什么是线性可变差动变压器

线性可变差动变压器是一种机电位置传感器，能够提供关于外力或物体线性机械位置的精确且无摩擦的位置反馈信息。从名称上看，它的工作原理与交流变压器类似，但它并非用于提供负载电流或高电压，而是利用互感的基本变压器原理来测量线性运动。

工作原理

LVDT是一种无源电感传感器，需要外部电源才能工作。它使用线圈和交变磁场来产生模拟输出电压，属于可变电感传感器的一种，主要用于测量沿线性轴的距离。

典型的LVDT由三个独立的线圈依次绕在一个中空的非磁性绝缘管上构成。其中一个磁性线圈为初级线圈，另外两个相同的线圈则形成两个次级线圈，这两个次级线圈以串联反向的方式连接，即它们在电气上相差180度，“差动”一词便由此而来。

LVDT的初级线圈由一个频率在1kHz到10kHz之间的恒定交流正弦波形源供电。初级绕组产生的磁通量通过铁芯耦合到位于其两侧的两个次级线圈中的一个或两个。一个软铁铁磁芯（也被称为“铁芯”“滑块”“柱塞”或“电枢”）可以在中心空心管内自由直线移动，这是连接物体位移的直接结果。铁芯的移动会增加或减少初级线圈和次级线圈之间的互感，由于线圈的磁耦合，铁芯的移动会依次增加或减少每个次级线圈中感应的电压，从而产生一个与铁芯位移成正比的差动输出电压，因此它也被称为“位移传感器”，“线性可变”的名称也源于此。

当可移动的软铁铁磁芯位于两个次级线圈的中心位置（“零位”）时，感应到两个次级线圈中的初级磁通量完全相同。由于两个次级线圈的绕制相位相差180度，两个次级绕组中感应的电动势相互抵消，次级输出电压为零（VOUT=0），这意味着铁芯完全位于其零位中心。当铁芯从零位稍微向一侧或另一侧移动时，其中一个次级线圈中感应的磁通量会比另一个多，导致两个次级线圈变得不平衡，从而产生与施加在初级激励线圈绕组上的峰值电压的正弦频率相关的输出电压（VOUT）。输出信号的极性和大小取决于移动铁芯的位移方向和大小，而铁芯的位移又由连接物体的运动决定。这种位移产生了一个与铁芯位置线性变化的差动电压输出。

图1典型的线性可变差动变压器传感器

特性与优势

与基于电阻电位计的传感器相比，LVDT在位置测量方面具有诸多优势。它具有非常好的线性度，即其电压输出与位移的关系十分理想，精度高、分辨率好、灵敏度高。而且由于线圈和铁芯之间没有机械连接，操作无摩擦，不存在磨损的部件。此外，“变压器”的特性意味着初级和次级绕组之间存在电气隔离，允许更大的电气连接性。同时，LVDT的初级、次级绕组和铁芯之间唯一的相互作用是磁耦合，其初级和次级绕组通常密封在环氧树脂封装中，整个传感器封装在金属外壳中，使其能够在各种潮湿或恶劣的环境条件下安全使用。

应用领域

LVDT传感器的典型用途主要集中在工业应用中。例如，在压力传感器中，被测压力推动膜片产生线性运动，该运动由LVDT转换为电压信号；在检测工具和量具中的机器人测量头中，LVDT的内部铁芯装有弹簧，使其能够返回到某个预设的参考点。此外，LVDT还可作为伺服或闭环控制系统中的零位传感器，用于需要零位重复性的场合。

实例分析

下面通过一个具体的例子来进一步说明LVDT的工作特性。假设有一个线性可变差动变压器，其行程长度为±150mm，移动时产生的分辨率为40mV/mm。我们可以据此计算不同情况下的输出电压和铁芯位置：

最大输出电压：如果1mm的移动产生40mV，那么150mm的移动产生的最大输出电压为：

铁芯位移120mm时的输出电压：如果150mm的铁芯位移产生6伏的输出，那么120mm的移动产生的输出电压为：

当输出电压为3.75伏时，铁芯的位置：通过计算可得，此时铁芯从中心的位移为：

当铁芯从+80mm移动到-80mm位移时，输出电压的变化：根据分辨率计算可知，输出电压从+3.2伏变为-3.2伏。

旋转可变差动变压器（RVDT）

虽然LVDT主要用于测量直线运动，但有一种LVDT的变体可以测量角运动，即旋转可变差动变压器（RotaryVariableDifferentialTransformer，简称RVDT）。基于电位计的传感器在使用时，由于滑动触点与其电阻轨道之间的接触会遭受机械磨损，并且在触点沿电阻轨道滑动和弹跳时会产生电噪声。而RVDT的工作原理与LVDT相同，只是使用了旋转铁磁芯。变压器的铁芯不是直的，而是形成一个圆的一部分（与环形变压器相同），这使得传感器能够测量连接物体的角位移。RVDT的可移动铁磁芯根据其角位置与次级线圈耦合，从而允许测量角位移。其电气操作与线性版本完全相同，基于改变初级和次级线圈之间的互感耦合，初级线圈仍然由交流激励电流驱动（通常在千赫兹，kHz范围内），该电流在每个串联反向的次级线圈中感应出交流电流，可移动的铁磁芯在体内旋转而不是滑动。

然而，RVDT也存在一定的局限性。它只能在相对较窄的角旋转范围内工作，尽管理论上能够进行连续旋转和速度测量，但典型的RVDT输出仅在其零位（0度）附近约±60度或更小的范围内真正线性，这主要是由于磁耦合的限制，超过这个范围，输出信号开始变得非线性且不太有用。此外，它们的灵敏度比线性版本小得多，每度旋转产生约2到5mV。

总结

线性可变差动变压器是一种用于测量从几毫米到几百毫米小线性（直线）位移的位置传感器。它没有直接的滑动机械接触或移动部件磨损，几乎无摩擦，与电阻线性电位计型位移传感器相比，提供了更好的电气性能和寿命。LVDT由一个具有初级绕组和两个电气上相差180度的次级绕组的变压器以及一个可移动的铁芯组成。当铁芯位于中心位置时，两个次级绕组中感应的电压相等且相反，输出信号为零；当铁芯从中心位置移动时，会产生一个幅度与线性位移量成正比、相位表示运动方向的信号。如果LVDT内部铁芯的测量位移从线性运动变为旋转或角运动，则该设备变为旋转可变差动变压器（RVDT），但RVDT的输出信号仅在相对较小的角旋转范围内真正线性，不适合测量完整的360度旋转。