什么是 LVDT？
LVDT 是线性可变差分变压器 (Linear Variable Differential Transformer) 的首字母缩写，这是一种常见的机电传感器类型，能够将其机械耦合的物体的直线运动转换为相应的电信号。市面上常见的 LVDT 线性位置传感器可以测量小至百万分之几英寸的运动，也可测量高达 ±20 英寸 (±0.5 米) 的位置。
图 1 显示了典型 LVDT 的组件。变压器的内部结构包括一个位于中心的主绕组（初级绕组）和一对对称分布在主绕组两侧、绕制完全相同的次级绕组。线圈绕制在一个由热稳定玻璃增强聚合物制成的整体式空心骨架上，经过防潮封装，包裹在高磁导率磁屏蔽层中，然后固定在一个圆柱形不锈钢外壳内。这个线圈组件通常是位置传感器的固定元件。
图1
LVDT 的运动元件是一个单独的由磁导材料制成的管状电枢，称为铁芯。铁芯可以在线圈的空心内孔中自由轴向移动，并机械地连接到被测位置的物体上。该内孔通常足够大，以在铁芯和内孔之间提供显著的径向间隙，铁芯和线圈之间没有物理接触。
工作时，LVDT 的主绕组由适当幅度和频率的交流电激励，这称为初级激励。LVDT 的电输出信号是两个次级绕组之间的差分交流电压，该电压随铁芯在 LVDT 线圈内的轴向位置而变化。通常，该交流输出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。
LVDT 如何工作？
图 2 说明了当 LVDT 的铁芯处于不同轴向位置时会发生什么。LVDT 的主绕组 P 由一个恒定幅度的交流电源激励。由此产生的磁通通过铁芯耦合到相邻的次级绕组 S1 和 S2。如果铁芯位于 S1 和 S2 的中间，则耦合到每个次级的磁通相等，因此分别在绕组 S1 和 S2 中感应的电压 E1 和 E2 相等。在这个作为参考的铁芯中间位置，称为零点，差分电压输出 (E1 – E2) 基本上为零。
如图 2 所示，如果铁芯向 S1 移动得比向 S2 更近，则耦合到 S1 的磁通更多，耦合到 S2 的更少，因此感应电压 E1 增加而 E2 减小，导致差分电压为 (E1 – E2)。相反，如果铁芯向 S2 移动得更近，则耦合到 S2 的磁通更多，耦合到 S1 的更少，因此 E2 增加而 E1 减小，导致差分电压为 (E2 – E1)。
图2
图 3A 显示了差分输出电压的大小EOUTEOUT如何随铁芯位置变化。铁芯从零点产生最大位移时的EOUT值取决于初级激励电压的幅度和特定 LVDT 的灵敏度因子，但通常为几伏 RMS（有效值）。该交流输出电压EOUT的相位角（参考初级激励电压）保持恒定，直到铁芯中心通过零点，此时相位角突然变化 180 度，如图 3B 所示。
通过适当的电路，可以利用这 180 度的相移来确定铁芯相对于零点的移动方向。如图 3C 所示，输出信号的极性代表了铁芯与零点的位置关系。该图还显示，LVDT 的输出在其指定的铁芯运动范围内是非常线性的，但该传感器也可以在扩展范围内使用，不过输出线性度会有所降低。
图3
LVDT 的输出特性随铁芯的不同位置而变化。满量程输出是一个大信号，通常为一伏或更高，并且通常不需要放大。请注意，LVDT 在超过满量程的 100% 后仍能继续工作，但线性度会下降。
LVDT 支持电子设备
尽管 LVDT 是一个电力变压器，但它需要与普通电源线截然不同的幅度和频率的交流电源才能正常工作（通常为 3 Vrms，3 kHz）。为 LVDT 提供这种激励电源是 LVDT 支持电子设备的若干功能之一，该设备有时也称为 LVDT 信号调理设备。
其他功能包括将 LVDT 的低电平交流电压输出转换为更方便使用的高电平直流信号；当 LVDT 的铁芯移过零点时，从 180 度的输出相移中解码方向信息；以及提供电可调的输出零位电平。
市面上有各种 LVDT 信号调理电子设备，包括用于 OEM 应用的芯片级和板级产品，以及为用户准备的模块和完整的实验室仪器。
