原创 LVDT原理

基本结构
基本LVDT（见图1）由3个中孔的轴向对齐的固定线圈组成，一个铁芯可在孔膛内自由移动。在铁芯和孔膛之间有足够的间隙，防止相互接触。中心线圈是变压器初级，由50Hz~10K Hz恒定频率交流波形驱动。两侧次级线圈是反向串联绕制的，因而它们的电压是互相抵消的。

图1  LVDT的基本结构

图2  （A）典型的LVDT具有圆柱型外壳和独立的铁芯 （B）标准头结构LVDT具有内置铁芯组合件

工作原理
当铁芯位于中心时，由于变压作用，每个次级绕组感应一个幅度相等的电压，然而次级绕组是按反向串联绕制的，两个电压相位相反，因此产生的输出电压在理论上为0V，零值的正确位置应是两个次级绕组输出最低值时的位置。当然，零电压在解调后是没有意义的。当铁芯移动至零位的一侧时，线圈上的电压，一个增加，另一个减少，在输出导线上形成一个稳定的增长电压，这个交流电压经整流或解调后产生一个直流输出电压，其幅度随铁芯离零位的距离而增加，而极性（正或负）表示行进的方向。例如，LVDT的量程为±1.000in,解调后能提供±1.000V直流输出信号。那未，输出将从正满量程1.000in的+1V 线性地变化，降至零位的0V，然后当到达负满量程时继续下降至-1.000V。

由于铁芯是电感性耦合至线圈的，运动的铁心和静止的部件（线圈、外壳）之间不存在任何机械接触，因而LVDT是一种非接触式位置传感器，这表明，它可用于不断地运动着的应用，不必担心它是否会磨损。当然，要是用机械装配来对齐线圈组件，那末总会有一些磨损，使用寿应根据具体装配方法来评估（图2）。

LVDT还是一种绝对位置传感器，它提供相对于一个固定基准的距离读数，而不是相对于前一个位置的读数。这在高噪声工业环境中是十分重要的，当外部原因破坏测量数据时仍能保证正确的信号。

表1 各种技术的比较

图2（B）的LVDT称为标准头结构。它有一个安装螺纹，一个装有弹簧或空气压缩返回装置的线圈架以及线性支承，用于线圈对齐。标准头结构具有便于安装和对齐的优点。既使机械元件最终会部分磨损，亦不影响传感器的精度。

LVDT铁芯是由相对高导磁率配方的铁铝合金制作的，并经热处理来确保沿长度的均匀导磁率。铁芯带有供安装用的内螺纹。为了获得均匀的导磁率，热处理应在铁芯切割成所需的长度并车上螺纹后进行。在铁芯和被测体之间连接有铁芯延长棒，延长棒用低导磁率材料制作，此如塑料、铝、黄铜、不锈钢等。

实用电路
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（图3）。

图3  LVDS信号调理电路

图4 (A)简单二极管解调器   (B) 同步解调器

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，也可以用同步解调器（图4）。当LVDT次级线圈的交流输出大于1VF.S时，使用图4(A)的简单二极管解调器；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。

在图4(B)的同步解调器中，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。

相关技术的比较
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。表1列出LVDT的典型性能参数以及与其它相关技术的对照。
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。

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，全量程的行程可达120o旋转。