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LVDT位移傳感器原理及應用

作者:鮑亞子(高級工程師)

深圳市信為科技發展有限公司

一.LVDT位移傳感器原理及應用概述

             隨著我國國民經濟的高速發展,自動化程度的不斷提高,傳感器的用量越來越大,開發高新技術位移傳感器產品具有廣闊的前景。

              該產品具有精度高,動態特性好,工作可靠,使用方便等特點。

              差動變壓器式位移傳感器(LVDT)可廣泛應用于航天航空、機械、建筑、紡織、鐵路、煤炭、冶金、塑料、化工以及科研院校等國民經濟各行各業,用來測量伸長、振動、物體厚度、膨脹等的高技術產品。

 

深圳市信為科技發展有限公司是專業生產位置傳感器的高科技公司,我公司生產的LVDT有分體式,回彈式,氣動式,耐壓式,及各種定制產品, 具有測量精度高,性能穩定,防水,抗沖擊能力強,適合較惡劣環境下使用, ,是客戶安全放心的選擇.

 

 

 

 

二、工作原理

LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是線性可變差動變壓器縮寫。工作原理簡單地說是鐵芯可動變壓器。它由一個初級線圈、兩個次級線圈、鐵芯、線圈骨架、外殼等部件組成。當鐵芯由中間向兩邊移動時,次級兩個線圈輸出電壓之差與鐵芯移動成線性關系。

當初級線圈P1P2之間供給一定頻率的交變電壓時,鐵芯在線圈內移動改變了空間的磁場分布,從而改變了初、次級線圈之間的互感量,次級線圈S11S22之間就產生感應電動勢,隨著鐵心的位置不同,互感量也不同,次級產生的感應電動勢也不同,這樣就將鐵芯的位移量變成了電壓信號輸出,由于兩個次級線圈電壓極性相反,參見圖1,輸出電壓為差動電壓。

1LVDT原理圖

 

    當鐵芯往右移動時,次級線圈2感應的電壓大于次級線圈1;當鐵芯往左移動時,次級線圈1感應的電壓大于次級線圈2,兩線圈輸出的電壓差值大小隨鐵芯位移而成線性變化。圖2中的虛線范圍內是傳感器的量程,當鐵芯移動行程大于100%時(虛線之外段),兩次級線圈輸出電壓的差值與鐵芯位移線性關系變差。零點兩邊的實線段一般是對稱的測量范圍,兩者都是交流信號而相位差180度。實際的LVDT線圈通常與殼體緊固為一體,鐵芯與測桿緊固為另一體,當兩體間發生相對位移時,就產生位移電壓輸出。

 

2LVDT的輸出電壓

 

.技術性能

    供電電壓:                        直流5V 12V~28V

    輸出信號:                     0.5~4.5VDC0~5VDC, 0~10VDC,                                    4~20 mA

    頻率響應(-3dB):                250Hz(*大)

                                              50HZ(電流輸出)

    線性誤差(滿量程輸出):            ≤±0.25% of  FS

    重復誤差:                             0.01% of FS

    使用溫度:                         -25~+85

                                              (*大-55~+150)

    零點溫度系數:                      0.008%/

    靈敏度溫度系數:                      0.025%/(額定)

    耐振極限:                                  10g2kHz

    抗沖擊能力:                              150g11ms

 

 

.為何選擇LVDT

LVDT具有以下特點:

 

1,無摩擦測量
    LVDT
的可動鐵芯和線圈之間通常沒有實體接觸,也就是說LVDT 是沒有摩擦的部件。它被用于可以承受輕質鐵芯負荷,但無法承受摩擦負荷的重要測量。 例如,精密材料的沖擊撓度或振動測試, 纖維或其它高彈材料的拉伸或蠕變測試。

2,無限的機械壽命

       由于LVDT 的線圈及其鐵芯之間沒有摩擦和接觸,因此不會產生任何磨損。這樣LVDT的機械壽命,理論上是無限長的。在對材料和結構進行疲勞測試等應用中,這是極為重要的技術要求。此外,無限的機械壽命對于飛機、導彈、宇宙飛船以及重要工業設備中的高可靠性機械裝置也同樣是重要的。

3,無限的分辨率
    LVDT
的無摩擦運作及其感應原理使它具備兩個顯著的特性。第一個特性是具有真正的無限分辨率。這意味著 LVDT 可以對鐵芯*微小的運動作出響應并生成輸出。外部電子設備的可讀性是對分辨率的唯壹限制。

