LVDT位移传感器原理及应用

2022-09-15 09:01:58 Sowaysensor

LVDT位移传感器原理及应用

作者:鲍亚子深圳市信为科技发展有限公司(总工程师)

一、概述

　　随着我国国民经济的高速发展，自动化程度的不断提高，传感器的用量越来越大，开发高新技术位移传感器产品具有广阔的前景。该产品具有精度高，动态特性好，工作可靠，使用方便等特点。

　　差动变压器式位移传感器（LVDT）可广泛应用于航天航空、机械、建筑、纺织、铁路、煤炭、冶金、塑料、化工以及科研院校等国民经济各行各业，用来测量伸长、振动、物体厚度、膨胀等的高技术产品。

　　深圳市信为科技发展有限公司是专业生产位置传感器的高科技公司，我公司生产的LVDT有分体式、回弹式、气动式、耐压式,及各种定制产品，具有测量精度高，性能稳定，防水，抗冲击能力强等特点，适合较恶劣环境下使用，是客户安全放心的选择。

信为传感器

二、工作原理

　　LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变差动变压器缩写。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。

　　当初级线圈P1，P2之间供给一定频率的交变电压时，铁芯在线圈内移动改变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈S11，S22之间就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出，由于两个次级线圈电压极性相反,参见图1,输出电压为差动电压。

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图1：LVDT原理图

　　当铁芯往右移动时，次级线圈2感应的电压大于次级线圈1；当铁芯往左移动时，次级线圈1感应的电压大于次级线圈2，两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而成线性变化。图2中的虚线范围内是传感器的量程，当铁芯移动行程大于100%时（虚线之外段），两次级线圈输出电压的差值与铁芯位移线性关系变差。零点两边的实线段一般是对称的测量范围，两者都是交流信号而相位差180度。实际的LVDT线圈通常与壳体紧固为一体，铁芯与测杆紧固为另一体，当两体间发生相对位移时，就产生位移电压输出。

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图2：LVDT的输出电压

三、技术性能

• 供电电压：	直流9V~28V
• 输出信号：	0~5VDC, 0~10VDC, 4~20 mA 数字输出RS485 RTU(或ASCII)
• 频率响应（-3dB）：	50HZ（电流输出） 250Hz（最大）
• 线性误差（满量程输出）：	≤±0.25% of FS
• 重复误差：	＜0.01% of FS
• 使用温度：	-25℃~+85℃（最大-55℃~+150℃)
• 零点温度系数：	≤ 0.025%/℃
• 灵敏度温度系数：	≤0.03%/℃(额定)
• 耐振极限：	10g，2kHz
• 抗冲击能力：	150g，11ms

四、LVDT具有以下特点:

1、无摩擦测量
　　LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT 是没有摩擦的部件。它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。例如，精密材料的冲击挠度或振动测试，纤维或其它高弹材料的拉伸或蠕变测试。

2、无限的机械寿命

　　由于LVDT 的线圈及其铁芯之间没有摩擦和接触，因此不会产生任何磨损。这样LVDT的机械寿命，理论上是无限长的。在对材料和结构进行疲劳测试等应用中，这是极为重要的技术要求。此外，无限的机械寿命对于飞机、导弹、宇宙飞船以及重要工业设备中的高可靠性机械装置也同样是重要的。

3、无限的分辨率
　　LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具备两个显著的特性。第一个特性是具有真正的无限分辨率。这意味着 LVDT 可以对铁芯最微小的运动作出响应并生成输出。外部电子设备的可读性是对分辨率的唯一限制。

4、零位可重复性
　　LVDT 构造对称，零位可回复。LVDT的电气零位可重复性高，且极其稳定。用在闭环控制系统中，LVDT 是非常出色的电气零位指示器。

5、径向不敏感
　　LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。这样，LVDT 可以用于测量不是按照精准直线运动的物体，例如，可把LVDT耦合至波登管的末端测量压力。

6、输入/输出隔离
　　LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入（初级）和输出（次级）是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号元件。在要求信号线与电源地线隔离的测量和控制回路中，它的使用非常方便。

7、坚固耐用

　　制造LVDT所用的材料以及接合这些材料所用的工艺使它成为坚固耐用的变送器。即使受到工业环境中常有的强大冲击、巨幅振动，LVDT 也能继续发挥作用。铁芯与线圈分离LVDT 铁芯与线圈彼此分离，在铁芯和线圈内壁间插入非磁性隔离物，可以把加压的、腐蚀性或碱性液体与线圈组隔离开。这样，线圈组实现气密封，不再需要对运动构件进行动态密封。对于加压系统内的线圈组，只需使用静态密封即可。

