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什么是 LVDT ?

发布日期:2019-09-19阅读次数:239

什么是LVDT

    LVDT Linear Variable Differential Transformer (线性差动变压器)的缩写,为机电转换器的一种。LVDT 可以将一个对象之直线运动的机械变化量转换成相对应的电子信号。LVDT 线性位置传感器(LVDT位移传感器),可测量之位移量小至几百万分之一英吋至几英吋,但也可以测量至±20 英吋的位移量。

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-1 所示是一个典型LVDT位移传感器之构成组件。变压器的内部结构,包含了一个置于一对且相同之次级线圈中间的初级线圈,此初级线圈和次级线圈之间具有对称的行间。这些线圈是缠绕在一个中空之热塑性玻璃纤维的强化型聚合物上,为了能够防潮,再包上一层高透磁性的隔离物,然后密封在一个圆柱形之不锈钢管内。此线圈组合通常是位置传感器的必备组件。

LVDT 的可动组件是一个具透磁性之管状铁心,此铁心可以在中空成型之线圈内自由移动,并和欲测量位置之对象结合在一起。线圈之孔径是大到将铁心置于其内时,仍能提供有效之间隙,使得铁心与线圈之间没有实质上的接触。

在使用上,我们是将一定频率之交流电加在初级线圈上,也就是所谓的初级激磁。LVDT 的输出信号就是两组次级线圈之间的交流电压差,此电压差会随着铁心在线圈内之位置而改变。通常为了方便使用,此交流输出电压会再经由电子回路的处理,转换为高准位的直流电压或电流。

LVDT位移传感器如何动作?

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-2 说明什么当LVDT位移传感器的铁心在不同位置时,会发生什么情形。LVDT 的初级线圈(P)被2.5KHz 5KHz 之交流电源激磁以后,所产生的磁通量会经由铁心耦合至邻近的次级线圈S1S2。假如铁心是位于S1 S2的中间,相同的磁通量会耦合至二次侧。所以,在每一个线圈所感应出的电压E1 E2 也会相等。所以,当铁心位于中心点时,也就是所谓的原点,输出的电压差(E1 -E2)应该等于零。

 

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-3 显示输出电压差Eout 之大小会随着铁心的位置而改变。铁心从原点至最大位移量之Eout 的电压值,视初级激磁电压大小,以及LVDT 本身之灵敏度而定,通常是几个Vrms 。和初级激磁电压有关之AC 输出电压Eout 的相位角,在铁心位于原点时,是一个常数。如图-4所示,原点位置之相位角的变化呈现陡峭地180 度。

配合适当的回路,可以利用此180度的相位移来判断铁心离开原点之位移方向。如图-5 所示,输出信号的极性代表铁心位置和原点之间的相对关系。此图亦显示出,铁心在LVDT 的额定量测范围内移动时,其输出信号是非常的线性。若要超出额定量测之范围来使用也可以,但是输出信号之线性度会降低。

 

                                      

配合 LVDT的电子回路                               

     虽然LVDT 是变压器的一种,但是需要一个固定振幅及频率的AC 电源才能正常地操作。此电源和一般所知的AC 电源不同,通常是3Vrms @2.5kHz 30kHz 。供给LVDT 所需之激磁电源,是一般我们所知之LVDT 信号放大器所具备的功能之一。其他的功能包括将LVD T 的低准位AC 输出电压转换为高准位的DC 信号,在使用上会比较方便。另外,当LVDT 的铁心通过原点时,利用相位检出器可从180 度的相位移来判断铁心移动的方向,以及输出信号的零点准位调整。图-6 所示为右侧内含放大器之DC LVDT 的剖面图,放大电路之模块应有封胶保护,但为了说明起见,未显示出来。

为什么要采用LVDT位移传感器?

