什么是LVDT？
LVDT是線性可變差分變壓器(Linear Variable Differential Transformer)的首字母縮寫，這是一種常見的機電傳感器類型，能夠將其機械耦合的物體的直線運動轉換為相應的電信號。市面上常見的LVDT線性位置傳感器可以測量小至百萬分之幾英寸的運動，也可測量高達±20英寸(±0.5米)的位置。



圖1顯示了典型LVDT的組件。變壓器的內部結構包括一個位于中心的主繞組(初級繞組)和一對對稱分布在主繞組兩側、繞制完全相同的次級繞組。線圈繞制在一個由熱穩定玻璃增強聚合物制成的整體式空心骨架上，經過防潮封裝，包裹在高磁導率磁屏蔽層中，然后固定在一個圓柱形不銹鋼外殼內。這個線圈組件通常是位置傳感器的固定元件。圖1LVDT的運動元件是一個單獨的由磁導材料制成的管狀電樞，稱為鐵芯。鐵芯可以在線圈的空心內孔中自由軸向移動，并機械地連接到被測位置的物體上。該內孔通常足夠大，以在鐵芯和內孔之間提供顯著的徑向間隙，鐵芯和線圈之間沒有物理接觸

工作時，LVDT的主繞組由適當幅度和頻率的交流電激勵，這稱為初級激勵。LVDT的電輸出信號是兩個次級繞組之間的差分交流電壓，該電壓隨鐵芯在LVDT線圈內的軸向位置而變化。通常，該交流輸出電壓通過合適的電子電路轉換為更方便使用的高電平直流電壓或電流。

LVDT如何工作？



圖2說明了當LVDT的鐵芯處于不同軸向位置時會發生什么。LVDT的主繞組P由一個恒定幅度的交流電源激勵。由此產生的磁通通過鐵芯耦合到相鄰的次級繞組S1和S2。如果鐵芯位于S1和S2的中間，則耦合到每個次級的磁通相等，因此分別在繞組S1和S2中感應的電壓E1和E2相等。在這個作為參考的鐵芯中間位置，稱為零點，差分電壓輸出(E1-E2)基本上為零。

查看如圖2所示，如果鐵芯向S1移動得比向S2更近，則耦合到S1的磁通更多，耦合到S2的更少，因此感應電壓E1增加而E2減小，導致差分電壓為(E1-E2)。相反，如果鐵芯向S2移動得更近，則耦合到S2的磁通更多，耦合到S1的更少，因此E2增加而E1減小，導致差分電壓為(E2-E1)。圖2圖3A顯示了差分輸出電壓的大小EOUTEOUT如何隨鐵芯位置變化。鐵芯從零點產生最大位移時的EOUT值取決于初級激勵電壓的幅度和特定LVDT的靈敏度因子，但通常為幾伏RMS(有效值)。該交流輸出電壓EOUT的相位角(參考初級激勵電壓)保持恒定，直到鐵芯中心通過零點，此時相位角突然變化180度，如圖3B所示。



通過適當的電路，可以利用這180度的相移來確定鐵芯相對于零點的移動方向。如圖3C所示，輸出信號的極性代表了鐵芯與零點的位置關系。該圖還顯示，LVDT的輸出在其指定的鐵芯運動范圍內是非常線性的，但該傳感器也可以在擴展范圍內使用，不過輸出線性度會有所降低。

LVDT的輸出特性隨鐵芯的不同位置而變化。滿量程輸出是一個大信號，通常為一伏或更高，并且通常不需要放大。請注意，LVDT在超過滿量程的100%后仍能繼續工作，但線性度會下降。

LVDT支持電子設備
盡管LVDT是一個電力變壓器，但它需要與普通電源線截然不同的幅度和頻率的交流電源才能正常工作(通常為3Vrms，3kHz)。為LVDT提供這種激勵電源是LVDT支持電子設備的若干功能之一，該設備有時也稱為LVDT信號調理設備。

其他功能包括將LVDT的低電平交流電壓輸出轉換為更方便使用的高電平直流信號；當LVDT的鐵芯移過零點時，從180度的輸出相移中解碼方向信息；以及提供電可調的輸出零位電平。

