线性可变差动变压器 （LVDT） 简介

正在寻找LVDT的介绍？本文将介绍LVDT基础知识，包括结构、电路、传递函数、线性范围、灵敏度等。

线性可变差动变压器（LVDT）是一种机电换能器，可感测磁芯的机械位移并在输出端产生成比例的交流电压。高分辨率（理论上是无限）、高线性度（0.5%或更好）、高灵敏度和零机械摩擦是LVDT器件的一些重要特性。

在本文中，我们将介绍LVDT的结构和工作原理。我们还将研究这些传感器的三个重要参数：线性范围、线性误差和灵敏度。

LVDT的结构

图1显示了基本LVDT的剖面图和电路模型。它由一个初级绕组组成，通过可移动磁芯耦合到两个次级绕组。当磁芯移动时，初级绕组和每个次级绕组之间的磁耦合也会相应变化。这会在两个绕组上产生与位置相关的电压信号，可用于确定物体的位置。

图 1（a）。 LVDT 的剖面图。图片由 霍尼韦尔

图 1（b）。 LVDT的电路模型

两个次级绕组是串联对置的，这意味着它们串联连接，但绕组方向相反。磁芯通常通过非铁磁棒连接到正在测量运动的物体上，线圈组件通常固定在固定形式上。

它是如何工作的？

图2显示了完美居中的内核如何理想地产生零输出。输入由适当频率的交流电压激励（V执行）。由于两个次级线圈对称缠绕在初级线圈的两侧，因此中心磁芯导致从初级到两个次级的磁耦合相等。当次级绕组串联相反时，将在两个次级绕组上感应出极性相反的相等电压（VS1= -VS2）。因此，两个绕组的电压将抵消，我们将得到零（V外 = 0）。

图2. LVDT具有完美居中的核心

如图3所示，当磁芯向上移动时，初级和第一个次级之间的耦合变得更强。这导致与第二个次级（|相比，第一个次级上的交流电压更大VS1|》|VS2|）和非零输出 （V外）。请注意，输出与 V 同相S1 但它的振幅相对较小。

对于图3所示的示例，输出最好与V同相执行 当核心经历向上位移时。

图3. 核心向上移动的LVDT

磁芯向下位移的典型波形如图4所示。

图4. 核心向下移动的LVDT

在这种情况下，初级和第二次级之间的磁耦合增加导致|VS2|》 |VS1|。如您所见，我们将有一个非零 V外理想情况下，相对于激励电压的错相为180°。

传递函数

图5显示了典型LVDT的传递函数。x 轴是核心从中心的位置位移。y 轴是输出交流电压的幅度。

图5. 图片由Ramón Pallás-Areny和John G. Webster提供， 传感器和信号调理

在原点 （x =0），输出理想情况下为零。当磁芯在任一方向上偏离中心时，输出的幅度随磁芯位移线性增加。请注意，仅测量输出幅度，我们无法确定磁芯是向左还是向右移动。我们需要知道输出的幅度和相位。

线性范围

如图5所示，LVDT仅在有限的磁芯位移范围内表现出线性传递函数。这被指定为 LVDT 的线性范围。

为什么设备不再具有超出此范围的线性关系？

我们可以想象，当从零点位置的磁芯位移超过某个值时，从初级绕组耦合到磁芯的磁通量就会减少。因此，这导致相应次级绕组上出现的电压降低。在具有线性传递函数的情况下，磁芯从其零点位置可以行进的最大距离称为满量程位移。

LVDT种类繁多，位移范围低至±100 μm至±25 cm.能够测量更大范围的LVDT也可用于实验室、工业和潜水环境。

线性误差

即使在线性范围内，LVDT输出与磁芯位移的关系图也不是一条完美的直线。输出可以略微偏离构造的直线，以便与输出数据进行最佳拟合。

在器件的标称线性范围内可能导致非线性的一种机制是磁性材料的饱和。即使磁芯处于零点位置，这也会产生三次谐波分量。这种谐波可以通过对LVDT输出施加低通滤波器来抑制。

LVDT输出与预期直线拟合的最大偏差被视为线性误差。线性误差通常表示为全范围输出的+/-百分比。例如， E-100 LVDT 来自Measurement Specialties， Inc. 的最大线性误差为满量程范围的 ±0.5%。

敏感性

灵敏度或传输比使我们能够将输出电压与磁芯位移相关联。为了确定灵敏度，我们在推荐的驱动级别（3 V有效值 用于 E-100LVDT），并通过满量程位移将磁芯移离零位置。现在，我们测量两个次级绕组上的电压以找到总输出电压（V外）。将这些值代入下式，我们可以找到LVDT灵敏度：

灵敏度通常以每千分之一英寸磁芯位移 （mV/V/mil） 每伏激励的毫伏输出来指定。例如，E-100的灵敏度为2.4mV/V/mil。有了灵敏度，我们可以确定信号调理电路所需的增益。

LVDT是一种机电换能器，可用于感测物体的机械位移。高分辨率（理论上是无限）、高线性度（0.5%或更好）、高灵敏度和零机械摩擦是LVDT器件的一些重要特性。