線性可變差動變壓器是一種非常精確且無摩擦的位置傳感器，用于測量物體的線性位移，其輸出電壓與可移動鐵芯的位置成正比。

線性可變差動變壓器，簡稱LVDT，是一種機電位置傳感器，能夠提供關于外力或物體線性機械位置的精確且無摩擦的位置反饋信息。

顧名思義，線性可變差動變壓器的工作原理與交流變壓器相同，但它不是提供負載電流或高電壓，而是利用互感的基本變壓器原理來測量線性運動。

在我們關于互感的教程中，我們看到當兩個或多個長螺線管線圈繞在同一骨架或鐵芯上時，任何一個線圈產(chǎn)生的磁通量都會與其他線圈的磁通量相互耦合，驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁通量會增強或抵消其他線圈產(chǎn)生的磁通量。

因此，流過一個線圈的任何交流電流都會在磁耦合的其他線圈中感應出電壓，這就是LVDT的基本原理。

線性可變差動變壓器

LVDT是一種無源電感傳感器，需要外部電源才能工作。它使用線圈和交變磁場來產(chǎn)生模擬輸出電壓，使其成為一種可變電感傳感器。因此，“線性可變差動變壓器”用于測量沿線性軸的距離。

典型的線性可變差動變壓器傳感器

LVDT由三個獨立的線圈組成，這些線圈依次繞在一個中空的非磁性絕緣管上。其中一個磁性線圈被稱為初級線圈，其他兩個線圈形成兩個相同的次級線圈。

兩個次級線圈以串聯(lián)反向的方式連接在一起，即它們在電氣上相差180度。因此，其名稱中的“差動”部分由此而來。

LVDT的單個位于中心的初級線圈由一個頻率在1kHz到10kHz之間的恒定交流正弦波形源供電。初級繞組產(chǎn)生的磁通量通過鐵芯耦合到位于其兩側(cè)的兩個次級線圈中的一個或兩個。

這種布置產(chǎn)生了一個與鐵芯位移成正比的差動輸出電壓，因此它也被稱為“位移傳感器”。線性可變差動變壓器由一個初級激勵線圈和兩個以“串聯(lián)反向”方式連接的次級線圈組成。

一個軟鐵鐵磁芯，稱為“鐵芯”、“滑塊”、“柱塞”或“電樞”，可以在中心空心管內(nèi)自由直線移動，這是連接物體位移的直接結(jié)果。這會增加或減少初級線圈和次級線圈之間的互感。

由于線圈的磁耦合，鐵芯的移動會依次增加或減少每個次級線圈中感應的電壓。從而產(chǎn)生一種非常精確的測量線性位移的裝置，其輸出與可移動鐵芯的位置成正比。因此，其名稱中的“線性可變”部分由此而來。

線性可變差動變壓器

上圖顯示了LVDT的通用原理。當可移動的軟鐵鐵磁芯位于兩個次級線圈的中心位置（“零位”）時，感應到兩個次級線圈中的初級磁通量完全相同。

由于兩個次級線圈的繞制相位相差180度，兩個次級繞組中感應的電動勢相互抵消，因為VSEC1 = VSEC2，所以次級輸出電壓為零（VOUT = 0）。因此，零伏意味著鐵芯完全位于其零位中心。

當鐵芯從零位稍微向一側(cè)或另一側(cè)移動時，由于鐵磁芯的耦合效應，其中一個次級線圈中感應的磁通量會比另一個多。

這導致兩個次級線圈變得不平衡，因為遠離鐵芯的次級線圈中感應的電壓變小，而靠近鐵芯的次級線圈中感應的電壓變大。

兩個次級繞組之間的這種磁不平衡產(chǎn)生了與施加在初級激勵線圈繞組上的峰值電壓的正弦頻率相關的輸出電壓（VOUT）。

顯然，兩個次級輸出之間的差動電壓，VSEC1 – VSEC2在一個方向上，VSEC2 – VSEC1在另一個方向上，將是RMS電壓乘以相移的余弦。因此，可移動鐵芯從其中心零位向一端或另一端移動的位移越大（其行程長度），產(chǎn)生的輸出電壓就越大。

輸出信號的極性和大小取決于移動鐵芯的位移方向和大小，而鐵芯的位移又由連接物體的運動決定。這種位移產(chǎn)生了一個與鐵芯位置線性變化的差動電壓輸出。

因此，這種位置傳感器的RMS輸出電壓既有“幅度”（它是鐵芯位移的線性函數(shù)），也有“極性”（表示運動方向），如圖所示。

LVDT輸出電壓

從上面的位置-電壓圖中可以看出，當鐵芯從其范圍的一端通過中心位置移動到另一端時，初級線圈與兩個次級線圈中的任何一個之間的磁耦合增加。輸出電壓從最大值變?yōu)榱?，然后在相反方向上再次變?yōu)樽畲笾担渥兓颗c鐵芯從零點位移的距離有關。

這使得LVDT能夠產(chǎn)生一個交流輸出信號，其幅度表示從中心“零位”移動的量，其相位角表示可移動鐵芯的運動方向。

將物體連接到鐵芯上，線性可變差動變壓器傳感器可以提供關于物體位置的非常精確的信息。其范圍或行程可以從幾毫米到幾百毫米不等，因為它們的輸出被校準為每毫米產(chǎn)生特定的電壓，例如20或200 mV/mm。

也就是說，鐵芯位移一毫米將產(chǎn)生200 mV的電壓輸出。如果將輸出電壓的相位角（0度或180度）與初級線圈激勵電壓的相位角（0度）進行比較，可以知道鐵芯位于次級線圈的哪一半，從而知道運動方向。

