線性可變差分變壓器(LVDT)已問(wèn)世多年,一直是絕對(duì)位置測(cè)量普遍使用的傳感技術(shù)。該器件相對(duì)簡(jiǎn)單、能在寬溫度范圍內(nèi)工作、具有極精細(xì)的分辨率、可靠性高、不易損壞、非常適合從微米級(jí)至幾個(gè)英寸的線性測(cè)量,缺點(diǎn)是當(dāng)行程超過(guò)±3in時(shí)就不那么經(jīng)濟(jì)實(shí)用
基本結(jié)構(gòu)
基本LVDT(見(jiàn)圖1)由3個(gè)中孔的軸向?qū)R的固定線圈組成,一個(gè)鐵芯可在孔膛內(nèi)自由移動(dòng)。在鐵芯和孔膛之間有足夠的間隙,防止相互接觸。中心線圈是變壓器初級(jí),由50Hz~10K Hz恒定頻率交流波形驅(qū)動(dòng)。兩側(cè)次級(jí)線圈是反向串聯(lián)繞制的,因而它們的電壓是互相抵消的。
圖1 LVDT的基本結(jié)構(gòu)
圖2 (A)典型的LVDT具有園柱型外殼和獨(dú)立的鐵芯 (B)標(biāo)準(zhǔn)頭結(jié)構(gòu)LVDT具有內(nèi)置鐵芯組合件
工作原理
當(dāng)鐵芯位于中心時(shí),由于變壓作用,每個(gè)次級(jí)繞組感應(yīng)一個(gè)幅度相等的電壓,然而次級(jí)繞組是按反向串聯(lián)繞制的,兩個(gè)電壓相位相反,因此產(chǎn)生的輸出電壓在理論上為0V,零值的正確位置應(yīng)是兩個(gè)次級(jí)繞組輸出最低值時(shí)的位置。當(dāng)然,零電壓在解調(diào)后是沒(méi)有意義的。當(dāng)鐵芯移動(dòng)至零位的一側(cè)時(shí),線圈上的電壓,一個(gè)增加,另一個(gè)減少,在輸出導(dǎo)線上形成一個(gè)穩(wěn)定的增長(zhǎng)電壓,這個(gè)交流電壓經(jīng)整流或解調(diào)后產(chǎn)生一個(gè)直流輸出電壓,其幅度隨鐵芯離零位的距離而增加,而極性(正或負(fù))表示行進(jìn)的方向。例如,LVDT的量程為±1.000in,解調(diào)后能提供±1.000V直流輸出信號(hào)。那未,輸出將從正滿量程1.000in的+1V 線性地變化,降至零位的0V,然后當(dāng)?shù)竭_(dá)負(fù)滿量程時(shí)繼續(xù)下降至-1.000V。
由于鐵芯是電感性耦合至線圈的,運(yùn)動(dòng)的鐵心和靜止的部件(線圈、外殼)之間不存在任何機(jī)械接觸,因而LVDT是一種非接觸式位置傳感器,這表明,它可用于不斷地運(yùn)動(dòng)著的應(yīng)用,不必?fù)?dān)心它是否會(huì)磨損。當(dāng)然,要是用機(jī)械裝配來(lái)對(duì)齊線圈組件,那末總會(huì)有一些磨損,使用壽 應(yīng)根據(jù)具體裝配方法來(lái)評(píng)估(圖2)。
LVDT還是一種絕對(duì)位置傳感器,它提供相對(duì)于一個(gè)固定基準(zhǔn)的距離讀數(shù),而不是相對(duì)于前一個(gè)位置的讀數(shù)。這在高噪聲工業(yè)環(huán)境中是十分重要的,當(dāng)外部原因破壞測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)仍能保證正確的信號(hào)。
表1 各種技術(shù)的比較
圖2(B)的LVDT稱為標(biāo)準(zhǔn)頭結(jié)構(gòu)。它有一個(gè)安裝螺紋,一個(gè)裝有彈簧或空氣壓縮返回裝置的線圈架以及線性支承,用于線圈對(duì)齊。標(biāo)準(zhǔn)頭結(jié)構(gòu)具有便于安裝和對(duì)齊的優(yōu)點(diǎn)。既使機(jī)械元件最終會(huì)部分磨損,亦不影響傳感器的精度。
