淺談某型LVDT傳感器設(shè)計(jì)

毛小玲 董偉超

摘要：基于飛行試驗(yàn)中角度參數(shù)測(cè)試需求，通過研制一種非接觸式線位移（LVDT）傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)載條件下機(jī)械結(jié)構(gòu)角位移的高精確測(cè)量，保證型號(hào)任務(wù)的完成。在深入探討差動(dòng)變壓器型LVDT工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取原則及各參數(shù)對(duì)LVDT性能的影響規(guī)律。簡(jiǎn)要介紹了LVDT的靈敏度設(shè)計(jì)和零位電壓誤差的控制，總結(jié)了LVDT作為典型信號(hào)調(diào)理裝置在工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：差動(dòng)變壓器，參數(shù)設(shè)計(jì)，靈敏度，信號(hào)調(diào)理

1 傳感器工作原理

LVDT線位移傳感器采用差動(dòng)變壓器式原理，初級(jí)和次級(jí)線圈完全隔離，為非接觸式設(shè)計(jì)。外部正弦波信號(hào)激勵(lì)初級(jí)線圈，通過初級(jí)線圈與次級(jí)線圈弱電磁耦合，使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關(guān)系，通過電壓測(cè)量即可獲得線位移信息，即傳感器芯軸機(jī)械移動(dòng)傳遞到與之相連的鐵芯，改變線繞線圈的感應(yīng)電壓，輸出與

鐵芯移動(dòng)距離成比例的電壓輸出信號(hào)，通過調(diào)節(jié)電路將LVDT的原始輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)比例直流信號(hào)。

LVDT線位移傳感器采用螺管型差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)，由初級(jí)線圈P、兩個(gè)次級(jí)線圈S1、S2和插入線圈中央的鐵芯b組成，結(jié)構(gòu)形式為四節(jié)式，采用該結(jié)構(gòu)可以改善傳感器線性度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)確定

2.1 結(jié)構(gòu)組成

LVDT線位移傳感器采用差動(dòng)變壓器式原理，主要由線鐵芯、連桿、骨架、激勵(lì)繞組、2個(gè)對(duì)稱分布的輸出繞組、調(diào)節(jié)電路、殼體、電纜等部分組成。

LVDT是將被測(cè)線位移量的變換轉(zhuǎn)換成磁路磁阻變化引起線圈互感M變化的一種裝置。當(dāng)激勵(lì)繞組接入激勵(lì)電源后，輸出繞組將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，互感變化時(shí)輸出電壓將做相應(yīng)的變化，2個(gè)輸出繞組接成差動(dòng)形式，即2個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向串接。

2.2 鐵芯和骨架設(shè)計(jì)

骨架通常采用圓柱形，由絕緣材料制成。對(duì)骨架的要求是，高頻損耗小、抗潮濕、溫度膨脹系數(shù)小。傳感器精度低的可用膠木棒，高精度設(shè)計(jì)可采用環(huán)氧玻璃纖維、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架的形狀和尺寸要精密對(duì)稱，骨架上密繞高強(qiáng)度漆包線線圈。線圈一般采用36～48號(hào)，導(dǎo)線直徑取決于電源電壓和頻率的高低。電源電壓一般在3～30V（有效值）范圍內(nèi)，電源頻率在50Hz～20kHz。[1]

鐵芯的功用是提供閉合回路、磁屏蔽和機(jī)械保護(hù)。連桿和鐵芯采用同種材料，通常采用電阻率大、導(dǎo)磁率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大的材料，如純鐵、坡莫合金、鐵氧體等。鐵氧體適用于高頻工作的鐵芯，但尺寸精度受到限制，高精度LVDT設(shè)計(jì)采用高鎳坡莫合金。應(yīng)力，以改進(jìn)其磁性能。

小量程差動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)，為使總磁場(chǎng)分布的直線化和鐵芯移動(dòng)時(shí)線圈阻抗的穩(wěn)定，鐵芯長(zhǎng)度應(yīng)大于線圈長(zhǎng)度。為使在一定精度內(nèi)獲得更大的測(cè)量范圍，鐵芯的最佳長(zhǎng)度根據(jù)式1[2]計(jì)算。

式中，l為線圈的總長(zhǎng)度，d為繞組線圈的平均直徑，li為激勵(lì)線圈的長(zhǎng)度。

2.3 靈敏度設(shè)計(jì)

2.3.1 氣隙的選擇

氣隙的大小對(duì)差動(dòng)變壓器靈敏度影響很大，Ⅱ型差動(dòng)變壓器靈敏度根據(jù)式2[2]，

Ⅱ型差動(dòng)變壓器氣隙一般選在0.3～1.0mm。

為提高靈敏度，設(shè)計(jì)中盡可能增大鐵芯半徑，減小螺線管線圈外徑r0，在鐵芯運(yùn)動(dòng)不受阻的條件下減量減小鐵芯和骨架的間隙。一般鐵芯和骨架間隙為0.2～1.0mm。

