位移传感器的应用

位移传感器

差动测量系统

线位移差动变压器(LVDT)通常用于位置测量系统。为了测量物体的厚度，利用两个LVDT和一个AD598组成一个差动测量系统，具体线路图如图4所示。该系统能精确地测出LVDT触点所经过的二侧距离，它具有线路简单，成本低廉的特点。

该电路满量程时输出电压V OUT ＝±１０V，它是来自两个独立的LVDT信号(每个LVDT摆幅为±5V)之和。输出电压的摆幅决定于电阻R2，它可以由下式求得：V OUT =V A-VBV A+VB+VC-VDVC+VD×R2×５００μΑ(10)

LVDT介绍：

LVDT是线性可变差动变压器的缩写。工作原理是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。

LVDT工作原理：

LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。

初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系。

LVDT的工作电路称为调节电路或信号调节器。一个典型的调节电路应包括稳压电路、正弦波发生器、解调器和一个放大器。

正弦波发生器应具有恒定的幅度和频率，且不受时间和温度的影响。正弦可用文氏电桥产生，或用方波、阶梯波经滤波产生，或用其它合适的方法产生。

解调器可以是一个简单的二极管结构，当LVDT次级线圈的交流输出大于1VF.S时，使用简单二极管解调器；如果信号幅度低于此值，由于两个二极管正向电压的差异，会存在温度敏感问题，但对较大的信号电压，二极管误差的影响并不明显。也可以用同步解调器，在同步解调器中，两个场效应管交替地开关，其定时与为初级供电的正弦波同步。在初级与解调器开关间所需相移量取决于LVDT指标和LVDT与信号调节器间的导线长度。正弦波发生器、解调器和放大电路已组合成商品化IC，使用这些器件将极大地简化LVDT信号调节器的设计。最常用的有Philips出品的NE5521和

ADI公司的AD598/698。此外，细间距封装的标准模拟和数字器件的出现，使电路设计更加简化，并可固定在LVDT外壳的内部。

其具体硬件连接图如下所示：

图4

其中AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)信号调节系统。AD598与LVDT配合，能够将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。在芯片内部，AD598将LVDT 处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。AD598还可以用于旋转差动变压器(RVDT)。AD598内部有一个用来产生LVDT初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其输出入大器和接收LVDT次级输出的二个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输出入大器。在AD598的除法器中，将来自LVDT次级的这二个信号差除以这二个信号和。AD598各部分的功能框图如图1所示。

AD598LVDT信号调节电路框图

OSC:振荡器FIL TER：滤波器

AD598的传递函数：V OUT ＝ＶＡ－ＶＢＶＡ＋ＶＢ×５００μΑ×Ｒ２,

其中V A、VB为AD598的输入，R2决定其输出信号的摆幅大小。

其注意事项：

由于AD598只是单一的LVDT信号调节器，R2阻值的大小，决定摆幅的大小，而摆幅的大小与后级选用的ADC芯片输入特性有关。我们在系统中选用的ADC 输入为±１０Ｖ，R2大概阻值为22k~30k欧姆之间，具体调试后再确定。

V A、VB这样的输入信号，PCB布线时，尽量做到用地线将信号包住，所谓的“包地”，或者铺铜的形式，使得输入信号干扰少，比较干净。

LVDT 具有众多值得称道的优势和特点，应用范围广泛：

（1）无摩擦测量LVDT 的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT是没有摩擦的部件。它被用于可以承受轻质铁芯负荷，但无法承受摩擦负荷的重要测量。两个例子，精密材料的冲击挠度或振动测试，或纤维或其它高弹材料的拉伸或蠕变测试。

（2）无限的机械寿命由于LVDT的线圈及其铁芯之间没有摩擦和接触，因此不会产生任何磨损。这样，LVDT的机械寿命，理论上是无限长的。在对材料和结构进行疲劳测试等应用中，这是极为重要的技术要求。此外，无限的机械寿命对于飞机、导弹、宇宙飞船以及重要工业设备中的高可靠性机械装置也同样重要的。因此LVDT在航空发动机数字控制系统中，广泛用于对油门杆位置、油针位置、导叶位置、喷口位置等位移进行精确测量与控制。

（3）无限的分辨率LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具备两个

显著的特性。第一个特性是具有真正的无限分辨率。这意味着LVDT可以对铁芯最微小的运动作出响应并生成输出。外部电子设备的可读性是对分辨率的唯一限制。

（4）零位可重复性LVDT构造对称，零位可回复。LVDT的电气零位可重复性高，且极其稳定。用在高损益闭环控制系统中，LVDT是非常出色的电气零位指示器。它还用于复合输出与零位的两个自变量成比例的比率系统。

（5）轴向抑制LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。这样，LVDT可以用于测量不是按照精准直线运动的铁芯，例如，可把LVDT耦合至波登管的末端测量压力。

（6）坚固耐用制造LVDT所用的材料以及接合这些材料所用的工艺使它成为坚固耐用的传感器。即使受到工业环境中常有的强大冲击、巨幅振动，LVDT也能继续发挥作用。铁芯与线圈彼此分离，在铁芯和线圈内壁间插入非磁性隔离物，可以把加压的、腐蚀性或碱性液体与线圈组隔离开。这样，线圈组实现气密封，不再需要对运动构件进行动态密封。对于加压系统内的线圈组，只需使用静态密封即可。

（7）环境适应性LVDT是少数几个可以在多种恶劣环境中工作的传感器之一。例如，密封型LVDT采用不锈钢外壳，可以置于腐蚀性液体或气体中。有时，LVDT被要求在极端恶劣的环境下工作。例如，在类似液氮的低温环境中。又如，在核反应堆主安全壳内工作的LVDT，工作温度高至550℃，外加10Rads的辐射和/或3X10 NVT的中子通量。再如，在210bar承压流体中工作的LVDT。LVDT设计巧妙，可以同时适应多种恶劣环境。但是，需要特别注意的是，虽然在大多数情况下，LVDT具有无限的工作寿命（理论上），置于恶劣环境下的LVDT ，工作寿命却因环境不同的各不相同。（8）输入/输出隔离LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入（初级）和输出（次级）是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号计算元件。在高效的测量和控制回路中，它的信号线与电源地线是分离开的。如上所述，LVDT具有诸多卓越的品质。它的主要限制是，为得到线性性能，传感器的外壳要比行程长，还有输出信号对输入被测量存在一定的非线性。采用专门的调节技术，可以改进行程对外壳的长度比和非线性问题，其中一个技术就是增加微控制器进行校正。LVDT具有良好的重复性，这一技术是可行的。虽然LVDT 已问世多年，但它仍不失为很多位置传感问题行之有效的解决方案。坚固的结构提供高可靠性，而其性能十分适合行程小于±100mm的多数应用。LVDT也可制作成旋转器件，工作方式与线性模型相似，只是加工后的铁芯沿曲线路径移动，这就是接下来要介绍的RVDT。RVDT（Rotary