线性可变差动变压器

线性可变差动变压器是一种非常精确且无摩擦的位置传感器，用于测量物体的线性位移，其输出电压与可移动铁芯的位置成正比。

线性可变差动变压器，简称LVDT，是一种机电位置传感器，能够提供关于外力或物体线性机械位置的精确且无摩擦的位置反馈信息。

顾名思义，线性可变差动变压器的工作原理与交流变压器相同，但它不是提供负载电流或高电压，而是利用互感的基本变压器原理来测量线性运动。

在我们关于互感的教程中，我们看到当两个或多个长螺线管线圈绕在同一骨架或铁芯上时，任何一个线圈产生的磁通量都会与其他线圈的磁通量相互耦合，驱动线圈产生的磁通量会增强或抵消其他线圈产生的磁通量。

因此，流过一个线圈的任何交流电流都会在磁耦合的其他线圈中感应出电压，这就是LVDT的基本原理。

线性可变差动变压器

LVDT是一种无源电感传感器，需要外部电源才能工作。它使用线圈和交变磁场来产生模拟输出电压，使其成为一种可变电感传感器。因此，“线性可变差动变压器”用于测量沿线性轴的距离。

典型的线性可变差动变压器传感器

LVDT由三个独立的线圈组成，这些线圈依次绕在一个中空的非磁性绝缘管上。其中一个磁性线圈被称为初级线圈，其他两个线圈形成两个相同的次级线圈。

两个次级线圈以串联反向的方式连接在一起，即它们在电气上相差180度。因此，其名称中的“差动”部分由此而来。

LVDT的单个位于中心的初级线圈由一个频率在1kHz到10kHz之间的恒定交流正弦波形源供电。初级绕组产生的磁通量通过铁芯耦合到位于其两侧的两个次级线圈中的一个或两个。

这种布置产生了一个与铁芯位移成正比的差动输出电压，因此它也被称为“位移传感器”。线性可变差动变压器由一个初级激励线圈和两个以“串联反向”方式连接的次级线圈组成。

一个软铁铁磁芯，称为“铁芯”、“滑块”、“柱塞”或“电枢”，可以在中心空心管内自由直线移动，这是连接物体位移的直接结果。这会增加或减少初级线圈和次级线圈之间的互感。

由于线圈的磁耦合，铁芯的移动会依次增加或减少每个次级线圈中感应的电压。从而产生一种非常精确的测量线性位移的装置，其输出与可移动铁芯的位置成正比。因此，其名称中的“线性可变”部分由此而来。

线性可变差动变压器

上图显示了LVDT的通用原理。当可移动的软铁铁磁芯位于两个次级线圈的中心位置（“零位”）时，感应到两个次级线圈中的初级磁通量完全相同。

由于两个次级线圈的绕制相位相差180度，两个次级绕组中感应的电动势相互抵消，因为VSEC1 = VSEC2，所以次级输出电压为零（VOUT = 0）。因此，零伏意味着铁芯完全位于其零位中心。

当铁芯从零位稍微向一侧或另一侧移动时，由于铁磁芯的耦合效应，其中一个次级线圈中感应的磁通量会比另一个多。

这导致两个次级线圈变得不平衡，因为远离铁芯的次级线圈中感应的电压变小，而靠近铁芯的次级线圈中感应的电压变大。

两个次级绕组之间的这种磁不平衡产生了与施加在初级激励线圈绕组上的峰值电压的正弦频率相关的输出电压（VOUT）。

显然，两个次级输出之间的差动电压，VSEC1 – VSEC2在一个方向上，VSEC2 – VSEC1在另一个方向上，将是RMS电压乘以相移的余弦。因此，可移动铁芯从其中心零位向一端或另一端移动的位移越大（其行程长度），产生的输出电压就越大。

输出信号的极性和大小取决于移动铁芯的位移方向和大小，而铁芯的位移又由连接物体的运动决定。这种位移产生了一个与铁芯位置线性变化的差动电压输出。

因此，这种位置传感器的RMS输出电压既有“幅度”（它是铁芯位移的线性函数），也有“极性”（表示运动方向），如图所示。

LVDT输出电压

从上面的位置-电压图中可以看出，当铁芯从其范围的一端通过中心位置移动到另一端时，初级线圈与两个次级线圈中的任何一个之间的磁耦合增加。输出电压从最大值变为零，然后在相反方向上再次变为最大值，其变化量与铁芯从零点位移的距离有关。

这使得LVDT能够产生一个交流输出信号，其幅度表示从中心“零位”移动的量，其相位角表示可移动铁芯的运动方向。

将物体连接到铁芯上，线性可变差动变压器传感器可以提供关于物体位置的非常精确的信息。其范围或行程可以从几毫米到几百毫米不等，因为它们的输出被校准为每毫米产生特定的电压，例如20或200 mV/mm。

也就是说，铁芯位移一毫米将产生200 mV的电压输出。如果将输出电压的相位角（0度或180度）与初级线圈激励电压的相位角（0度）进行比较，可以知道铁芯位于次级线圈的哪一半，从而知道运动方向。

