可靠的高精度位置傳感——可靠的高精度位置傳感——LVDT

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）各種機(jī)械控制系統(tǒng)里位置傳感器絕對(duì)是必不可少的，從工業(yè)自動(dòng)化的過(guò)程控制領(lǐng)域，到汽車電驅(qū)控制領(lǐng)域，到軍事及航空航天領(lǐng)域，精密的控制系統(tǒng)總是少不了高精的位置傳感器。

編碼器、AMR、GMR、TMR、霍爾、LVDT都是我們經(jīng)常提到的位置傳感器。LVDT是一類直線位移傳感器，由線圈、鐵芯等部件組成的機(jī)電傳感器。其全名是線性可變差動(dòng)變壓器，因?yàn)樗膬蓚€(gè)次級(jí)繞組通常以反向串聯(lián)這種差動(dòng)的方式連接。

交流與直流LVDT

LVDT有交流和直流之分，交流供電LVDT線性位移傳感器是不包含任何內(nèi)置調(diào)節(jié)電路的，需要另外配置外部振蕩器、載波放大器或解調(diào)器和濾波器才能工作。交流供電LVDT線性位移傳感器根據(jù)不同的制造材料，能夠適應(yīng)很寬的工作溫度范圍，甚至是完全超出直流供電LVDT的溫度范圍，比如＜20℃這種極端溫度。理論上來(lái)說(shuō)，只要器件的材料選取合適，交流供電 LVDT 可以在－200℃的溫度下工作。

沒(méi)有內(nèi)置調(diào)節(jié)電路的交流LVDT，在封裝尺寸上限制也比較少，能夠在結(jié)構(gòu)上做得更為緊湊，在很多空間受限的地方使用。而且因?yàn)闆](méi)有內(nèi)置調(diào)節(jié)電路，這種非接觸式的交流LVDT的使用壽命會(huì)更長(zhǎng)，不管是電氣壽命還是機(jī)械壽命，另一方面這也展示出它較強(qiáng)的抗振抗沖擊能力。

直流供電LVDT線性位移傳感器在交流供電LVDT的基礎(chǔ)上內(nèi)置了一個(gè)載波生成器/信號(hào)調(diào)節(jié)模塊，在保留交流LVDT的特性同時(shí)有直流操作的簡(jiǎn)單性。和交流LVDT相比，直流LVDT有預(yù)先校準(zhǔn)的模擬/數(shù)字輸出信號(hào)，是不需要額外的信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備的。多數(shù)直流LVDT會(huì)集成誤差補(bǔ)償，不需要校準(zhǔn)或依賴放大設(shè)備的LVDT在使用上更為便捷。在犧牲了一定電氣和機(jī)械壽命、一定的抗沖擊可靠性以及一定的工作范圍后，直流LVDT得到的是更簡(jiǎn)單更直接的輸出，還稍微降低了系統(tǒng)的成本。

值得一提的是直流LVDT能夠選擇回路供電，由于電流信號(hào)不會(huì)衰減， 4-20 mA回路供電的直流LVDT能夠在電纜長(zhǎng)度極長(zhǎng)的遠(yuǎn)程應(yīng)用里發(fā)揮出極大作用。

溫度與LVDT

雖然LVDT一直是各類應(yīng)用中可靠的位置反饋工具，但是它也很容易受到溫度影響。溫度的變化會(huì)以兩種不同方式影響 LVDT 的輸出信號(hào)，包括機(jī)械膨脹和 LVDT 電氣屬性的變化。

機(jī)械膨脹會(huì)影響鐵芯與繞組，讓傳感器產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)；溫度也可能直接改變鐵芯的磁屬性，讓整個(gè)傳感器的電氣屬性發(fā)生變化，進(jìn)而讓測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤。一般來(lái)說(shuō)，直接影響到LVDT鐵芯的情況很少，在常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)這種變化可以忽略。只有在極端環(huán)境溫度里，這種改變材料磁屬性的情況才會(huì)比較棘手?，F(xiàn)在一些新的制造技術(shù)和材料也使 LVDT 能夠在嚴(yán)苛環(huán)境中工作，這種LVDT不僅使用了特殊制造材料，還采用了特殊的高熔點(diǎn)焊接，否則無(wú)法抗衡零下幾百度的環(huán)境對(duì)材料的改變。
上面我們也說(shuō)過(guò)，交流LVDT可覆蓋的工作溫度是遠(yuǎn)超直流LVDT的，這是因?yàn)樵趥鞲衅髦黧w內(nèi)部包含電子設(shè)備的直流供電 LVDT 會(huì)受到電子信號(hào)調(diào)節(jié)模塊中的材料屬性的限制，沒(méi)辦法像交流LVDT那樣只需要保證自身的可靠性。

如何選擇LVDT？

合適的LVDT需要確定其應(yīng)用條件，雖然LVDT是線性傳感器，但是很多應(yīng)用不是理想的線性運(yùn)動(dòng)，會(huì)包含一些側(cè)向移動(dòng)。這時(shí)候彈簧裝載式LVDT是更合適的選擇，它能夠完美地解決不太完美的線性運(yùn)動(dòng)測(cè)量。

對(duì)于線性閥門位置測(cè)量這種比較固定的應(yīng)用，鐵芯分離式 LVDT則更為合適。鐵芯分離包括一個(gè)由透磁性材料組成的獨(dú)立管狀電樞，可在線圈的中空孔內(nèi)沿軸向自由移動(dòng)，并通過(guò)機(jī)械方式耦合到需測(cè)量位置的物體上。這意味著這個(gè)纖芯可自由活動(dòng)，在工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生摩擦，而且這種相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)成本也比上面彈簧裝載式的低。

各種環(huán)境因素也影響了對(duì)LVDT材質(zhì)的選擇，比如在化學(xué)性較強(qiáng)的環(huán)境里，普通的不銹鋼材質(zhì)就不適用了，需要專用合金來(lái)增強(qiáng)LVDT的耐化學(xué)性。

在大多數(shù)常見(jiàn)的應(yīng)用里，對(duì)工作溫度沒(méi)有高要求的情況里，簡(jiǎn)捷的直流供電LVDT都更加方便，在內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，又能消除外部交流勵(lì)磁的數(shù)量、重量和成本。

小結(jié)

LVDT整個(gè)過(guò)程無(wú)摩擦的操作，在材料測(cè)試、振動(dòng)位移測(cè)量和高分辨率尺寸測(cè)量系統(tǒng)中尤其有用。作為一類能提高高精度位置檢測(cè)的傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單地增加幾個(gè)外部無(wú)源元件以設(shè)置環(huán)路帶寬、激勵(lì)頻率和增益也能很輕易地增加LVDT的靈活性，大大拓展這種高精傳感的用途。