LVDT位移传感器的原理是什么？
罗罗日记2021-05-11 12:42
在机械设备的运动轴中，最常见的是直线运动。
对于直驱，我们一般用直线位移传感器，比如光栅尺来检测运动部件的位置。
而对于旋转变直线的运动轴，有时也可以用旋转编码器来检测位置，速度等参数。
上次，我分享了光栅尺和旋转编码器的原理。
光栅尺原理，横屏更好看
旋转编码器原理
今天，我想分享一下另外一种常用的直线位移传感器：LVDT。
什么是LVDT？
我查了一下，LVDT是Linear Variable Differential Transformer的缩写，表面意思是，线性可变差动变压器。
乍一看怎么是变压器，吓坏了。
原来是因为，它也是利用变压器的磁感应原理，来产生电压，再通过电路转换，得到被测位移。
为了方便理解，我们这里就叫LVDT传感器。
变压器原理：在主线圈通入交流电，在副线圈感应出电压
1. LVDT的结构
LVDT的内部主要结构，包括一个初级绕组和一对次级绕组，初级绕组位于中间，而次级绕组则沿相反方向串联，缠绕在初级绕组的两侧。运动部件是导磁铁芯，可以在空心线圈中移动，连接到要测量位置的物体上。圆柱形的屏蔽层和不锈钢外壳可以保护绕组免受损坏，并且还可以容纳感测磁场，提供电磁屏蔽。来源：te.com。
简化的线圈和铁芯，初级绕组位于中间，次级绕组串联，缠绕在初级绕组的两侧。每个次级线圈应具有相同的匝数和长度，以免影响零位和线性度。
2. LVDT传感器的原理
先上一张动画感知一下。
LVDT工作示意图
运行时，在初级绕组上施加一个小的交流电压，称为“励磁信号”，进而在两个相邻的次级绕组中感应出电动势（变压器原理），铁芯在不同的位置，次级绕组电势差不同，进而通过感应电压确定铁芯位置。来源：Honeywell。
LVDT输出电压与铁芯位置的关系，上方图是交流电幅值与铁芯位置的关系，下方图是经过电路变化以后的直流输出与铁芯位置的关系，来源te.com。
如果铁芯恰好位于空心管的中央，则两个次级绕组中的感应电动势会相互抵消，因为它们的相位差180°，因此最终输出电压为零。
当铁芯向一侧稍微移动时，其中一个次级线圈中的感应电压，将变得大于另一个次级线圈中的感应电压，从而产生电势差，并且输出交变电压。
当铁芯通过中心位置，从一端移动到另一端时，输出电压从最大值变为零，然后再次回到最大值，但是在此过程中，其相角改变了180度。
这使LVDT能够产生交流电信号，其幅度表示铁芯从中央位置开始的移动量，并且其相位角表示铁芯的移动方向。因此，这种类型的位置传感器的输出信号，既可以用感应电压大小表示位移大小，又可以根据电压极性表示运动方向，所以说这是一种绝对式传感器。
通常，此感应出的交流电压，通过合适的电子电路，转换为更方便使用的高电平直流电压或电流。
这就是LVDT的原理。
LVDT原理概括图
LVDT原理概括图
LVDT原理概括图
3. LVDT的优缺点
1.无限寿命
与其他类型的位移传感器相比，LVDT传感器的主要优势在于坚固耐用，理论上无限寿命，因为感应元件之间没有物理接触，没有磨损。
2.无限分辨率
由于该设备依赖于磁通量的耦合，因此LVDT可以具有无限的分辨率。因此，可以通过合适的信号调节，检测很小的运动，而传感器的分辨率则取决于数据采集系统的分辨率。
3.高线性度
在测量范围内，线性度很高，精度高。
4.绝对测量
LVDT是绝对输出设备，而不是增量输出设备。
这意味着在断电的情况下，从LVDT发送的位置数据不会丢失。重新启动测量系统后，LVDT的输出值将与断电之前的输出值相同。
5.测量范围广
LVDT具有非常广的位移测量范围，可用于测量1.25mm－250mm的位移。
6.低功耗
它将线性位移转换为易于处理的电压，功率约为1W，与其他传感器相比，功耗很低。
7.缺点：对外磁场，温度敏感。
因为利用了电磁感应原理，LVDT对杂散磁场敏感，因此使用时需要考虑，保护它们免受杂散磁场的影响。
此外，LVDT易受振动和温度影响。
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