与基于电阻电位计的传感器相比，可变差动变压器在位置测量方面具有许多优势和用途。LVDT具有非常好的线性度，即其电压输出与位移的关系非常好，精度高，分辨率好，灵敏度高，并且由于线圈和铁芯之间没有机械连接，因此操作无摩擦，没有磨损的部件。

此外，其名称中的“变压器”部分意味着初级和次级绕组之间存在电气隔离，从而允许更大的电气连接性。

由于LVDT的初级、次级绕组和铁芯之间唯一的相互作用是磁耦合，LVDT的初级和次级绕组通常密封在环氧树脂封装中，整个传感器封装在金属外壳中，使其能够在各种潮湿或恶劣的环境条件下安全使用。

线性可变差动变压器传感器的典型用途主要是在工业应用中作为压力传感器，其中被测压力推动膜片产生线性运动，该运动由LVDT转换为电压信号，或用于检测工具和量具中的机器人测量头，其中LVDT的内部铁芯装有弹簧，使其能够返回到某个预设的参考点。

线性可变差动变压器还有许多应用和用途，作为伺服或闭环控制系统中的零位传感器，其中需要零位重复性。

LVDT示例1

一个线性可变差动变压器的行程长度为±150mm，移动时产生的分辨率为40mV/mm。确定：

a) LVDT的最大输出电压。

b) 当铁芯从其零位移动120mm时的输出电压。

c) 当输出电压为3.75伏时，铁芯从中心的位置。

d) 当铁芯从+80mm移动到-80mm位移时，输出电压的变化。

因此：

a). 最大输出电压，VOUT

如果1mm的移动产生40mV，那么150mm的移动产生：

b). 铁芯位移120mm时的VOUT

如果150mm的铁芯位移产生6伏的输出，那么120mm的移动产生：

LVDT电压位移

c). 当VOUT = 3.75伏时，铁芯的位置

LVDT铁芯位移

d). 从+80mm到-80mm位移时的电压变化

LVDT电压变化

因此，当铁芯从+80mm移动到-80mm时，输出电压从+3.2伏变为-3.2伏。

位移传感器有许多长度和尺寸，用于测量几毫米到长行程的位移。虽然LVDT能够测量直线运动，但有一种LVDT的变体可以测量角运动，称为旋转可变差动变压器或RVDT。

旋转可变差动变压器

基于电位计的传感器易于使用，但电阻电位计由于滑动触点与其电阻轨道之间的接触而遭受机械磨损，并且在触点沿电阻轨道滑动和弹跳时会产生电噪声。旋转可变差动变压器的工作原理与之前的LVDT相同，只是使用了旋转铁磁芯。

在这里，变压器的铁芯不是直的，而是形成一个圆的一部分（与环形变压器相同），这使得传感器能够测量连接物体的角位移。RVDT的可移动铁磁芯根据其角位置与次级线圈耦合，从而允许测量角位移。

RVDT的电气操作与线性版本完全相同，因为它基于改变初级和次级线圈之间的互感耦合。初级线圈仍然由交流激励电流驱动（通常在千赫兹，kHz范围内），该电流在每个串联反向的次级线圈中感应出交流电流。可移动的铁磁芯在体内旋转而不是滑动。

旋转可变差动变压器的主要缺点之一是它只能在相对较窄的角旋转范围内工作。尽管理论上它们能够进行连续旋转和速度测量，但典型的RVDT输出仅在其零位（0度）附近约±60度或更小的范围内真正线性。

这主要是由于磁耦合的限制，超过这个范围，输出信号开始变得非线性且不太有用。此外，它们的灵敏度比线性版本小得多，每度旋转产生约2到5mV。

线性可变差动变压器总结

在本教程中，我们已经看到线性可变差动变压器是一种位置传感器，用于测量从几毫米到几百毫米的小线性（直线）位移。LVDT没有直接的滑动机械接触或移动部件磨损，因此几乎无摩擦，与电阻线性电位计型位移传感器相比，提供了更好的电气性能和寿命。

LVDT由一个变压器组成，该变压器具有一个初级绕组和两个次级绕组，这两个次级绕组在电气上相差180度。LVDT还包括一个可移动的铁芯。当铁芯位于其中心位置时，两个次级绕组中感应的电压相等且相反，输出信号为零。

当铁芯从其中心位置移动时，一半次级绕组中感应的电压将大于另一半，产生一个信号，其幅度与线性位移量成正比，其相位表示运动方向。

因此，LVDT产生一个与铁芯位置线性变化的差动电压输出，当铁芯从零位的一侧移动到另一侧时，输出电压的相位角变化180度。

如果LVDT内部铁芯的测量位移从线性运动变为旋转或角运动，则该设备变为旋转可变差动变压器（RVDT）。然而，RVDT的输出信号在相对较小的角旋转范围内真正线性，不适合测量完整的360度旋转。