4,零位可重復性
    LVDT
構造對稱,零位可回復。LVDT的電氣零位可重復性高,且極其穩定。用在閉環控制系統中,LVDT 是非常出色的電氣零位指示器。

5,徑向不敏感
    LVDT
對于鐵芯的軸向運動非常敏感,徑向運動相對遲鈍。這樣,LVDT 可以用于測量不是按照精準直線運動的物體,例如,可把LVDT耦合至波登管的末端測量壓力。

6,輸入/輸出隔離
    LVDT
被認為是變壓器的一種,因為它的勵磁輸入(初級)和輸出(次級)是完全隔離的。LVDT無需緩沖放大器,可以認為它是一種有效的模擬信號元件。在要求信號線與電源地線隔離的測量和控制回路中,它的使用非常方便。

7,堅固耐用

        制造LVDT所用的材料以及接合這些材料所用的工藝使它成為堅固耐用的變送器。即使受到工業環境中常有的強大沖擊、巨幅振動,LVDT 也能繼續發揮作用。鐵芯與線圈分離LVDT 鐵芯與線圈彼此分離,在鐵芯和線圈內壁間插入非磁性隔離物,可以把加壓的、 腐蝕性或堿性液體與線圈組隔離開。這樣,線圈組實現氣密封,不再需要對運動構件進行動態密封。對于加壓系統內的線圈組,只需使用靜態密封即可。

 8,環境適應性
    LVDT
是少數幾個可以在多種惡劣環境中工作的變送器之一。例如,密封型LVDT 采用不銹鋼外殼,可以置于腐蝕性液體或氣體中。有時,LVDT 被要求在極端惡劣的環境下工作。例如,在類似液氮的低溫環境中或核輻射環境。雖然在大多數情況下,LVDT具有無限的工作壽命(理論上),置于惡劣環境下的LVDT,工作壽命卻因環境不同而各不相同。

9,LVDT與光柵,磁柵,等高精度測長儀器相比有以下幾個優點缺點:
   
優點:動態特性好,可用于高速在線檢測,進行自動測量,自動控制。光柵、磁柵等測量速度一般為1.5m/s以內,只能用于靜態測量。
    LVDT
可在強磁場,大電流,潮濕,粉塵等惡劣環境下使用。
   
可以做成在特殊條件下工作的傳感器,如耐高壓,高溫,耐輻射,全密土封在水下工作。
   
可靠性非常好,能承受沖擊達150g/11ms ,振動頻率2KHZ加速度20g。體積小,價格低,性能價格比高。

      

 

,如何合理選擇我公司的LVDT位移傳感器

 

如何合理選擇我公司的LVDT位移傳感器?選型時,考慮的主要技術因素有哪些呢?這里為大家介紹一下:

 

1.供電電壓。傳感器

1、位移量程。位移量程指要求測量的位移量有多大,2.5,5,10,15,25,50,100,250,500 mm等規格。量程選擇和實際需要*好相近為宜,如實際用8 mm量程,那個選10mm規格即可

 

2、輸出信號。傳感器輸出的信號常規的有4-20mA0-5V0-10VRS-485數字式、等。一般要求遠距離傳輸(超過20),*好采用電流輸出或數字輸出,如果是多根傳感器同時使用,且距離遠,采用數字RS-485輸出較好
3、線性誤差。位移測量時的誤差值,用相對值表示,比如量程5mmLVDT,線性誤差為0.25%,表示測量位移時的誤差值5mm×0.25%=1.25um
4、分辨率。分辨率是指傳感器能夠測量的*小變化大小。對于LVDT位移傳感器,*小分辨率*高可達0.01um,磁尺位移傳感器*高分辯率達1um,數字輸出的位移傳感器的分辨率為16-Bit

5、傳感器工作環境。比如產品是否需要具備耐高低溫,是否需要耐壓,是否需要具備防塵防水防油以及抗電磁波輻射的功能。有些傳感器對環境的粉塵比較敏感,比如光柵傳感器的工作環境一定要無塵,且不能有振動,傳感器需要經常擦拭干凈,否則會影響檢測,而LVDT或磁尺可適合惡歷的工作環境。

 

6.測頭的連接方式。有分體式和回彈式兩種選擇,如果在被測件上便于打孔固定的情況上,應選擇分體式的LVDT,如果被測件上只能接觸表面測量,那需要選擇回彈式LVDT

 

7、動態響應。傳感器是用于測量動態或準靜態場所,LVDT位移傳感器動態頻率*高可達300HZ, 對于動態要求高于10HZ,回彈式LVDT將不適應

 

9、安裝方式。傳感器的機械尺寸、固定方式,可以根據客戶具體使用環境設計安裝夾具。

 

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