線性位移傳感器lvdt：LVDT位移傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
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線性位移傳感器lvdt：LVDT位移傳感器的構(gòu)成原理及特點(diǎn)
LVDT(Linear.Variable。Differential。Transformer)是線性可變差動(dòng)變壓器縮寫(xiě)，簡(jiǎn)單地說(shuō)是鐵芯可動(dòng)變壓器。所以，LVDT位移傳感器也可稱之為L(zhǎng)VDT差動(dòng)變壓器式位移傳感器，它由一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈、鐵芯、線圈骨架、外殼等部件組成。當(dāng)鐵芯由中間向兩邊移動(dòng)時(shí)，次級(jí)兩個(gè)線圈輸出電壓之 差與鐵芯移動(dòng)成線性關(guān)系（位移傳感器的種類）。電子器件設(shè)計(jì)者就是利用這一原理制造出LVDT位移傳感器。那么，什么是LVDT位移傳感器呢（什么是位移傳感器）?如圖所示，即為常見(jiàn)的LVDT位移傳感器。小編通過(guò)搜集整理資料對(duì)LVDT位移傳感器的構(gòu)成原理（位移傳感器原理）及特點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)。
常見(jiàn)的LVDT位移傳感器
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LVDT差動(dòng)變壓器式位移傳感器的構(gòu)成原理：
? ? LVDT的結(jié)構(gòu)由鐵心、銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈組成，如右圖所示，
LVDT差動(dòng)變壓器式位移傳感器的構(gòu)成
? ? 當(dāng)初級(jí)線圈 P1，P2 之間供給一定頻率的交變電壓時(shí)，鐵芯在線圈內(nèi)移動(dòng)改變了空間的磁場(chǎng)分布，從而改變了初、次級(jí)線圈之間的互感量，次級(jí)線圈 S11，S22 之間就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，隨著鐵心的位置不同，互感量也不同，次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)也不同，這樣就將鐵芯的位移量變成了電壓信號(hào)輸出，由于兩個(gè)次級(jí)線圈 電壓極性相反, ,輸出電壓為差動(dòng)電壓。
? ? 當(dāng)鐵芯往右移動(dòng)時(shí)，次級(jí)線圈 2 感應(yīng)的電壓大于次級(jí)線圈 1;當(dāng)鐵芯往左移動(dòng)時(shí)，次級(jí)線圈 1 感應(yīng)的電壓大于次級(jí)線圈 2，兩線圈輸出的電壓差值大小隨鐵芯位移而成線性變化。
? ? 初級(jí)線圈、次級(jí)線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿狀銜鐵。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這樣輸出電壓為0;當(dāng)銜鐵在線圈內(nèi)部移動(dòng)并偏離中心位置時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。
? ? 為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)線圈反串相接、兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓之差，這個(gè)輸出的電壓值與鐵心的位移量成線性關(guān)系。
? ? LVDT工作過(guò)程中，鐵心的運(yùn)動(dòng)不能超出線圈的線性范圍，否則將產(chǎn)生非線性值，因此所有的LVDT均有一個(gè)線性范圍。
? ? 1,無(wú)摩擦測(cè)量
? ? LVDT 的可動(dòng)鐵芯和線圈之間通常沒(méi)有實(shí)體接觸， 也就是說(shuō) LVDT 是沒(méi)有摩擦 的部件。 它被用于可以承受輕質(zhì)鐵芯負(fù)荷， 但無(wú)法承受摩擦負(fù)荷的重要測(cè)量。 例 如，精密材料的沖擊撓度或振動(dòng)測(cè)試， 纖維或其它高彈材料的拉伸或蠕變測(cè)試。
? ? 2,無(wú)限的機(jī)械壽命
? ? 由于 LVDT 的線圈及其鐵芯之間沒(méi)有摩擦和接觸，因此不會(huì)產(chǎn)生任何磨 損。這樣 LVDT 的機(jī)械壽命，理論上是無(wú)限長(zhǎng)的。在對(duì)材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞測(cè)試 等應(yīng)用中，這是極為重要的技術(shù)要求。此外，無(wú)限的機(jī)械壽命對(duì)于飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船以及重要工業(yè)設(shè)備中的高可靠性機(jī)械裝置也同樣是重要的。
? ? 3,無(wú)限的分辨率
? ? LVDT 的無(wú)摩擦運(yùn)作及其感應(yīng)原理使它具備兩個(gè)顯著的特性。 第一個(gè)特性是具 有真正的無(wú)限分辨率。 這意味著 LVDT 可以對(duì)鐵芯最微小的運(yùn)動(dòng)作出響應(yīng)并生成 輸出。外部電子設(shè)備的可讀性是對(duì)分辨率的唯一限制。
