什么是LVDT差動(dòng)變壓式位移傳感器
來(lái)源：什么是LVDT差動(dòng)變壓式位移傳感器 發(fā)布于：2020-9-15 10:36:08 瀏覽：5150
什么是LVDT?
LVDT線(xiàn)性差動(dòng)變壓式位移傳感器詳細介紹
LVDT 是Linear Variable Differential Transformer （線(xiàn)性差動(dòng)變壓器）的縮寫(xiě)，為機電轉換器的一種。LVDT 可以將一個(gè)對象之直線(xiàn)運動(dòng)的機械變化量轉換成相對應的電子信號。LVDT 線(xiàn)性位置傳感器（LVDT位移傳感器），可測量之位移量小至幾百萬(wàn)分之一英吋至幾英吋，但也可以測量至±20 英吋的位移量。
圖-1
圖-1 所示是一個(gè)典型LVDT位移傳感器之構成組件。變壓器的內部結構，包含了一個(gè)置于一對且相同之次級線(xiàn)圈中間的初級線(xiàn)圈，此初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈之間具有對稱(chēng)的行間。這些線(xiàn)圈是纏繞在一個(gè)中空之熱塑性玻璃纖維的強化型聚合物上，為了能夠防潮，再包上一層高透磁性的隔離物，然后密封在一個(gè)圓柱形之不銹鋼管內。此線(xiàn)圈組合通常是位置傳感器的必備組件。
LVDT 的可動(dòng)組件是一個(gè)具透磁性之管狀鐵心，此鐵心可以在中空成型之線(xiàn)圈內自由移動(dòng)，并和欲測量位置之對象結合在一起。線(xiàn)圈之孔徑是大到將鐵心置于其內時(shí)，仍能提供有效之間隙，使得鐵心與線(xiàn)圈之間沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的接觸。
在使用上，我們是將一定頻率之交流電加在初級線(xiàn)圈上，也就是所謂的初級激磁。LVDT 的輸出信號就是兩組次級線(xiàn)圈之間的交流電壓差，此電壓差會(huì )隨著(zhù)鐵心在線(xiàn)圈內之位置而改變。通常為了方便使用，此交流輸出電壓會(huì )再經(jīng)由電子回路的處理，轉換為高準位的直流電壓或電流。
LVDT位移傳感器如何動(dòng)作?
圖-2
圖-2 說(shuō)明什么當LVDT位移傳感器的鐵心在不同位置時(shí)，會(huì )發(fā)生什么情形。LVDT 的初級線(xiàn)圈（P）被2.5KHz～ 5KHz 之交流電源激磁以后，所產(chǎn)生的磁通量會(huì )經(jīng)由鐵心耦合至鄰近的次級線(xiàn)圈S1和S2。假如鐵心是位于S1 和S2的中間，相同的磁通量會(huì )耦合至二次側。所以，在每一個(gè)線(xiàn)圈所感應出的電壓E1 和E2 也會(huì )相等。所以，當鐵心位于中心點(diǎn)時(shí)，也就是所謂的原點(diǎn)，輸出的電壓差（E1 -E2）應該等于零。
圖-3
圖-3 顯示輸出電壓差Eout 之大小會(huì )隨著(zhù)鐵心的位置而改變。鐵心從原點(diǎn)至最大位移量之Eout 的電壓值，視初級激磁電壓大小，以及LVDT 本身之靈敏度而定，通常是幾個(gè)Vrms 。和初級激磁電壓有關(guān)之AC 輸出電壓Eout 的相位角，在鐵心位于原點(diǎn)時(shí)，是一個(gè)常數。如圖-4所示，原點(diǎn)位置之相位角的變化呈現陡峭地180 度。
配合適當的回路，可以利用此180度的相位移來(lái)判斷鐵心離開(kāi)原點(diǎn)之位移方向。如圖-5 所示，輸出信號的極性代表鐵心位置和原點(diǎn)之間的相對關(guān)系。此圖亦顯示出，鐵心在LVDT 的額定量測范圍內移動(dòng)時(shí)，其輸出信號是非常的線(xiàn)性。若要超出額定量測之范圍來(lái)使用也可以，但是輸出信號之線(xiàn)性度會(huì )降低。
配合LVDT 的電子回路
雖然LVDT 是變壓器的一種，但是需要一個(gè)固定振幅及頻率的AC 電源才能正常地操作。此電源和一般所知的AC 電源不同，通常是3Vrms @2.5kHz ～ 3．0kHz 。供給LVDT 所需之激磁電源，是一般我們所知之LVDT 信號放大器所具備的功能之一。其他的功能包括將LVD T 的低準位AC 輸出電壓轉換為高準位的DC 信號，在使用上會(huì )比較方便。另外，當LVDT 的鐵心通過(guò)原點(diǎn)時(shí)，利用相位檢出器可從180 度的相位移來(lái)判斷鐵心移動(dòng)的方向，以及輸出信號的零點(diǎn)準位調整。圖-6 所示為右側內含放大器之DC LVDT 的剖面圖，放大電路之模塊應有封膠保護，但為了說(shuō)明起見(jiàn)，未顯示出來(lái)。
為什么要采用LVDT位移傳感器？
