線性可變差分變壓器(LVDT)已問世多年,一直是絕對位置測量普遍使用的傳感技術(shù)。該器件相對簡單、能在寬溫度范圍內(nèi)工作、具有極精細的分辨率、可靠性高、不易損壞、非常適合從微米級至幾個英寸的線性測量,缺點是當行程超過±3in時就不那么經(jīng)濟實用
基本結(jié)構(gòu)
基本LVDT(見圖1)由3個中孔的軸向?qū)R的固定線圈組成,一個鐵芯可在孔膛內(nèi)自由移動。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,由50Hz~10K Hz恒定頻率交流波形驅(qū)動。兩側(cè)次級線圈是反向串聯(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立的鐵芯 (B)標準頭結(jié)構(gòu)LVDT具有內(nèi)置鐵芯組合件
工作原理
當鐵芯位于中心時,由于變壓作用,每個次級繞組感應一個幅度相等的電壓,然而次級繞組是按反向串聯(lián)繞制的,兩個電壓相位相反,因此產(chǎn)生的輸出電壓在理論上為0V,零值的正確位置應是兩個次級繞組輸出最低值時的位置。當然,零電壓在解調(diào)后是沒有意義的。當鐵芯移動至零位的一側(cè)時,線圈上的電壓,一個增加,另一個減少,在輸出導線上形成一個穩(wěn)定的增長電壓,這個交流電壓經(jīng)整流或解調(diào)后產(chǎn)生一個直流輸出電壓,其幅度隨鐵芯離零位的距離而增加,而極性(正或負)表示行進的方向。例如,LVDT的量程為±1.000in,解調(diào)后能提供±1.000V直流輸出信號。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?shù)竭_負滿量程時繼續(xù)下降至-1.000V。
由于鐵芯是電感性耦合至線圈的,運動的鐵心和靜止的部件(線圈、外殼)之間不存在任何機械接觸,因而LVDT是一種非接觸式位置傳感器,這表明,它可用于不斷地運動著的應用,不必擔心它是否會磨損。當然,要是用機械裝配來對齊線圈組件,那末總會有一些磨損,使用壽 應根據(jù)具體裝配方法來評估(圖2)。
LVDT還是一種絕對位置傳感器,它提供相對于一個固定基準的距離讀數(shù),而不是相對于前一個位置的讀數(shù)。這在高噪聲工業(yè)環(huán)境中是十分重要的,當外部原因破壞測量數(shù)據(jù)時仍能保證正確的信號。
表1 各種技術(shù)的比較
圖2(B)的LVDT稱為標準頭結(jié)構(gòu)。它有一個安裝螺紋,一個裝有彈簧或空氣壓縮返回裝置的線圈架以及線性支承,用于線圈對齊。標準頭結(jié)構(gòu)具有便于安裝和對齊的優(yōu)點。既使機械元件最終會部分磨損,亦不影響傳感器的精度。
LVDT鐵芯是由相對高導磁率配方的鐵鋁合金制作的,并經(jīng)熱處理來確保沿長度的均勻?qū)Т怕省ｈF芯帶有供安裝用的內(nèi)螺紋。為了獲得均勻的導磁率,熱處理應在鐵芯切割成所需的長度并車上螺紋后進行。在鐵芯和被測體之間連接有鐵芯延長棒,延長棒用低導磁率材料制作,此如塑料、鋁、黃銅、不銹鋼等。
實用電路
LVDT的工作電路稱為調(diào)節(jié)電路或信號調(diào)節(jié)器。一個典型的調(diào)節(jié)電路應包括穩(wěn)壓電路、正弦波發(fā)生器、解調(diào)器和一個放大器(圖3)。
圖3 LVDS信號調(diào)理電路
圖4 (A)簡單二極管解調(diào)器 (B) 同步解調(diào)器
正弦波發(fā)生器應具有恒定的幅度和頻率,且不受時間和溫度的影響。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)器可以是一個簡單的二極管結(jié)構(gòu),也可以用同步解調(diào)器(圖4)。當LVDT次級線圈的交流輸出大于1VF.S時,使用圖4(A)的簡單二極管解調(diào)器;如果信號幅度低于此值,由于兩個二極管正向電壓的差異,會存在溫度敏感問題,但對較大的信號電壓,二極管誤差的影響并不明顯。
在圖4(B)的同步解調(diào)器中,兩個場效應管交替地開關(guān),其定時與為初級供電的正弦波同步。在初級與解調(diào)器開關(guān)間所需相移量取決于LVDT指標和LVDT與信號調(diào)節(jié)器間的導線長度。
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化LVDT信號調(diào)節(jié)器的設(shè)計。最常用的有Philips出品的NE5521和ADI公司的AD598/698。此外,細間距封裝的標準模擬和數(shù)字器件的出現(xiàn),使電路設(shè)計更加簡化,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,還有輸出信號對輸入被測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)的對照。
采用專門的調(diào)節(jié)技術(shù),可以改進行程對外殼的長度比和非線性問題,其中一個技術(shù)就是增加微控制器進行校正。LVDT具有良好的重復性,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,全量程的行程可達120o旋轉(zhuǎn)。
結(jié)語
雖然LVDT已問世多年,但它仍不失為很多位置傳感問題行之有效的解決方案。堅固的結(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)應用。
