电子发烧友网报道(文/李宁远)各种机械控制系统里位置传感器绝对是必不可少的,从工业自动化的过程控制领域,到汽车电驱控制领域,到军事及航空航天领域,精密的控制系统总是少不了高精的位置传感器。编码器、AMR、GMR、TMR、霍尔、LVDT都是我们经常提到的位置传感器。LVDT是一类直线位移传感器,由线圈、铁芯等部件组成的机电传感器。其全名是线性可变差动变压器,因为它的两个次级绕组通常以反向串联这种差动的方式连接。
交流与直流LVDT
LVDT有交流和直流之分,交流供电LVDT线性位移传感器是不包含任何内置调节电路的,需要另外配置外部振荡器、载波放大器或解调器和滤波器才能工作。交流供电LVDT线性位移传感器根据不同的制造材料,能够适应很宽的工作温度范围,甚至是完全超出直流供电LVDT的温度范围,比如<20℃这种极端温度。理论上来说,只要器件的材料选取合适,交流供电 LVDT 可以在-200℃的温度下工作。没有内置调节电路的交流LVDT,在封装尺寸上限制也比较少,能够在结构上做得更为紧凑,在很多空间受限的地方使用。而且因为没有内置调节电路,这种非接触式的交流LVDT的使用寿命会更长,不管是电气寿命还是机械寿命,另一方面这也展示出它较强的抗振抗冲击能力。直流供电LVDT线性位移传感器在交流供电LVDT的基础上内置了一个载波生成器/信号调节模块,在保留交流LVDT的特性同时有直流操作的简单性。和交流LVDT相比,直流LVDT有预先校准的模拟/数字输出信号,是不需要额外的信号调节设备的。多数直流LVDT会集成误差补偿,不需要校准或依赖放大设备的LVDT在使用上更为便捷。在牺牲了一定电气和机械寿命、一定的抗冲击可靠性以及一定的工作范围后,直流LVDT得到的是更简单更直接的输出,还稍微降低了系统的成本。值得一提的是直流LVDT能够选择回路供电,由于电流信号不会衰减, 4-20 mA回路供电的直流LVDT能够在电缆长度极长的远程应用里发挥出极大作用。温度与LVDT
虽然LVDT一直是各类应用中可靠的位置反馈工具,但是它也很容易受到温度影响。温度的变化会以两种不同方式影响 LVDT 的输出信号,包括机械膨胀和 LVDT 电气属性的变化。机械膨胀会影响铁芯与绕组,让传感器产生错误的信号;温度也可能直接改变铁芯的磁属性,让整个传感器的电气属性发生变化,进而让测得数据发生错误。一般来说,直接影响到LVDT铁芯的情况很少,在常见的温度范围内这种变化可以忽略。只有在极端环境温度里,这种改变材料磁属性的情况才会比较棘手。现在一些新的制造技术和材料也使 LVDT 能够在严苛环境中工作,这种LVDT不仅使用了特殊制造材料,还采用了特殊的高熔点焊接,否则无法抗衡零下几百度的环境对材料的改变。上面我们也说过,交流LVDT可覆盖的工作温度是远超直流LVDT的,这是因为在传感器主体内部包含电子设备的直流供电 LVDT 会受到电子信号调节模块中的材料属性的限制,没办法像交流LVDT那样只需要保证自身的可靠性。如何选择LVDT?
合适的LVDT需要确定其应用条件,虽然LVDT是线性传感器,但是很多应用不是理想的线性运动,会包含一些侧向移动。这时候弹簧装载式LVDT是更合适的选择,它能够完美地解决不太完美的线性运动测量。对于线性阀门位置测量这种比较固定的应用,铁芯分离式 LVDT则更为合适。铁芯分离包括一个由透磁性材料组成的独立管状电枢,可在线圈的中空孔内沿轴向自由移动,并通过机械方式耦合到需测量位置的物体上。这意味着这个纤芯可自由活动,在工作过程中不会产生摩擦,而且这种相对简单的运动检测成本也比上面弹簧装载式的低。各种环境因素也影响了对LVDT材质的选择,比如在化学性较强的环境里,普通的不锈钢材质就不适用了,需要专用合金来增强LVDT的耐化学性。在大多数常见的应用里,对工作温度没有高要求的情况里,简捷的直流供电LVDT都更加方便,在内部进行信号调节,又能消除外部交流励磁的数量、重量和成本。小结
LVDT整个过程无摩擦的操作,在材料测试、振动位移测量和高分辨率尺寸测量系统中尤其有用。作为一类能提高高精度位置检测的传感器,通过简单地增加几个外部无源元件以设置环路带宽、激励频率和增益也能很轻易地增加LVDT的灵活性,大大拓展这种高精传感的用途。
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