支持电子设备也可以是内置式的，如图 4 所示的 DC-LVDT（直流线性位移传感器）。这些易于使用的位置传感器实际上提供了 LVDT 的所有优点，同时具有直流输入、直流输出操作的简便性。当然，带有集成电子设备的 LVDT 可能不适用于某些应用，或者其封装形式可能不适合某些安装环境。
为何使用 LVDT？
LVDT 具有某些显著的特性和优点，其中大部分源于其基本的物理工作原理或其所用的材料和技术。
无摩擦工作
LVDT 最重要的特性之一是其无摩擦操作。在正常使用中，LVDT 的铁芯和线圈组件之间没有机械接触，因此不存在摩擦、拖拽或其他摩擦源。此特性在材料测试、振动位移测量和高分辨率尺寸测量系统中特别有用。
无限分辨率
由于 LVDT 在无摩擦结构中以电磁耦合原理工作，它可以测量铁芯位置的无限小的变化。这种无限分辨率的能力仅受 LVDT 信号调理器中的噪声和输出显示分辨率的限制。这些相同的因素也赋予了 LVDT 出色的重复性。
无限的机械寿命
因为 LVDT 的铁芯和线圈结构之间通常没有接触，所以没有部件会相互摩擦或磨损。这意味着 LVDT 具有无限的机械寿命。这一因素在飞机、卫星和航天器以及核设施等高可靠性应用中尤为重要。在许多工业过程控制和工厂自动化系统中，这也是非常可取的。
过行程损坏抵抗
大多数 LVDT 的内孔两端都是开放的。在发生意外过行程时，铁芯能够完全穿过传感器线圈组件而不会造成损坏。这种对位置输入过载的耐受性使 LVDT 成为理想传感器，适用于例如在破坏性材料测试设备中连接到拉伸测试样本上的引伸仪等应用。
图 4
LVDT 的横截面视图显示了内置的信号调理电子模块。该模块用灌封化合物固定，图中未显示该化合物。
单轴敏感性
LVDT 对铁芯沿线圈轴线的运动产生响应，但通常对铁芯的横轴运动或其径向位置不敏感。因此，LVDT 通常可以在涉及未对准或浮动运动部件的情况下，以及在铁芯并非沿精确直线移动的情况下正常工作，而不产生不利影响。
可分离的线圈和铁芯
由于 LVDT 的铁芯和线圈之间唯一的相互作用是磁耦合，因此可以通过在铁芯和内孔之间插入非磁性管来将线圈组件与铁芯隔离。这样做可以容纳加压流体在管内，铁芯在其中自由移动，而线圈组件不加压。此特性常用于液压比例和/或伺服阀中用于阀芯位置反馈的 LVDT。
环境鲁棒性
LVDT 组装过程中使用的材料和构造技术造就了坚固耐用的传感器，能够适应各种环境条件。绕组经过粘合后，再用环氧树脂封装到外壳中，从而具有卓越的防潮和防湿性能，并且能够承受所有轴向上的巨大冲击载荷和高振动水平。内部的高磁导率磁屏蔽层最大限度地减少了外部交流场的影响。
外壳和铁芯均由耐腐蚀金属制成，外壳还充当辅助磁屏蔽层。对于那些传感器必须承受暴露于易燃或腐蚀性蒸汽和液体，或在加压流体中运行的应用，可以使用各种焊接工艺将外壳和线圈组件进行气密密封。
普通 LVDT 可以在非常宽的温度范围内工作，但如果需要，它们可以制造用于低至低温的环境，或者使用特殊材料，在许多核反应堆中存在的高温和辐射水平下运行。
零点重复性
LVDT 的固有零点位置极其稳定和可重复，即使在其非常宽的工作温度范围内也是如此。这使得 LVDT 在闭环控制系统和高性能伺服平衡仪器中作为零位传感器表现优异。
快速动态响应
普通操作期间摩擦的缺失使得 LVDT 能够非常快速地响应铁芯位置的变化。LVDT 传感器本身的动态响应仅受铁芯轻微质量的惯性效应限制。更常见的是，LVDT 传感系统的响应由信号调理器的特性决定。
绝对输出
LVDT 是一种绝对输出设备，而不是增量输出设备。这意味着在电源中断的情况下，从 LVDT 发送的位置数据不会丢失。当测量系统重新启动时，LVDT 的输出值将与断电前相同。
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