? ? 4,零位可重復(fù)性
? ? LVDT 構(gòu)造對(duì)稱，零位可回復(fù)。LVDT 的電氣零位可重復(fù)性高，且極其穩(wěn)定。用在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，LVDT 是非常出色的電氣零位指示器。
? ? 5,徑向不敏感
? ? LVDT 對(duì)于鐵芯的軸向運(yùn)動(dòng)非常敏感，徑向運(yùn)動(dòng)相對(duì)遲鈍。這樣，LVDT 可以 用于測(cè)量不是按照精準(zhǔn)直線運(yùn)動(dòng)的物體，例如，可把 LVDT 耦合至波登管的末端 測(cè)量壓力。
? ? 6,輸入/輸出隔離
? ? LVDT 被認(rèn)為是變壓器的一種，因?yàn)樗膭?lì)磁輸入(初級(jí))和輸出(次級(jí))是 完全隔離的。LVDT 無(wú)需緩沖放大器，可以認(rèn)為它是一種有效的模擬信號(hào)元件。 在要求信號(hào)線與電源地線隔離的測(cè)量和控制回路中，它的使用非常方便。
? ? 7,堅(jiān)固耐用
? ? 制造 LVDT 所用的材料以及接合這些材料所用的工藝使它成為堅(jiān)固耐用 的變送器。即使受到工業(yè)環(huán)境中常有的強(qiáng)大沖擊、巨幅振動(dòng)，LVDT 也能繼續(xù)發(fā) 揮作用。鐵芯與線圈分離 LVDT 鐵芯與線圈彼此分離，在鐵芯和線圈內(nèi)壁間插入非磁性隔離物，可以把加壓的、 腐蝕性或堿性液體與線圈組隔離開(kāi)。這樣，線 圈組實(shí)現(xiàn)氣密封， 不再需要對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)密封。 對(duì)于加壓系統(tǒng)內(nèi)的線圈組， 只需使用靜態(tài)密封即可。
? ? 8,環(huán)境適應(yīng)性
? ? LVDT 是少數(shù)幾個(gè)可以在多種惡劣環(huán)境中工作的變送器之一。例如，密封型 LVDT 采用不銹鋼外殼，可以置于腐蝕性液體或氣體中。有時(shí)，LVDT 被要求在極端惡劣的環(huán)境下工作。例如，在類似液氮的低溫環(huán)境中或核輻射環(huán)境。雖然在大 多數(shù)情況下，LVDT 具有無(wú)限的工作壽命(理論上) ，置于惡劣環(huán)境下的 LVDT，工作壽命卻因環(huán)境不同而各不相同。
? ? 9,LVDT 與光柵，磁柵，等高精度測(cè)長(zhǎng)儀器相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：
? ? 優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)特性好，可用于高速在線檢測(cè)，進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)控制。光柵、 磁柵等測(cè)量速度一般為 1.5m/s 以內(nèi)，只能用于靜態(tài)測(cè)量。 LVDT 可在強(qiáng)磁場(chǎng)，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使用。 可以做成在特殊條件下工作的傳感器，如耐高壓，高溫，耐輻射，全密土封在水下工作。 可靠性非常好，能承受沖擊達(dá) 150g/11ms ，振動(dòng)頻率 2KHz 加速度 20g。體 積小，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。
? ? 總結(jié)
? ? LVDT線性差動(dòng)變壓器式位移傳感器主要用于測(cè)量如位移、距離、伸長(zhǎng)、移動(dòng)、厚度、膨脹、液位、應(yīng)變、壓縮、重量等各種物理量。在航天、航空、電力、石油化工、機(jī)械、軍工、紡織、汽車(chē)、煤炭、地震監(jiān)測(cè)、高等院校及科研院所等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了LVDT位移傳感器的工作原理、特點(diǎn)等基礎(chǔ)知識(shí)。
線性位移傳感器lvdt：LVDT線性位移傳感器設(shè)計(jì).doc
ＬVDT線性位移傳感器的設(shè)計(jì)
一、引言
差動(dòng)變壓器式傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、分辨力大，能測(cè)出0．1ｕm更小的機(jī)械位移變化；傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，有利于信號(hào)的傳輸;重復(fù)性好,在一定位移范圍內(nèi),輸出特性的線性度好,并且比較穩(wěn)定，因此廣泛應(yīng)用于壓力、位移傳感器的設(shè)計(jì)制造中,尤其在航空、航天等環(huán)境惡劣、環(huán)境溫度高的壓力測(cè)量方面，也得到了廣泛的應(yīng)用。
二、方案論證
１.參數(shù)要求
給定原始數(shù)據(jù)及技術(shù)要求
1）.最大輸入位移為100ｍm
2）靈敏度不小于８0V／m
3)非線性誤差不大于１0％
4)零位誤差不大于1mv
５）。電源為9v,40０HＺ
6).最大尺寸結(jié)構(gòu)為160mmX21ｍm
2.方案討論
根據(jù)給定技術(shù)要求選擇電感變換元件的類型及測(cè)量電路的形式，如圖1所示
圖1、傳感器的組成框圖
１）傳感器電感變換元件類型的選擇
