線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器是一種非常精確且無(wú)摩擦的位置傳感器，用于測量物體的線(xiàn)性位移，其輸出電壓與可移動(dòng)鐵芯的位置成正比。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器，簡(jiǎn)稱(chēng)LVDT，是一種機電位置傳感器，能夠提供關(guān)于外力或物體線(xiàn)性機械位置的精確且無(wú)摩擦的位置反饋信息。

顧名思義，線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器的工作原理與交流變壓器相同，但它不是提供負載電流或高電壓，而是利用互感的基本變壓器原理來(lái)測量線(xiàn)性運動(dòng)。

在我們關(guān)于互感的教程中，我們看到當兩個(gè)或多個(gè)長(cháng)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈繞在同一骨架或鐵芯上時(shí)，任何一個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量都會(huì )與其他線(xiàn)圈的磁通量相互耦合，驅動(dòng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量會(huì )增強或抵消其他線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量。

因此，流過(guò)一個(gè)線(xiàn)圈的任何交流電流都會(huì )在磁耦合的其他線(xiàn)圈中感應出電壓，這就是LVDT的基本原理。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器

LVDT是一種無(wú)源電感傳感器，需要外部電源才能工作。它使用線(xiàn)圈和交變磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生模擬輸出電壓，使其成為一種可變電感傳感器。因此，“線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器”用于測量沿線(xiàn)性軸的距離。

典型的線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器傳感器

LVDT由三個(gè)獨立的線(xiàn)圈組成，這些線(xiàn)圈依次繞在一個(gè)中空的非磁性絕緣管上。其中一個(gè)磁性線(xiàn)圈被稱(chēng)為初級線(xiàn)圈，其他兩個(gè)線(xiàn)圈形成兩個(gè)相同的次級線(xiàn)圈。

兩個(gè)次級線(xiàn)圈以串聯(lián)反向的方式連接在一起，即它們在電氣上相差180度。因此，其名稱(chēng)中的“差動(dòng)”部分由此而來(lái)。

LVDT的單個(gè)位于中心的初級線(xiàn)圈由一個(gè)頻率在1kHz到10kHz之間的恒定交流正弦波形源供電。初級繞組產(chǎn)生的磁通量通過(guò)鐵芯耦合到位于其兩側的兩個(gè)次級線(xiàn)圈中的一個(gè)或兩個(gè)。

這種布置產(chǎn)生了一個(gè)與鐵芯位移成正比的差動(dòng)輸出電壓，因此它也被稱(chēng)為“位移傳感器”。線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器由一個(gè)初級激勵線(xiàn)圈和兩個(gè)以“串聯(lián)反向”方式連接的次級線(xiàn)圈組成。

一個(gè)軟鐵鐵磁芯，稱(chēng)為“鐵芯”、“滑塊”、“柱塞”或“電樞”，可以在中心空心管內自由直線(xiàn)移動(dòng)，這是連接物體位移的直接結果。這會(huì )增加或減少初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈之間的互感。

由于線(xiàn)圈的磁耦合，鐵芯的移動(dòng)會(huì )依次增加或減少每個(gè)次級線(xiàn)圈中感應的電壓。從而產(chǎn)生一種非常精確的測量線(xiàn)性位移的裝置，其輸出與可移動(dòng)鐵芯的位置成正比。因此，其名稱(chēng)中的“線(xiàn)性可變”部分由此而來(lái)。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器

上圖顯示了LVDT的通用原理。當可移動(dòng)的軟鐵鐵磁芯位于兩個(gè)次級線(xiàn)圈的中心位置（“零位”）時(shí)，感應到兩個(gè)次級線(xiàn)圈中的初級磁通量完全相同。

由于兩個(gè)次級線(xiàn)圈的繞制相位相差180度，兩個(gè)次級繞組中感應的電動(dòng)勢相互抵消，因為VSEC1 = VSEC2，所以次級輸出電壓為零（VOUT = 0）。因此，零伏意味著(zhù)鐵芯完全位于其零位中心。

當鐵芯從零位稍微向一側或另一側移動(dòng)時(shí)，由于鐵磁芯的耦合效應，其中一個(gè)次級線(xiàn)圈中感應的磁通量會(huì )比另一個(gè)多。