8、环境适应性
　　LVDT 是少数几个可以在多种恶劣环境中工作的变送器之一。例如，密封型LVDT 采用不锈钢外壳，可以置于腐蚀性液体或气体中。有时，LVDT 被要求在极端恶劣的环境下工作。例如，在类似液氮的低温环境中或核辐射环境。虽然在大多数情况下，LVDT具有无限的工作寿命（理论上），置于恶劣环境下的LVDT，工作寿命却因环境不同而各不相同。

9、LVDT与光栅，磁栅，等高精度测长仪器相比有以下几个优点缺点：
　　优点：动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为1.5m/s以内，只能用于静态测量。
　　LVDT可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用。
　　可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压，高温，耐辐射，全密土封在水下工作。
　　可靠性非常好，能承受冲击达150g/11ms ，振动频率2KHZ加速度20g。体积小，价格低，性能价格比高。

五、如何合理选择我公司的LVDT位移传感器？

　　选型时,考虑的主要技术因素有哪些呢？这里为大家介绍一下：

　　1、位移量程。位移量程指要求测量的位移量有多大,有2.5、5、10、15、25、50、100、250、500 mm等规格。量程选择和实际需要最好相近为宜，如实际用8 mm量程,那个选10mm规格即可。

　　2、输出信号。传感器输出的信号常规的有4-20mA、0-5V、0-10V、RS-485数字式、等。一般要求远距离传输(超过20米),最好采用电流输出或数字输出,如果是多根传感器同时使用,且距离远,采用数字RS-485输出较好。
　　3、线性误差。位移测量时的误差值,用相对值表示，比如量程5mm的LVDT，线性误差为0.25%，表示测量位移时的误差值5mm×0.25%=1.25um。
　　4、分辨率。分辨率是指传感器能够测量的最小变化大小。对于LVDT位移传感器,最小分辨率最高可达0.01um,磁尺位移传感器最高分辩率达1um,数字输出的位移传感器的分辨率为16-Bit。

　　5、传感器工作环境。比如产品是否需要具备耐高低温，是否需要耐压,是否需要具备防尘防水防油以及抗电磁波辐射的功能。有些传感器对环境的粉尘比较敏感，比如光栅传感器的工作环境一定要无尘，且不能有振动,传感器需要经常擦拭干净，否则会影响检测，而LVDT或磁尺可适合恶历的工作环境。

　　6、测头的连接方式。有分体式和回弹式两种选择,如果在被测件上便于打孔固定的情况上,应选择分体式的LVDT,如果被测件上只能接触表面测量,那需要选择回弹式LVDT。

　　7、动态响应。传感器是用于测量动态或准静态场所,LVDT位移传感器动态频率最高可达300HZ, 对于动态要求高于10HZ,回弹式LVDT将不适应。

　　8、安装方式。传感器的机械尺寸、固定方式,可以根据客户具体使用环境设计安装夹具。

六、SOWAY产品应用实例

　　1.风机新能源法兰间隙测量：海上风机发电的固定叶轮的法兰间隙需要在线测量法兰上的螺铨是否松动，以防因螺铨松动发生事故。我公司的产品SDVB20Z-6, 测量位移0-6mm,精度0.25%,分辩率1um,输出RS485-RTU数字输出信号。传感器具有防潮防盐雾，传感器的主体部分和测头夹具部分分别用胶粘贴在法兰的两边，当螺铨松动时，法兰间隙发生变化，传感器产品已申请了国家新型实用专利产品。

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　　2.汽车玻璃生产: 汽车玻璃由于是一个曲面, 在测量产品是否合格时要求一次多点测量,如外型尺寸和曲面的尺寸,利用我公司生产的SDVB8-8型回弹式LVDT应用在测量汽车玻璃的曲面,同时可测20 ~60个点位,测量精度高,重复性好，传感器可互换。该产品已申请国家发明专利。

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　　3.比例阀门: 用LVDT精确测量双向比例阀的阀芯的位置,以便输出0-5V或4-20mA的标准电流信号经过与预先设定的值进行比较后输出一个调节信号给与阀相连的电磁开关线圈,以便在闭环阀门控制系统中动态精确控制阀芯的位置,我公司生产的SDVG20-8 型SDVG20-40LVDT应用在比例阀的位置检测与控制中.