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(相关资料图)
线性可变差分变压器(LVDT)已问世多年,一直是绝对位置测量普遍使用的传感技术。该器件相对简单、能在宽温度范围内工作、具有极精细的分辨率、可靠性高、不易损坏、非常适合从微米级至几个英寸的线性测量,缺点是当行程超过±3in时就不那么经济实用
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具有园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。
结语
虽然LVDT已问世多年,但它仍不失为很多位置传感问题行之有效的解决方案。坚固的结构提供高可靠性,而其性能十分适合行程小于±3in的多数应用。■(东华)
