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LVDT位移传感器的原理是什么?

2021-02-07
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在机械设备的运动轴中,最常见的是直线运动。

 

对于直驱,我们一般用直线位移传感器,比如光栅尺来检测运动部件的位置。

 

而对于旋转变直线的运动轴,有时也可以用旋转编码器来检测位置,速度等参数。

 

上次,我分享了光栅尺和旋转编码器的原理。

 

光栅尺原理,横屏更好看

 

旋转编码器原理

 

今天,我想分享一下另外一种常用的直线位移传感器:LVDT。

 

什么是LVDT?

 

我查了一下,LVDT是Linear Variable Differential Transformer的缩写,表面意思是,线性可变差动变压器。

 

乍一看怎么是变压器,吓坏了。

 

原来是因为,它也是利用变压器的磁感应原理,来产生电压,再通过电路转换,得到被测位移。

 

为了方便理解,我们这里就叫LVDT传感器。

 

变压器原理:在主线圈通入交流电,在副线圈感应出电压

 


1. LVDT的结构

 

LVDT的内部主要结构,包括一个初级绕组和一对次级绕组,初级绕组位于中间,而次级绕组则沿相反方向串联,缠绕在初级绕组的两侧。运动部件是导磁铁芯,可以在空心线圈中移动,连接到要测量位置的物体上。圆柱形的屏蔽层和不锈钢外壳可以保护绕组免受损坏,并且还可以容纳感测磁场,提供电磁屏蔽。来源:te.com。

 

简化的线圈和铁芯,初级绕组位于中间,次级绕组串联,缠绕在初级绕组的两侧。每个次级线圈应具有相同的匝数和长度,以免影响零位和线性度。


 

2. LVDT传感器的原理

 

先上一张动画感知一下。

 

LVDT工作示意图

 

 

运行时,在初级绕组上施加一个小的交流电压,称为“励磁信号”,进而在两个相邻的次级绕组中感应出电动势(变压器原理),铁芯在不同的位置,次级绕组电势差不同,进而通过感应电压确定铁芯位置。来源:Honeywell。

 

 

LVDT输出电压与铁芯位置的关系,上方图是交流电幅值与铁芯位置的关系,下方图是经过电路变化以后的直流输出与铁芯位置的关系,来源te.com。

 

如果铁芯恰好位于空心管的中央,则两个次级绕组中的感应电动势会相互抵消,因为它们的相位差180°,因此最终输出电压为零。

 

当铁芯向一侧稍微移动时,其中一个次级线圈中的感应电压,将变得大于另一个次级线圈中的感应电压,从而产生电势差,并且输出交变电压。

 

当铁芯通过中心位置,从一端移动到另一端时,输出电压从最大值变为零,然后再次回到最大值,但是在此过程中,其相角改变了180度。

 

这使LVDT能够产生交流电信号,其幅度表示铁芯从中央位置开始的移动量,并且其相位角表示铁芯的移动方向。因此,这种类型的位置传感器的输出信号,既可以用感应电压大小表示位移大小,又可以根据电压极性表示运动方向,所以说这是一种绝对式传感器。

 

通常,此感应出的交流电压,通过合适的电子电路,转换为更方便使用的高电平直流电压或电流。

 

这就是LVDT的原理。

 

 

LVDT原理概括图

 

 

LVDT原理概括图



LVDT原理概括图


3. LVDT的优缺点

 

1.无限寿命


与其他类型的位移传感器相比,LVDT传感器的主要优势在于坚固耐用,理论上无限寿命,因为感应元件之间没有物理接触,没有磨损。

 

2.无限分辨率


由于该设备依赖于磁通量的耦合,因此LVDT可以具有无限的分辨率。因此,可以通过合适的信号调节,检测很小的运动,而传感器的分辨率则取决于数据采集系统的分辨率。

 

3.高线性度


在测量范围内,线性度很高,精度高。

 

4.绝对测量


LVDT是绝对输出设备,而不是增量输出设备。

 

这意味着在断电的情况下,从LVDT发送的位置数据不会丢失。重新启动测量系统后,LVDT的输出值将与断电之前的输出值相同。

 

5.测量范围广


LVDT具有非常广的位移测量范围,可用于测量1.25mm-250mm的位移。

 

6.低功耗


它将线性位移转换为易于处理的电压,功率约为1W,与其他传感器相比,功耗很低。

 

7.缺点:对外磁场,温度敏感。


因为利用了电磁感应原理,LVDT对杂散磁场敏感,因此使用时需要考虑,保护它们免受杂散磁场的影响。


此外,LVDT易受振动和温度影响。


 

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3.霍尔传感器的原理是什么?有哪些应用?有什么优缺点?

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罗罗日记

这家伙很懒,什么描述也没留下

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