由于LVDT位移传感器本身操作之基本物理原理或本身结构所采用之材料及技术,因而具备某些特性和优点。

无摩擦操作

LVDT 最重要的特性之一就是无摩擦操作。在一般的操作之下,LVDT 的铁心和线圈组件结构之间没有机械式的接触,如摩擦、拖曳或其他可造成摩擦之因素。此特性在材料测试,振动位移测量以及高分辨率尺寸测量系统特别有用。

分辨率无限大

因为LVDT 是利用无摩擦结构之电磁耦合原理的方式操作,所以能够测量极微小之铁心位置的变化量。此无限解析之能力,只受限于LVDT 信号放大器的分辨率和输出显示器的位数。因而,LVDT 亦具有极佳之重复性。

机械寿命无限长

通常LVDT 的铁心和线圈组件结构之间没有接触,所以,没有任何组件彼此之间会相互摩擦或磨损,此意味着LVDT 具有无机械寿命限制之特性。此特性在高信赖度要求之应用方面,如航空器、卫星、太空飞行器以及核能设备安装等,特别的重要。另外,在很多工业过程控制以及工厂自动化控制系统方面,对此特性也有高度的需求。

不会因为超出量测范围而受损

大部分LVDT 的内膛两端是没有封闭的。若因操作不慎,超出其额定之量测行程,铁心会完全通过传感器的线圈组件结构,并不会造成任何的损坏。这种不因超出位移行程而破坏之特性,使得LVDT 在材料破坏测试设备方面,如附着于测试组件以便测试其张力之张力计,是一个很理想的传感器,参考HSTA750系列。

单轴感应

LVDT 只对铁心沿着线圈的轴线运动会有反应,而通常对于铁心横向交叉轴的运动或铁心的径向位置是不感应的。所以,对于非准线安装或漂浮移动的应用场合,以及当LVDT 的移动并不是很精确的呈一直线时,LVDT 仍能正常的工作,而不会有任何反效果。

可分离之线圈及铁心

因为在LVDT 的铁心和线圈组件之间,只有磁耦合的交互作用,所以在铁心和内膛的管壁之间可以插入非磁性的管子,而将铁心和线圈组件隔离。利用这种作法,可以将加压之流体封装在隔离用之管子内,那么当线圈组件被释压时,铁心便会自由移动。在油压系统之比例阀或伺服阀,做为线轴位置回授用之LVDT,常常利用此特性,参考HSIR750系列。

耐环境特性佳

LVDT 因为所采用之材料以及组装结构的技术,是一种非常坚固耐用的传感器,可适用于各种不同的操作环境。线圈绕组以环氧树脂封装之后,放入不锈钢管内,可达到极佳之防潮防湿的效果,而且耐振性及耐冲击性佳。此外,由于内部的高透磁性屏蔽,使得受外部AC 磁场效应的影响降到最低。

外壳及铁心皆是采用防腐蚀之金属材料,而且外壳也有增强隔绝磁场的效果。在某些应用场合,当传感器必须暴露于易燃或腐蚀性之蒸汽及液体,或加压之流体下来操作时,可以利用各种熔接加工处理方法,将外壳和线圈组件结构整个完全密封起来。

通常LVDT 适用的操作温度范围非常的宽广,但是,若有需要,也可特别订制而专门应用于低温的环境。或者采用特殊的材料,可适用于像核子反应炉等需要耐高温及辐射的应用场合。

零点重复性

LVDT 本身的零点位置是非常的稳定,而且重复性高,即使超出其适用之操作温度范围,亦是如此。此特性使得LVDT 在闭回路控制系统以及高性能伺服平衡仪器方面的应用,是一个很好的零点位置传感器。

快速动态反应

在一般的操作情况下,此无摩擦之特性,使得LVDT 能够很快的反应出铁心位置的变化量。LVDT 本身的动态反应,仅受限于铁心之微小质量的惯性效应。通常,LVDT 感应系统的反应速度,是取决于放大器的特性。

绝对值输出

LVDT 是一个绝对值输出组件,不同于增量型的输出组件。此意味着,即使电源关闭时,LVDT 送出的位置数据并不会消失。当测量系统重新启动时,LVDT 的输出值会和电源关闭之前一样。

 
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