這導致兩個(gè)次級線(xiàn)圈變得不平衡，因為遠離鐵芯的次級線(xiàn)圈中感應的電壓變小，而靠近鐵芯的次級線(xiàn)圈中感應的電壓變大。

兩個(gè)次級繞組之間的這種磁不平衡產(chǎn)生了與施加在初級激勵線(xiàn)圈繞組上的峰值電壓的正弦頻率相關(guān)的輸出電壓（VOUT）。

顯然，兩個(gè)次級輸出之間的差動(dòng)電壓，VSEC1 – VSEC2在一個(gè)方向上，VSEC2 – VSEC1在另一個(gè)方向上，將是RMS電壓乘以相移的余弦。因此，可移動(dòng)鐵芯從其中心零位向一端或另一端移動(dòng)的位移越大（其行程長(cháng)度），產(chǎn)生的輸出電壓就越大。

輸出信號的極性和大小取決于移動(dòng)鐵芯的位移方向和大小，而鐵芯的位移又由連接物體的運動(dòng)決定。這種位移產(chǎn)生了一個(gè)與鐵芯位置線(xiàn)性變化的差動(dòng)電壓輸出。

因此，這種位置傳感器的RMS輸出電壓既有“幅度”（它是鐵芯位移的線(xiàn)性函數），也有“極性”（表示運動(dòng)方向），如圖所示。

LVDT輸出電壓

從上面的位置-電壓圖中可以看出，當鐵芯從其范圍的一端通過(guò)中心位置移動(dòng)到另一端時(shí)，初級線(xiàn)圈與兩個(gè)次級線(xiàn)圈中的任何一個(gè)之間的磁耦合增加。輸出電壓從最大值變?yōu)榱?，然后在相反方向上再次變?yōu)樽畲笾?，其變化量與鐵芯從零點(diǎn)位移的距離有關(guān)。

這使得LVDT能夠產(chǎn)生一個(gè)交流輸出信號，其幅度表示從中心“零位”移動(dòng)的量，其相位角表示可移動(dòng)鐵芯的運動(dòng)方向。

將物體連接到鐵芯上，線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器傳感器可以提供關(guān)于物體位置的非常精確的信息。其范圍或行程可以從幾毫米到幾百毫米不等，因為它們的輸出被校準為每毫米產(chǎn)生特定的電壓，例如20或200 mV/mm。

也就是說(shuō)，鐵芯位移一毫米將產(chǎn)生200 mV的電壓輸出。如果將輸出電壓的相位角（0度或180度）與初級線(xiàn)圈激勵電壓的相位角（0度）進(jìn)行比較，可以知道鐵芯位于次級線(xiàn)圈的哪一半，從而知道運動(dòng)方向。

與基于電阻電位計的傳感器相比，可變差動(dòng)變壓器在位置測量方面具有許多優(yōu)勢和用途。LVDT具有非常好的線(xiàn)性度，即其電壓輸出與位移的關(guān)系非常好，精度高，分辨率好，靈敏度高，并且由于線(xiàn)圈和鐵芯之間沒(méi)有機械連接，因此操作無(wú)摩擦，沒(méi)有磨損的部件。

此外，其名稱(chēng)中的“變壓器”部分意味著(zhù)初級和次級繞組之間存在電氣隔離，從而允許更大的電氣連接性。

由于LVDT的初級、次級繞組和鐵芯之間唯一的相互作用是磁耦合，LVDT的初級和次級繞組通常密封在環(huán)氧樹(shù)脂封裝中，整個(gè)傳感器封裝在金屬外殼中，使其能夠在各種潮濕或惡劣的環(huán)境條件下安全使用。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器傳感器的典型用途主要是在工業(yè)應用中作為壓力傳感器，其中被測壓力推動(dòng)膜片產(chǎn)生線(xiàn)性運動(dòng)，該運動(dòng)由LVDT轉換為電壓信號，或用于檢測工具和量具中的機器人測量頭，其中LVDT的內部鐵芯裝有彈簧，使其能夠返回到某個(gè)預設的參考點(diǎn)。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器還有許多應用和用途，作為伺服或閉環(huán)控制系統中的零位傳感器，其中需要零位重復性。

