LVDT

直线位移传感器

LVDT（Linear Variable Displacement Transducer）是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。

定义和原理

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系。

LVDT的工作电路称为调节电路或信号调节器。一个典型的调节电路应包括稳压电路、正弦波发生器、解调器和一个放大器。

正弦波发生器应具有恒定的幅度和频率，且不受时间和温度的影响。正弦可用文氏电桥产生，或用方波、阶梯波经滤波产生，或用其它合适的方法产生。

解调器可以是一个简单的二极管结构，当LVDT次级线圈的交流输出大于1VF.S时，使用简单二极管解调器；如果信号幅度低于此值，由于两个二极管正向电压的差异，会存在温度敏感问题，但对较大的信号电压，二极管误差的影响并不明显。也可以用同步解调器，在同步解调器中，两个场效应管交替地开关，其定时与为初级供电的正弦波同步。在初级与解调器开关间所需相移量取决于LVDT指标和LVDT与信号调节器间的导线长度。

正弦波发生器、解调器和放大电路已组合成商品化IC，使用这些器件将极大地简化LVDT信号调节器的设计。最常用的有Philips出品的NE5521和ADI公司的AD598/698。此外，细间距封装的标准模拟和数字器件的出现，使电路设计更加简化，并可固定在LVDT外壳的内部。

作用

LVDT可以用来测量物体的伸长度、震动频率、振幅、物体厚薄程度和膨胀度等精确数据。具体还可以用在机床工具和液压缸的定位，以及辊缝和阀门的控制等。

优势和特点

LVDT 具有众多值得称道的优势和特点，应用范围广泛：

（1）无摩擦测量

LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT是没有摩擦的部件。它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。两个例子，精密材料的冲击挠度或振动测试，或纤维或其它高弹材料的拉伸或蠕变测试。

（2）无限的机械寿命

由于LVDT的线圈及其铁芯之间没有摩擦和接触，因此不会产生任何磨损。这样，LVDT的机械寿命，理论上是无限长的。在对材料和结构进行疲劳测试等应用中，这是极为重要的技术要求。此外，无限的机械寿命对于飞机、导弹、宇宙飞船以及重要工业设备中的高可靠性机械装置也同样重要的。因此LVDT在航空发动机数字控制系统中，广泛用于对油门杆位置、油针位置、导叶位置、喷口位置等位移进行精确测量与控制。

（3）无限的分辨率

LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具备两个显著的特性。第一个特性是具有真正的无限分辨率。这意味着LVDT可以对铁芯最微小的运动作出响应并生成输出。外部电子设备的可读性是对分辨率的唯一限制。

（4）零位可重复性

LVDT构造对称，零位可回复。LVDT的电气零位可重复性高，且极其稳定。用在高损益闭环控制系统中，LVDT是非常出色的电气零位指示器。它还用于复合输出与零位的两个自变量成比例的比率系统。

（5）轴向抑制

LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。这样，LVDT可以用于测量不是按照精准直线运动的铁芯，例如，可把LVDT耦合至波登管的末端测量压力。

（6）坚固耐用

制造LVDT所用的材料以及接合这些材料所用的工艺使它成为坚固耐用的传感器。即使受到工业环境中常有的强大冲击、巨幅振动，LVDT也能继续发挥作用。铁芯与线圈彼此分离，在铁芯和线圈内壁间插入非磁性隔离物，可以把加压的、腐蚀性或碱性液体与线圈组隔离开。这样，线圈组实现气密封，不再需要对运动构件进行动态密封。对于加压系统内的线圈组，只需使用静态密封即可。

（7）环境适应性

LVDT是少数几个可以在多种恶劣环境中工作的传感器之一。例如，密封型LVDT采用不锈钢外壳，可以置于腐蚀性液体或气体中。有时，LVDT被要求在极端恶劣的环境下工作。例如，在类似液氮的低温环境中。又如，在核反应堆主安全壳内工作的LVDT，工作温度高至550℃，外加10Rads的辐射和/或3X10 NVT的中子通量。再如，在210bar承压流体中工作的LVDT。LVDT设计巧妙，可以同时适应多种恶劣环境。但是，需要特别注意的是，虽然在大多数情况下，LVDT具有无限的工作寿命（理论上），置于恶劣环境下的LVDT ，工作寿命却因环境不同的各不相同。

（8）输入/输出隔离

LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入（初级）和输出（次级）是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号计算元件。在高效的测量和控制回路中，它的信号线与电源地线是分离开的。

如上所述，LVDT具有诸多卓越的品质。它的主要限制是，为得到线性性能，传感器的外壳要比行程长，还有输出信号对输入被测量存在一定的非线性。采用专门的调节技术，可以改进行程对外壳的长度比和非线性问题，其中一个技术就是增加微控制器进行校正。LVDT具有良好的重复性，这一技术是可行的。

虽然LVDT已问世多年，但它仍不失为很多位置传感问题行之有效的解决方案。坚固的结构提供高可靠性，而其性能十分适合行程小于±100mm的多数应用。

LVDT也可制作成旋转器件，工作方式与线性模型相似，只是加工后的铁芯沿曲线路径移动，这就是接下来要介绍的RVDT。

RVDT（Rotary Variable Differential Transformer）是旋转可变差动变压器缩写，属于角位移传感器。它采用与LVDT相同的差动变压器式原理，即把机械部件的的旋转传递到角位移传感器的轴上，带动与之相连的扰流片/铁心，改变线圈中的感应电压/电感量，输出与旋转角度成比例的电压/电流信号。

RVDT非接触设计，具有无限分辨率、使用寿命长，精度高的特点，可实现360°转动测量，广泛应用于球阀阀位、液压泵、叉车、机器人、风机等设备的传动和反馈控制。

测量系统构建

LVDT位移传感器不能单独应用。一般需要配套的显示仪表，来完成LVDT传感器数据的转换和传输。LVDT一般和数显仪表配合应用，把LVDT的位移电压量，转换为位移数字量，直观显示处理。或者通过数据总线，包括RS232，RS485，USB，以太网，或者WIFI等，将数据传送至PLC或者电脑。然后可以应用SPC软件，对被测量物件的数据进行分析，存储。如果测量系统应用于生产线上，则可以根据测量结果，由PLC或者电脑发出控制指令，将尺寸和不合格的被测工件排出产线，作为报废或返修品处理。

意大利马波斯公司，英国输力强公司，瑞士特萨公司都有成熟的测量系统提供。国内比较大的供应商有中原量仪，东方量仪，容恒电子等公司。

应用领域

应用最普遍的2种原理LVDT以及应用：

直流回弹式LVDT具有优良的性能，采用方便的单电源9-28V DC供电，产品的测量接触探头采用耐磨镀铬硬质工具钢,最大测量量程为50mm,最大弹力200克,电子电路密封在304不锈钢金属管内,可以在潮湿和灰尘等恶劣环境中工作,输出信号为标准的可被计算机或PLC使用的0-5V或4-20mA输出。

差动变压器式位移传感器（LVDT）可广泛应用于航天航空，机械，建筑，纺织，铁路，煤炭，冶金，塑料，化工以及科研院校等国民经济各行各业，用来测量伸长,振动,物体厚度，膨胀等的高技术产品。

l 轴径跳动检测

l 阀位检测与控制

l 辊缝间隙控制

l 金属加工检测

直流拖动式LVDT具有优良的性能，采用方便的单电源9-28V DC供电，电子电路密封在304不锈钢金属管内,可以在潮湿和灰尘等恶劣环境中工作,输出信号为标准的可被计算机或PLC使用的0-5V或4-20mA输出。

l 机床及工具定位

l 液压缸定位