電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠)各種機械控制系統(tǒng)里位置傳感器絕對是必不可少的,從工業(yè)自動化的過程控制領(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電傳感器。其全名是線性可變差動變壓器,因為它的兩個次級繞組通常以反向串聯(lián)這種差動的方式連接。
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。理論上來說,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。而且因為沒有內(nèi)置調(diào)節(jié)電路,這種非接觸式的交流LVDT的使用壽命會更長,不管是電氣壽命還是機械壽命,另一方面這也展示出它較強的抗振抗沖擊能力。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)置了一個載波生成器/信號調(diào)節(jié)模塊,在保留交流LVDT的特性同時有直流操作的簡單性。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,是不需要額外的信號調(diào)節(jié)設(shè)備的。多數(shù)直流LVDT會集成誤差補償,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,由于電流信號不會衰減, 4-20 mA回路供電的直流LVDT能夠在電纜長度極長的遠程應(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。溫度的變化會以兩種不同方式影響 LVDT 的輸出信號,包括機械膨脹和 LVDT 電氣屬性的變化。機械膨脹會影響鐵芯與繞組,讓傳感器產(chǎn)生錯誤的信號;溫度也可能直接改變鐵芯的磁屬性,讓整個傳感器的電氣屬性發(fā)生變化,進而讓測得數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤。一般來說,直接影響到LVDT鐵芯的情況很少,在常見的溫度范圍內(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比較棘手。現(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焊接,否則無法抗衡零下幾百度的環(huán)境對材料的改變。上面我們也說過,交流LVDT可覆蓋的工作溫度是遠超直流LVDT的,這是因為在傳感器主體內(nèi)部包含電子設(shè)備的直流供電 LVDT 會受到電子信號調(diào)節(jié)模塊中的材料屬性的限制,沒辦法像交流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動,會包含一些側(cè)向移動。這時候彈簧裝載式LVDT是更合適的選擇,它能夠完美地解決不太完美的線性運動測量。對于線性閥門位置測量這種比較固定的應(yīng)用,鐵芯分離式 LVDT則更為合適。鐵芯分離包括一個由透磁性材料組成的獨立管狀電樞,可在線圈的中空孔內(nèi)沿軸向自由移動,并通過機械方式耦合到需測量位置的物體上。這意味著這個纖芯可自由活動,在工作過程中不會產(chǎn)生摩擦,而且這種相對簡單的運動檢測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LVDT材質(zhì)的選擇,比如在化學(xué)性較強的環(huán)境里,普通的不銹鋼材質(zhì)就不適用了,需要專用合金來增強LVDT的耐化學(xué)性。在大多數(shù)常見的應(yīng)用里,對工作溫度沒有高要求的情況里,簡捷的直流供電LVDT都更加方便,在內(nèi)部進行信號調(diào)節(jié),又能消除外部交流勵磁的數(shù)量、重量和成本。小結(jié)
LVDT整個過程無摩擦的操作,在材料測試、振動位移測量和高分辨率尺寸測量系統(tǒng)中尤其有用。作為一類能提高高精度位置檢測的傳感器,通過簡單地增加幾個外部無源元件以設(shè)置環(huán)路帶寬、激勵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。
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原文標(biāo)題:可靠的高精度位置傳感——LVDT
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