2.3.2 線圈匝數(shù)的確定

提高傳感器靈敏度的方法有二：一是提高初級(jí)線圈的匝數(shù)，在給定的窗口面積下，選用低電阻率、高強(qiáng)度的細(xì)線，常用直徑為DP=0.04～0.16mm的漆包線。二是提高次級(jí)與初級(jí)線圈的匝數(shù)比。初級(jí)匝數(shù)確定后（一般取500～1500匝），增加匝數(shù)比有利于提高靈敏度，但匝數(shù)比過大將造成零點(diǎn)輸出電壓過大，次級(jí)輸出阻抗增加而易受外部干擾。一般匝數(shù)比取1～3。

初級(jí)線圈DP選定后，根據(jù)線圈實(shí)際所占窗口面積（即線圈繞組的可利用空間，由最大結(jié)構(gòu)尺寸確定）應(yīng)小于允許窗口面積SK，則有式3：

計(jì)算得到初級(jí)線圈NP的匝數(shù)：

2.3.3 激勵(lì)電源頻率特性

激勵(lì)頻率的增加有利于提高線圈品質(zhì)因數(shù)，從而提高靈敏度。

頻率太低時(shí)，差動(dòng)變壓器的靈敏度顯著降低，溫度誤差和頻率誤差增加。隨頻率的增加，鐵損和耦合電容等影響也增加，常用激勵(lì)頻率為3KHz～10KHz。另外激勵(lì)頻率的增加引起與次級(jí)線圈相聯(lián)系的磁通量的增加，初級(jí)線圈的電抗增大，使差動(dòng)變壓器的輸出電壓增大。

3 傳感器調(diào)理電路

3.1 信號(hào)調(diào)理原理

選用美國AD公司生產(chǎn)的AD698作信號(hào)調(diào)節(jié)，AD698與LVDT配合，能夠?qū)VDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。在芯片內(nèi)部，AD698將LVDT處理的次級(jí)輸出信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。

AD698內(nèi)部有一個(gè)用來產(chǎn)生LVDT初級(jí)激磁信號(hào)的低失真正弦波振蕩器及其功率放大器，AD698驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)線圈，使得LVDT的次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)輸出電壓，從而產(chǎn)生一個(gè)與磁芯位置成比例的交流輸出電壓，AD698內(nèi)部的濾波器及輸出功率放大器處理LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個(gè)和磁芯位置成比例的直流電壓信號(hào)。內(nèi)部的兩個(gè)同步解調(diào)器作為解碼器來解碼初級(jí)和次級(jí)線圈電壓，解碼器確定一個(gè)比例系數(shù)，即有線圈輸出電壓和輸入驅(qū)動(dòng)電壓的比值A(chǔ)/B。AD698通過同步解調(diào)次級(jí)線圈的已調(diào)的電壓幅值來解碼LVDT，很好的解決了主控振蕩器的幅值受到影響使輸出產(chǎn)生增益誤差的問題。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

LVDT信號(hào)調(diào)理選用美國AD公司生產(chǎn)的AD698集成芯片，AD698是一種完整的單片式線性位移差分變壓器信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。僅用一個(gè)單片器件來解決LVDT信號(hào)調(diào)節(jié)問題，只需外接無源元件，而且不需要任何調(diào)整。外圍的元器件可以建立的參數(shù)包括：激勵(lì)頻率和輸出幅值，零電位補(bǔ)償調(diào)整、濾波和信號(hào)整合等。

AD698作為信號(hào)調(diào)節(jié)具有的優(yōu)點(diǎn)：輸入/輸出電壓及頻率適應(yīng)范圍都很寬，可適用于不同類型的LVDT;可利用外部的激勵(lì)信號(hào)也能正常工作;采用比率譯碼方案，次級(jí)對(duì)初級(jí)的相移和變壓器中點(diǎn)電壓不會(huì)影響線路的總性能;消耗功率受超過它的允許值時(shí)，激磁輸出有過熱保護(hù);線路不受相移或信號(hào)絕對(duì)值的大小影響，能夠通過電纜驅(qū)動(dòng)300英尺（約91.4米）以外的LVDT正常工作。傳輸距離遠(yuǎn)，輸出直流電壓能夠通過電纜傳輸?shù)?000英尺（約304.8米）以外的地方。[3]

4 結(jié)束語

線位移傳感器作為多種機(jī)型的列裝產(chǎn)品，也可用于飛機(jī)模擬臺(tái)及其他地面設(shè)備的線位移測(cè)量。具有廣泛的應(yīng)用前景。LVDT傳感器屬于變磁阻式傳感器，是利用磁路磁阻變化引起線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量，作為一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，將輸入的機(jī)械物理量轉(zhuǎn)換成電能量輸出，在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，尤其在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，是實(shí)行非電量電測(cè)的重要傳感器之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 田裕鵬，姚恩濤，李開宇.傳感器原理（第三版）.北京：科學(xué)出版社，2007.09.142～146。

中國飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089