |Vs1|。如您所见，我们将有一个非零 Vout，理想情况下与激励电压异相 180°。

传递函数

图 5 显示了典型 LVDT 的传递函数。 x 轴是中心的核心位移。 y轴为输出交流电压幅值。

图 5。 图片由 Ramón Pallas-Arny 和 John G. Webster 提供，传感器和信号调节

在原点 (x =0)，输出理想情况下为零。当磁芯沿任一方向偏离中心时，输出幅度随磁芯位移线性增加。请注意，仅测量输出的幅度，我们无法确定磁芯是向左移动还是向右移动。我们需要知道输出的幅度和相位。

线性范围

如图 5 所示，LVDT 仅在有限的磁芯位移范围内表现出线性传递函数。这被指定为 LVDT 的线性范围。

为什么设备超出这个范围就不再有线性关系了？

我们可以想象，当磁芯与零位的位移超过某个值时，从初级绕组耦合到磁芯的磁通量会减少。因此，这会导致出现在相应次级绕组两端的电压降低。在具有线性传递函数的情况下，核心可以从其零位移动的最大距离称为满量程位移。

可提供范围广泛的 LVDT，覆盖位移范围小至 ±100 μm 至 ±25 cm。能够测量更大范围的 LVDT 也可用于实验室、工业和潜水环境。

线性误差

即使在线性范围内，LVDT 输出与磁芯位移的关系图也不是一条完美的直线。输出可能会稍微偏离为最适合输出数据而构建的直线。

可导致器件标称线性范围内非线性的一种机制是磁性材料的饱和。即使磁芯处于零位，这也会产生 3 次谐波分量。可以通过对 LVDT 输出应用低通滤波器来抑制这种谐波。

LVDT 输出与预期直线拟合的最大偏差被视为线性误差。线性误差通常表示为全范围输出的 +/- 百分比。例如，Measurement Specialties, Inc. 的 E-100 LVDT 的最大线性误差为满量程范围的 ±0.5%。

灵敏度

灵敏度或传输比允许我们将输出电压与磁芯位移联系起来。为了确定灵敏度，我们以推荐的驱动电平（E-100 LVDT 为 3 VRMS）为初级通电，并通过满量程位移将磁芯移离零位。现在，我们测量两个次级绕组上的电压以找到总输出电压 (Vout)。将这些值代入以下等式，我们可以找到 LVDT 灵敏度：

\[Sensitivity =\frac{V_{out}}{V_{Primary} \times (Core~Displacement)}\]

灵敏度通常以每千分之一英寸磁芯位移每伏激发的毫伏输出来指定（mV/V/mil）。例如，E-100 的灵敏度为 2.4 mV/V/mil。有了灵敏度，我们就可以确定信号调理电路所需的增益。

LVDT 是一种机电换能器，可用于感测物体的机械位移。高分辨率（理论上无限）、高线性度（0.5% 或更好）、高灵敏度和零机械摩擦是 LVDT 设备的一些重要特性。