與基于電阻電位計的傳感器相比，可變差動變壓器在位置測量方面具有許多優(yōu)勢和用途。LVDT具有非常好的線性度，即其電壓輸出與位移的關系非常好，精度高，分辨率好，靈敏度高，并且由于線圈和鐵芯之間沒有機械連接，因此操作無摩擦，沒有磨損的部件。

此外，其名稱中的“變壓器”部分意味著初級和次級繞組之間存在電氣隔離，從而允許更大的電氣連接性。

由于LVDT的初級、次級繞組和鐵芯之間唯一的相互作用是磁耦合，LVDT的初級和次級繞組通常密封在環(huán)氧樹脂封裝中，整個傳感器封裝在金屬外殼中，使其能夠在各種潮濕或惡劣的環(huán)境條件下安全使用。

線性可變差動變壓器傳感器的典型用途主要是在工業(yè)應用中作為壓力傳感器，其中被測壓力推動膜片產(chǎn)生線性運動，該運動由LVDT轉(zhuǎn)換為電壓信號，或用于檢測工具和量具中的機器人測量頭，其中LVDT的內(nèi)部鐵芯裝有彈簧，使其能夠返回到某個預設的參考點。

線性可變差動變壓器還有許多應用和用途，作為伺服或閉環(huán)控制系統(tǒng)中的零位傳感器，其中需要零位重復性。

LVDT示例1

一個線性可變差動變壓器的行程長度為±150mm，移動時產(chǎn)生的分辨率為40mV/mm。確定：

a) LVDT的最大輸出電壓。

b) 當鐵芯從其零位移動120mm時的輸出電壓。

c) 當輸出電壓為3.75伏時，鐵芯從中心的位置。

d) 當鐵芯從+80mm移動到-80mm位移時，輸出電壓的變化。

因此：

a). 最大輸出電壓，VOUT

如果1mm的移動產(chǎn)生40mV，那么150mm的移動產(chǎn)生：

b). 鐵芯位移120mm時的VOUT

如果150mm的鐵芯位移產(chǎn)生6伏的輸出，那么120mm的移動產(chǎn)生：

LVDT電壓位移

c). 當VOUT = 3.75伏時，鐵芯的位置

LVDT鐵芯位移

d). 從+80mm到-80mm位移時的電壓變化

LVDT電壓變化

因此，當鐵芯從+80mm移動到-80mm時，輸出電壓從+3.2伏變?yōu)?3.2伏。

位移傳感器有許多長度和尺寸，用于測量幾毫米到長行程的位移。雖然LVDT能夠測量直線運動，但有一種LVDT的變體可以測量角運動，稱為旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器或RVDT。

旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器

基于電位計的傳感器易于使用，但電阻電位計由于滑動觸點與其電阻軌道之間的接觸而遭受機械磨損，并且在觸點沿電阻軌道滑動和彈跳時會產(chǎn)生電噪聲。旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器的工作原理與之前的LVDT相同，只是使用了旋轉(zhuǎn)鐵磁芯。

在這里，變壓器的鐵芯不是直的，而是形成一個圓的一部分（與環(huán)形變壓器相同），這使得傳感器能夠測量連接物體的角位移。RVDT的可移動鐵磁芯根據(jù)其角位置與次級線圈耦合，從而允許測量角位移。

RVDT的電氣操作與線性版本完全相同，因為它基于改變初級和次級線圈之間的互感耦合。初級線圈仍然由交流激勵電流驅(qū)動（通常在千赫茲，kHz范圍內(nèi)），該電流在每個串聯(lián)反向的次級線圈中感應出交流電流。可移動的鐵磁芯在體內(nèi)旋轉(zhuǎn)而不是滑動。

旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器的主要缺點之一是它只能在相對較窄的角旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)工作。盡管理論上它們能夠進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)和速度測量，但典型的RVDT輸出僅在其零位（0度）附近約±60度或更小的范圍內(nèi)真正線性。

這主要是由于磁耦合的限制，超過這個范圍，輸出信號開始變得非線性且不太有用。此外，它們的靈敏度比線性版本小得多，每度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生約2到5mV。

線性可變差動變壓器總結(jié)

在本教程中，我們已經(jīng)看到線性可變差動變壓器是一種位置傳感器，用于測量從幾毫米到幾百毫米的小線性（直線）位移。LVDT沒有直接的滑動機械接觸或移動部件磨損，因此幾乎無摩擦，與電阻線性電位計型位移傳感器相比，提供了更好的電氣性能和壽命。

LVDT由一個變壓器組成，該變壓器具有一個初級繞組和兩個次級繞組，這兩個次級繞組在電氣上相差180度。LVDT還包括一個可移動的鐵芯。當鐵芯位于其中心位置時，兩個次級繞組中感應的電壓相等且相反，輸出信號為零。

當鐵芯從其中心位置移動時，一半次級繞組中感應的電壓將大于另一半，產(chǎn)生一個信號，其幅度與線性位移量成正比，其相位表示運動方向。

因此，LVDT產(chǎn)生一個與鐵芯位置線性變化的差動電壓輸出，當鐵芯從零位的一側(cè)移動到另一側(cè)時，輸出電壓的相位角變化180度。

如果LVDT內(nèi)部鐵芯的測量位移從線性運動變?yōu)樾D(zhuǎn)或角運動，則該設備變?yōu)樾D(zhuǎn)可變差動變壓器（RVDT）。然而，RVDT的輸出信號在相對較小的角旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)真正線性，不適合測量完整的360度旋轉(zhuǎn)。