由于LVDT位移傳感器本身操作之基本物理原理或本身結構所采用之材料及技術(shù)，因而具備某些特性和優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)摩擦操作
LVDT 最重要的特性之一就是無(wú)摩擦操作。在一般的操作之下，LVDT 的鐵心和線(xiàn)圈組件結構之間沒(méi)有機械式的接觸，如摩擦、拖曳或其他可造成摩擦之因素。此特性在材料測試，振動(dòng)位移測量以及高分辨率尺寸測量系統特別有用。
分辨率無(wú)限大
因為L(cháng)VDT 是利用無(wú)摩擦結構之電磁耦合原理的方式操作，所以能夠測量極微小之鐵心位置的變化量。此無(wú)限解析之能力，只受限于LVDT 信號放大器的分辨率和輸出顯示器的位數。因而，LVDT 亦具有極佳之重復性。
機械壽命無(wú)限長(cháng)
通常LVDT 的鐵心和線(xiàn)圈組件結構之間沒(méi)有接觸，所以，沒(méi)有任何組件彼此之間會(huì )相互摩擦或磨損，此意味著(zhù)LVDT 具有無(wú)機械壽命限制之特性。此特性在高信賴(lài)度要求之應用方面，如航空器、衛星、太空飛行器以及核能設備安裝等，特別的重要。另外，在很多工業(yè)過(guò)程控制以及工廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統方面，對此特性也有高度的需求。
不會(huì )因為超出量測范圍而受損
大部分LVDT 的內膛兩端是沒(méi)有封閉的。若因操作不慎，超出其額定之量測行程，鐵心會(huì )完全通過(guò)傳感器的線(xiàn)圈組件結構，并不會(huì )造成任何的損壞。這種不因超出位移行程而破壞之特性，使得LVDT 在材料破壞測試設備方面，如附著(zhù)于測試組件以便測試其張力之張力計，是一個(gè)很理想的傳感器,參考HSTA750系列。
單軸感應
LVDT 只對鐵心沿著(zhù)線(xiàn)圈的軸線(xiàn)運動(dòng)會(huì )有反應，而通常對于鐵心橫向交叉軸的運動(dòng)或鐵心的徑向位置是不感應的。所以，對于非準線(xiàn)安裝或漂浮移動(dòng)的應用場(chǎng)合，以及當LVDT 的移動(dòng)并不是很精確的呈一直線(xiàn)時(shí)，LVDT 仍能正常的工作，而不會(huì )有任何反效果。
可分離之線(xiàn)圈及鐵心
因為在LVDT 的鐵心和線(xiàn)圈組件之間，只有磁耦合的交互作用，所以在鐵心和內膛的管壁之間可以插入非磁性的管子，而將鐵心和線(xiàn)圈組件隔離。利用這種作法，可以將加壓之流體封裝在隔離用之管子內，那么當線(xiàn)圈組件被釋壓時(shí)，鐵心便會(huì )自由移動(dòng)。在油壓系統之比例閥或伺服閥，做為線(xiàn)軸位置回授用之LVDT，常常利用此特性，參考HSIR750系列。
耐環(huán)境特性佳
LVDT 因為所采用之材料以及組裝結構的技術(shù)，是一種非常堅固耐用的傳感器，可適用于各種不同的操作環(huán)境。線(xiàn)圈繞組以環(huán)氧樹(shù)脂封裝之后，放入不銹鋼管內，可達到極佳之防潮防濕的效果，而且耐振性及耐沖擊性佳。此外，由于內部的高透磁性屏蔽，使得受外部AC 磁場(chǎng)效應的影響降到最低。
外殼及鐵心皆是采用防腐蝕之金屬材料，而且外殼也有增強隔絕磁場(chǎng)的效果。在某些應用場(chǎng)合，當傳感器必須暴露于易燃或腐蝕性之蒸汽及液體，或加壓之流體下來(lái)操作時(shí)，可以利用各種熔接加工處理方法，將外殼和線(xiàn)圈組件結構整個(gè)完全密封起來(lái)。
通常LVDT 適用的操作溫度范圍非常的寬廣，但是，若有需要，也可特別訂制而專(zhuān)門(mén)應用于低溫的環(huán)境?；蛘卟捎锰厥獾牟牧?，可適用于像核子反應爐等需要耐高溫及輻射的應用場(chǎng)合。
零點(diǎn)重復性
LVDT 本身的零點(diǎn)位置是非常的穩定，而且重復性高，即使超出其適用之操作溫度范圍，亦是如此。此特性使得LVDT 在閉回路控制系統以及高性能伺服平衡儀器方面的應用，是一個(gè)很好的零點(diǎn)位置傳感器。
快速動(dòng)態(tài)反應
在一般的操作情況下，此無(wú)摩擦之特性，使得LVDT 能夠很快的反應出鐵心位置的變化量。LVDT 本身的動(dòng)態(tài)反應，僅受限于鐵心之微小質(zhì)量的慣性效應。通常，LVDT 感應系統的反應速度，是取決于放大器的特性。
絕對值輸出
LVDT 是一個(gè)絕對值輸出組件，不同于增量型的輸出組件。此意味著(zhù)，即使電源關(guān)閉時(shí)，LVDT 送出的位置數據并不會(huì )消失。
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