浅谈LVDT位移传感器的构成原理及特点

中心议题：
    *  介绍LVDT位移传感器的构成原理、特点
    *  列举常见的LVDT位移传感器

前言

LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变差动变压器缩写，简单地说是铁芯可动变压器。所以，LVDT位移传感器也可称之为LVDT差动变压器式位移传感器，它由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之 差与铁芯移动成线性关系（位移传感器的种类）。电子器件设计者就是利用这一原理制造出LVDT位移传感器。那么，什么是LVDT位移传感器呢（什么是位移传感器）?如图所示，即为常见的LVDT位移传感器。


常见的LVDT位移传感器

LVDT差动变压器式位移传感器的构成原理：

LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成，如图所示。


LVDT差动变压器式位移传感器的构成

当初级线圈 P1，P2 之间供给一定频率的交变电压时，铁芯在线圈内移动改变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈 S11，S22 之间就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应 电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出，由于两个次级线圈 电压极性相反, ,输出电压为差动电压。

当铁芯往右移动时，次级线圈 2 感应的电压大于次级线圈 1;当铁芯往左移动时，次级线圈 1 感应的电压大于次级线圈 2，两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而成线性变化。

初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0;当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。

为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。

LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。

1.无摩擦测量

LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触， 也就是说 LVDT 是没有摩擦 的部件。 它被用于可以承受轻质铁芯负荷， 但无法承受摩擦负荷的重要测量。 例 如，精密材料的冲击挠度或振动测试， 纤维或其它高弹材料的拉伸或蠕变测试。

2.无限的机械寿命

由于 LVDT 的线圈及其铁芯之间没有摩擦和接触，因此不会产生任何磨 损。这样 LVDT 的机械寿命，理论上是无限长的。在对材料和结构进行疲劳测试 等应用中，这是极为重要的技术要求。此外，无限的机械寿命对于飞机、导弹、宇宙飞船以及重要工业设备中的高可靠性机械装置也同样是重要的。

3.无限的分辨率

LVDT 的无摩擦运作及其感应原理使它具备两个显著的特性。 第一个特性是具 有真正的无限分辨率。 这意味着 LVDT 可以对铁芯最微小的运动作出响应并生成 输出。外部电子设备的可读性是对分辨率的唯一限制。

4.零位可重复性

LVDT 构造对称，零位可回复。LVDT 的电气零位可重复性高，且极其稳定。用在闭环控制系统中，LVDT 是非常出色的电气零位指示器。

5.径向不敏感

LVDT 对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。这样，LVDT 可以 用于测量不是按照精准直线运动的物体，例如，可把 LVDT 耦合至波登管的末端 测量压力。

6.输入/输出隔离

LVDT 被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入(初级)和输出(次级)是 完全隔离的。LVDT 无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号元件。 在要求信号线与电源地线隔离的测量和控制回路中，它的使用非常方便。

7.坚固耐用

制造 LVDT 所用的材料以及接合这些材料所用的工艺使它成为坚固耐用 的变送器。即使受到工业环境中常有的强大冲击、巨幅振动，LVDT 也能继续发 挥作用。铁芯与线圈分离 LVDT 铁芯与线圈彼此分离，在铁芯和线圈内壁间插入非磁性隔离物，可以把加压的、 腐蚀性或碱性液体与线圈组隔离开。这样，线 圈组实现气密封， 不再需要对运动构件进行动态密封。 对于加压系统内的线圈组， 只需使用静态密封即可。

8.环境适应性

LVDT 是少数几个可以在多种恶劣环境中工作的变送器之一。例如，密封型 LVDT 采用不锈钢外壳，可以置于腐蚀性液体或气体中。有时，LVDT 被要求在极端恶劣的环境下工作。例如，在类似液氮的低温环境中或核辐射环境。虽然在大 多数情况下，LVDT 具有无限的工作寿命(理论上) ，置于恶劣环境下的 LVDT，工作寿命却因环境不同而各不相同。

9.LVDT 与光栅，磁栅，等高精度测长仪器相比有以下几个优点缺点：

优点：动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。光栅、 磁栅等测量速度一般为 1.5m/s 以内，只能用于静态测量。 LVDT 可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用。 可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压，高温，耐辐射，全密土封在水下工作。 可靠性非常好，能承受冲击达 150g/11ms ，振动频率 2KHZ 加速度 20g。体 积小，价格低，性能价格比高。

总结

LVDT线性差动变压器式位移传感器主要用于测量如位移、距离、伸长、移动、厚度、膨胀、液位、应变、压缩、重量等各种物理量。在航天、航空、电力、石油化工、机械、军工、纺织、汽车、煤炭、地震监测、高等院校及科研院所等领域有着广泛的应用。本文主要介绍了LVDT位移传感器的工作原理、特点等基础知识。