（1）測(cè)量范圍小,如位移從零點(diǎn)幾微米至數(shù)百微米，且當(dāng)線性范圍也小時(shí)，常用E形或II形平膜硅鋼片疊成的電感式傳感器或差動(dòng)變壓器。
（２) 螺線管，常用于測(cè)量1ｍm以上至數(shù)百毫米的大位移，其線性范圍也較大。
2)測(cè)量電路的選擇
測(cè)量電路主要依據(jù)選定的電感變換器的種類、用途、靈敏度、精度及輸出形式等技術(shù)要求來(lái)確定。
３.螺管型差動(dòng)變壓器的工作原理
差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為 E=jωI1（M１—M2） ＝ jωI1ΔM=fΔM
所以，差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)為兩副邊線圈互感之差ΔM的函數(shù)。
螺管型差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,常用二節(jié)式、三節(jié)式、一節(jié)式的靈敏度高，但三節(jié)式的零點(diǎn)較好。
差動(dòng)變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等.一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化,即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出,所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。圖2為三節(jié)式螺管型差動(dòng)變壓器的示意圖。
圖2 三節(jié)式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式
三．螺管型差動(dòng)變壓器的參數(shù)計(jì)算
現(xiàn)以三節(jié)式螺管型差動(dòng)變壓器式傳感器為例來(lái)說(shuō)明參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其結(jié)構(gòu)如圖3.由推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型可知：所推導(dǎo)處的各種公式是設(shè)計(jì)螺管型差動(dòng)變壓器式傳感器的主要依據(jù)。
1.激磁繞組長(zhǎng)度的確定
通常是在給定非線性誤差γ及最大動(dòng)態(tài)范圍ΔlＭAX的條件下來(lái)確定值b,即
聯(lián)立以上各式解得
(3—１)
2.銜鐵的長(zhǎng)度的確定
由結(jié)構(gòu)圖３的幾何尺寸關(guān)系可知,鐵芯的長(zhǎng)度為：
式中、l1，l2 －-銜鐵在兩個(gè)副邊繞組m中的長(zhǎng)度;
d－-初次線圈間骨架厚度；
b－－原邊線圈的長(zhǎng)度；
m—－兩副邊繞組長(zhǎng)度.
初始狀態(tài)時(shí)有l(wèi)１=l2＝l0，則銜鐵的長(zhǎng)度由圖3的幾何尺寸有
(3－2）
設(shè)計(jì)時(shí)，一般取l0=b，故有l(wèi)c=3ｂ+2d,通常取d＜<b,則 ｌc="3b" 由式(3—1）求得為b＝2。24cm，求得為lｃ="６.7２cm." 3．副邊線圈長(zhǎng)度的確定="" 設(shè)：(1）銜鐵插入到兩個(gè)副邊繞組的長(zhǎng)度分別為l1、l2，="" 且在初始狀態(tài)時(shí)：l1="l2＝l0; " (２）最大動(dòng)態(tài)范圍ΔlＭax為已知給定值。則應(yīng)該成立，才能保證銜鐵工作時(shí)不會(huì)超出線圈以外。一般取l0="b，則" ="" ="" （3—3）="" 式中，δ—保證在最大動(dòng)態(tài)范圍ΔlＭax時(shí)銜鐵仍不會(huì)超出線圈之外的保險(xiǎn)余量.一般取δ＝2～10ｍｍ="" ，在b值較小時(shí)，δ值可取大一些。="" 此處取為δ="10mm，求得m＝5.85ｍm。" ４．經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)="" 一般銜鐵長(zhǎng)度ｌc與銜鐵半徑rc之比可取為="" 骨架外徑Ｒ與內(nèi)徑r之比可取為="" r="" 在設(shè)計(jì)骨架內(nèi)徑r與銜鐵半徑rc應(yīng)盡量取得相近,即r＝ｒｃ,這樣可簡(jiǎn)化計(jì)算工作量。="" 由為lc="1０。0５，求得為rｃ=0。5cｍ,R為1ｃｍ（取R" ／="" r ＝ ２)。="" 圖3、螺管差動(dòng)變壓器式結(jié)構(gòu)以及磁場(chǎng)分布圖="" ５。激磁電壓頻率的選定="" 電源電壓的頻率會(huì)影響到靈敏度鐵損和耦合電容以及線圈阻抗的損耗等。其結(jié)果都將影響輸出電壓的大小,所以對(duì)電源頻率的選擇也是一個(gè)非常重要的參數(shù),由于上述原因，電源頻率需要根據(jù)頻率特性來(lái)選取.="" 在忽略傳感器的渦流損失，鐵損失和耦合電容等影響，其等效電路如圖4所示。="" 圖4、差動(dòng)變壓器式傳感器等效電路="" 設(shè)：="" 1.="" ep、i－-初級(jí)線圈激磁電壓及電流;="" 2. Ｌ1、rp—-初級(jí)線圈電感及電阻="" ３．m1、m2—-初級(jí)與次級(jí)線圈間互感=""
線性位移傳感器lvdt：TD系列位移傳感器｜ LVDT 線性位移傳感器
線性量程全部行程范圍±10，±12.5，±17.5，
(mm)±25，±37.5，±50，
±100，±125，±150，
±175，±200，±250， ±300，±350，±400
非線性度
