線性可變差動變壓器的應(yīng)用研究

線性可變差動變壓器（LVDT）是一種準確可靠的線性距離測量方法。LVDT可用于現(xiàn)代機床，機器人，航空電子設(shè)備和計算機化制造。

如圖1所示，LVDT是一個位置電傳感器，其輸出與可移動磁芯的位置成正比。鐵芯在變壓器內(nèi)線性移動，變壓器由一個中心初級線圈和兩個纏繞在圓柱形上的外部次級線圈組成。初級繞組由交流電壓源（通常為幾kHz）激勵，感應(yīng)出隨組件內(nèi)磁芯位置變化的次級電壓。磁芯通常是螺紋的，以便于連接到非鐵磁棒上，而非鐵磁棒又連接到正在測量其運動或位移的物體上。

圖1：線性可變差動變壓器（LVDT）

次級繞組彼此異相纏繞。當(dāng)磁芯居中時，兩個次級繞組中的電壓相互對立，凈輸出電壓為零。當(dāng)磁芯移離中心時，磁芯移向的次級電壓增加，而相反的電壓降低。結(jié)果是差分電壓輸出隨磁芯位置線性變化。線性度在設(shè)計運動范圍內(nèi)非常出色，通常為 0.5% 或更高。LVDT 具有良好的精度、線性度、靈敏度、無限分辨率、無摩擦操作和機械堅固性。

不同的LVDT具有多種測量范圍，通常從±100 μm到±25 cm。典型激勵電壓范圍為1 V至24 V rms，頻率范圍為50 Hz至20 kHz。請注意，當(dāng)磁芯居中時，由于兩個次級繞組和漏感之間的不匹配，不會出現(xiàn)真正的零點。此外，輸出電壓的簡單測量，V外不會告訴核心所在的空位置的一側(cè)。

圖 2：改進的 LVDT 輸出信號處理

消除這些困難的信號調(diào)理電路如圖2所示，其中減去兩個輸出電壓的絕對值。使用這種技術(shù)，可以測量中心位置的正向和負向變化。雖然可以使用二極管/電容型整流器作為絕對值電路，但圖3所示的精密整流器更精確，線性更高。輸入施加于V/I轉(zhuǎn)換器，V/I轉(zhuǎn)換器反過來驅(qū)動模擬乘法器。差分輸入的符號由比較器檢測，比較器的輸出通過模擬乘法器切換V/I輸出的符號。最終輸出是輸入絕對值的精確復(fù)制品。IC設(shè)計人員非常了解這些電路，并且易于在現(xiàn)代雙極性工藝上實現(xiàn)。

圖3：精密絕對值電路（全波整流器）

工業(yè)標準AD598 LVDT信號調(diào)理器（如圖4所示）執(zhí)行所有必需的LVDT信號處理。片內(nèi)激勵頻率振蕩器可通過單個外部電容在20 Hz至20 kHz范圍內(nèi)設(shè)置。兩個絕對值電路后跟兩個濾波器用于檢測A通道和B通道輸入的幅度。然后使用模擬電路生成比率函數(shù)（A–B）/（A+B）。請注意，假設(shè)LVDT輸出電壓幅度之和在工作范圍內(nèi)保持不變，則此功能與初級繞組激勵電壓的幅度無關(guān)。大多數(shù)LVDT都是這種情況，但如果LVDT數(shù)據(jù)手冊中未指定，用戶應(yīng)始終與制造商聯(lián)系。另請注意，這種方法需要使用五線LVDT。

圖4：AD598 LVDT信號調(diào)理器（簡化）

單個外部電阻將AD598的激勵電壓設(shè)置為大約1 V至24 V rms。驅(qū)動能力為 30 mA rms。AD598可以在300英尺電纜末端驅(qū)動LVDT，因為電路不受相移或絕對信號幅度的影響。V位置輸出范圍外對于 6mA 負載，電壓為 ±11 V，可驅(qū)動長達 1，000 英尺的電纜。五世一個和 VB輸入可低至100 mV rms。

AD698 LVDT信號調(diào)理器（圖5）的規(guī)格與AD598相似，但使用同步解調(diào)處理信號的方式略有不同。A 和 B 信號處理器分別由一個絕對值函數(shù)和一個濾波器組成。然后將A輸出除以B輸出，以產(chǎn)生與激勵電壓幅度無關(guān)的比率輸出。請注意，在AD698中，LVDT次級電壓的總和不必保持不變。

圖5：AD698 LVDT信號調(diào)理器（簡化）

AD698還可以與半橋LVDT（類似于自耦變壓器）配合使用，如圖6所示。在這種布置中，整個次級電壓施加到 B 處理器，而中心抽頭電壓施加到 A 處理器。半橋LVDT不產(chǎn)生零電壓，A/B比表示內(nèi)核的行程范圍。

圖 6：半橋 LVDT 配置

請注意，LVDT概念可以以旋轉(zhuǎn)形式實現(xiàn)，在這種情況下，該器件稱為旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器（RVDT）。軸相當(dāng)于LVDT中的鐵芯，變壓器繞組纏繞在組件的固定部分。然而，RVDT在相對較窄的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)是線性的，并且無法測量完整的360°旋轉(zhuǎn)。雖然能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但典型的RVDT在圍繞零點位置（0°）約±40°的范圍內(nèi)是線性的。典型靈敏度為2.5 mV/V/旋轉(zhuǎn)度，輸入電壓在3 V rms范圍內(nèi)，頻率在400 Hz至20 kHz之間。0° 位置標記在軸和主體上。

審核編輯：郭婷