LVDT鐵芯是由相對(duì)高導(dǎo)磁率配方的鐵鋁合金制作的,并經(jīng)熱處理來(lái)確保沿長(zhǎng)度的均勻?qū)Т怕省ｈF芯帶有供安裝用的內(nèi)螺紋。為了獲得均勻的導(dǎo)磁率,熱處理應(yīng)在鐵芯切割成所需的長(zhǎng)度并車上螺紋后進(jìn)行。在鐵芯和被測(cè)體之間連接有鐵芯延長(zhǎng)棒,延長(zhǎng)棒用低導(dǎo)磁率材料制作,此如塑料、鋁、黃銅、不銹鋼等。
實(shí)用電路
LVDT的工作電路稱為調(diào)節(jié)電路或信號(hào)調(diào)節(jié)器。一個(gè)典型的調(diào)節(jié)電路應(yīng)包括穩(wěn)壓電路、正弦波發(fā)生器、解調(diào)器和一個(gè)放大器(圖3)。
圖3 LVDS信號(hào)調(diào)理電路
圖4 (A)簡(jiǎn)單二極管解調(diào)器 (B) 同步解調(diào)器
正弦波發(fā)生器應(yīng)具有恒定的幅度和頻率,且不受時(shí)間和溫度的影響。正弦可用文氏電橋產(chǎn)生,或用方波、階梯波經(jīng)濾波產(chǎn)生、或用其它合適的方法產(chǎn)生。
解調(diào)器可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管結(jié)構(gòu),也可以用同步解調(diào)器(圖4)。當(dāng)LVDT次級(jí)線圈的交流輸出大于1VF.S時(shí),使用圖4(A)的簡(jiǎn)單二極管解調(diào)器;如果信號(hào)幅度低于此值,由于兩個(gè)二極管正向電壓的差異,會(huì)存在溫度敏感問(wèn)題,但對(duì)較大的信號(hào)電壓,二極管誤差的影響并不明顯。
在圖4(B)的同步解調(diào)器中,兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管交替地開(kāi)關(guān),其定時(shí)與為初級(jí)供電的正弦波同步。在初級(jí)與解調(diào)器開(kāi)關(guān)間所需相移量取決于LVDT指標(biāo)和LVDT與信號(hào)調(diào)節(jié)器間的導(dǎo)線長(zhǎng)度。
正弦波發(fā)生器、解調(diào)器和放大電路已組合成商品化IC,使用這些器件將極大地簡(jiǎn)化LVDT信號(hào)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。最常用的有Philips出品的NE5521和ADI公司的AD598/698。此外,細(xì)間距封裝的標(biāo)準(zhǔn)模擬和數(shù)字器件的出現(xiàn),使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化,并可固定在LVDT外殼的內(nèi)部。
相關(guān)技術(shù)的比較
如上所述,LVDT具有諸多卓越的品質(zhì)。它的主要限制是,為得到線性性能,傳感器的外殼要比行程長(zhǎng),還有輸出信號(hào)對(duì)輸入被測(cè)量存在一定的非線性。表1列出LVDT的典型性能參數(shù)以及與其它相關(guān)技術(shù)的對(duì)照。
采用專門的調(diào)節(jié)技術(shù),可以改進(jìn)行程對(duì)外殼的長(zhǎng)度比和非線性問(wèn)題,其中一個(gè)技術(shù)就是增加微控制器進(jìn)行校正。LVDT具有良好的重復(fù)性,這一技術(shù)是可行的。
LVDT也可制作成旋轉(zhuǎn)器件,工作方式與線性模型相似,只是加工后的鐵芯沿曲線路徑移動(dòng),全量程的行程可達(dá)120o旋轉(zhuǎn)。
結(jié)語(yǔ)
雖然LVDT已問(wèn)世多年,但它仍不失為很多位置傳感問(wèn)題行之有效的解決方案。堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)提供高可靠性,而其性能十分適合行程小于±3in的多數(shù)應(yīng)用。