LVDT示例1

一個(gè)線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器的行程長(cháng)度為±150mm，移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的分辨率為40mV/mm。確定：

a) LVDT的最大輸出電壓。

b) 當鐵芯從其零位移動(dòng)120mm時(shí)的輸出電壓。

c) 當輸出電壓為3.75伏時(shí)，鐵芯從中心的位置。

d) 當鐵芯從+80mm移動(dòng)到-80mm位移時(shí)，輸出電壓的變化。

因此：

a). 最大輸出電壓，VOUT

如果1mm的移動(dòng)產(chǎn)生40mV，那么150mm的移動(dòng)產(chǎn)生：

b). 鐵芯位移120mm時(shí)的VOUT

如果150mm的鐵芯位移產(chǎn)生6伏的輸出，那么120mm的移動(dòng)產(chǎn)生：

LVDT電壓位移

c). 當VOUT = 3.75伏時(shí)，鐵芯的位置

LVDT鐵芯位移

d). 從+80mm到-80mm位移時(shí)的電壓變化

LVDT電壓變化

因此，當鐵芯從+80mm移動(dòng)到-80mm時(shí)，輸出電壓從+3.2伏變?yōu)?3.2伏。

位移傳感器有許多長(cháng)度和尺寸，用于測量幾毫米到長(cháng)行程的位移。雖然LVDT能夠測量直線(xiàn)運動(dòng)，但有一種LVDT的變體可以測量角運動(dòng)，稱(chēng)為旋轉可變差動(dòng)變壓器或RVDT。

旋轉可變差動(dòng)變壓器

基于電位計的傳感器易于使用，但電阻電位計由于滑動(dòng)觸點(diǎn)與其電阻軌道之間的接觸而遭受機械磨損，并且在觸點(diǎn)沿電阻軌道滑動(dòng)和彈跳時(shí)會(huì )產(chǎn)生電噪聲。旋轉可變差動(dòng)變壓器的工作原理與之前的LVDT相同，只是使用了旋轉鐵磁芯。

在這里，變壓器的鐵芯不是直的，而是形成一個(gè)圓的一部分（與環(huán)形變壓器相同），這使得傳感器能夠測量連接物體的角位移。RVDT的可移動(dòng)鐵磁芯根據其角位置與次級線(xiàn)圈耦合，從而允許測量角位移。

RVDT的電氣操作與線(xiàn)性版本完全相同，因為它基于改變初級和次級線(xiàn)圈之間的互感耦合。初級線(xiàn)圈仍然由交流激勵電流驅動(dòng)（通常在千赫茲，kHz范圍內），該電流在每個(gè)串聯(lián)反向的次級線(xiàn)圈中感應出交流電流?？梢苿?dòng)的鐵磁芯在體內旋轉而不是滑動(dòng)。

旋轉可變差動(dòng)變壓器的主要缺點(diǎn)之一是它只能在相對較窄的角旋轉范圍內工作。盡管理論上它們能夠進(jìn)行連續旋轉和速度測量，但典型的RVDT輸出僅在其零位（0度）附近約±60度或更小的范圍內真正線(xiàn)性。

這主要是由于磁耦合的限制，超過(guò)這個(gè)范圍，輸出信號開(kāi)始變得非線(xiàn)性且不太有用。此外，它們的靈敏度比線(xiàn)性版本小得多，每度旋轉產(chǎn)生約2到5mV。

線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器總結

在本教程中，我們已經(jīng)看到線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器是一種位置傳感器，用于測量從幾毫米到幾百毫米的小線(xiàn)性（直線(xiàn)）位移。LVDT沒(méi)有直接的滑動(dòng)機械接觸或移動(dòng)部件磨損，因此幾乎無(wú)摩擦，與電阻線(xiàn)性電位計型位移傳感器相比，提供了更好的電氣性能和壽命。

LVDT由一個(gè)變壓器組成，該變壓器具有一個(gè)初級繞組和兩個(gè)次級繞組，這兩個(gè)次級繞組在電氣上相差180度。LVDT還包括一個(gè)可移動(dòng)的鐵芯。當鐵芯位于其中心位置時(shí)，兩個(gè)次級繞組中感應的電壓相等且相反，輸出信號為零。

當鐵芯從其中心位置移動(dòng)時(shí)，一半次級繞組中感應的電壓將大于另一半，產(chǎn)生一個(gè)信號，其幅度與線(xiàn)性位移量成正比，其相位表示運動(dòng)方向。

因此，LVDT產(chǎn)生一個(gè)與鐵芯位置線(xiàn)性變化的差動(dòng)電壓輸出，當鐵芯從零位的一側移動(dòng)到另一側時(shí)，輸出電壓的相位角變化180度。

如果LVDT內部鐵芯的測量位移從線(xiàn)性運動(dòng)變?yōu)樾D或角運動(dòng)，則該設備變?yōu)樾D可變差動(dòng)變壓器（RVDT）。然而，RVDT的輸出信號在相對較小的角旋轉范圍內真正線(xiàn)性，不適合測量完整的360度旋轉。