市面上有各種LVDT信號調理電子設備，包括用于OEM應用的芯片級和板級產品，以及為用戶準備的模塊和完整的實驗室儀器。支持電子設備也可以是內置式的，如圖4所示的DC-LVDT(直流線性位移傳感器)。這些易于使用的位置傳感器實際上提供了LVDT的所有優點，同時具有直流輸入、直流輸出操作的簡便性。當然，帶有集成電子設備的LVDT可能不適用于某些應用，或者其封裝形式可能不適合某些安裝環境。

為何使用LVDT？
LVDT具有某些顯著的特性和優點，其中大部分源于其基本的物理工作原理或其所用的材料和技術。

1、無摩擦工作
LVDT最重要的特性之一是其無摩擦操作。在正常使用中，LVDT的鐵芯和線圈組件之間沒有機械接觸，因此不存在摩擦、拖拽或其他摩擦源。此特性在材料測試、振動位移測量和高分辨率尺寸測量系統中特別有用。

2、無限分辨率
由于LVDT在無摩擦結構中以電磁耦合原理工作，它可以測量鐵芯位置的無限小的變化。這種無限分辨率的能力僅受LVDT信號調理器中的噪聲和輸出顯示分辨率的限制。這些相同的因素也賦予了LVDT出色的重復性。

3、無限的機械壽命
因為LVDT的鐵芯和線圈結構之間通常沒有接觸，所以沒有部件會相互摩擦或磨損。這意味著LVDT具有無限的機械壽命。這一因素在飛機、衛星和航天器以及核設施等高可靠性應用中尤為重要。在許多工業過程控制和工廠自動化系統中，這也是非常可取的

4、過行程損壞抵抗
大多數LVDT的內孔兩端都是開放的。在發生意外過行程時，鐵芯能夠完全穿過傳感器線圈組件而不會造成損壞。這種對位置輸入過載的耐受性使LVDT成為理想傳感器，適用于例如在破壞性材料測試設備中連接到拉伸測試樣本上的引伸儀等應用。




LVDT的橫截面視圖顯示了內置的信號調理電子模塊。該模塊用灌封化合物固定，圖中未顯示該化合物。

5、單軸敏感性
LVDT對鐵芯沿線圈軸線的運動產生響應，但通常對鐵芯的橫軸運動或其徑向位置不敏感。因此，LVDT通常可以在涉及未對準或浮動運動部件的情況下，以及在鐵芯并非沿精確直線移動的情況下正常工作，而不產生不利影響

6、可分離的線圈和鐵芯
由于LVDT的鐵芯和線圈之間唯一的相互作用是磁耦合，因此可以通過在鐵芯和內孔之間插入非磁性管來將線圈組件與鐵芯隔離。這樣做可以容納加壓流體在管內，鐵芯在其中自由移動，而線圈組件不加壓。此特性常用于液壓比例和/或伺服閥中用于閥芯位置反饋的LVDT

7、環境魯棒性
LVDT組裝過程中使用的材料和構造技術造就了堅固耐用的傳感器，能夠適應各種環境條件。繞組經過粘合后，再用環氧樹脂封裝到外殼中，從而具有卓越的防潮和防濕性能，并且能夠承受所有軸向上的巨大沖擊載荷和高振動水平。內部的高磁導率磁屏蔽層最大限度地減少了外部交流場的影響

外殼和鐵芯均由耐腐蝕金屬制成，外殼還充當輔助磁屏蔽層。對于那些傳感器必須承受暴露于易燃或腐蝕性蒸汽和液體，或在加壓流體中運行的應用，可以使用各種焊接工藝將外殼和線圈組件進行氣密密封。

普通LVDT可以在非常寬的溫度范圍內工作，但如果需要，它們可以制造用于低至低溫的環境，或者使用特殊材料，在許多核反應堆中存在的高溫和輻射水平下運行。

8、零點重復性
LVDT的固有零點位置極其穩定和可重復，即使在其非常寬的工作溫度范圍內也是如此。這使得LVDT在閉環控制系統和高性能伺服平衡儀器中作為零位傳感器表現優異。

9、快速動態響應
普通操作期間摩擦的缺失使得LVDT能夠非常快速地響應鐵芯位置的變化。LVDT傳感器本身的動態響應僅受鐵芯輕微質量的慣性效應限制。更常見的是，LVDT傳感系統的響應由信號調理器的特性決定。

10、絕對輸出
LVDT是一種絕對輸出設備，而不是增量輸出設備。這意味著在電源中斷的情況下，從LVDT發送的位置數據不會丟失。當測量系統重新啟動時，LVDT的輸出值將與斷電前相同。