可靠的高精度位置传感——可靠的高精度位置传感——LVDT

电子发烧友网报道（文/李宁远）各种机械控制系统里位置传感器绝对是必不可少的，从工业自动化的过程控制领域，到汽车电驱控制领域，到军事及航空航天领域，精密的控制系统总是少不了高精的位置传感器。
 
编码器、AMR、GMR、TMR、霍尔、LVDT都是我们经常提到的位置传感器。LVDT是一类直线位移传感器，由线圈、铁芯等部件组成的机电传感器。其全名是线性可变差动变压器，因为它的两个次级绕组通常以反向串联这种差动的方式连接。
 
交流与直流LVDT
 
LVDT有交流和直流之分，交流供电LVDT线性位移传感器是不包含任何内置调节电路的，需要另外配置外部振荡器、载波放大器或解调器和滤波器才能工作。交流供电LVDT线性位移传感器根据不同的制造材料，能够适应很宽的工作温度范围，甚至是完全超出直流供电LVDT的温度范围，比如＜20℃这种极端温度。理论上来说，只要器件的材料选取合适，交流供电 LVDT 可以在－200℃的温度下工作。
 
没有内置调节电路的交流LVDT，在封装尺寸上限制也比较少，能够在结构上做得更为紧凑，在很多空间受限的地方使用。而且因为没有内置调节电路，这种非接触式的交流LVDT的使用寿命会更长，不管是电气寿命还是机械寿命，另一方面这也展示出它较强的抗振抗冲击能力。
 
直流供电LVDT线性位移传感器在交流供电LVDT的基础上内置了一个载波生成器/信号调节模块，在保留交流LVDT的特性同时有直流操作的简单性。和交流LVDT相比，直流LVDT有预先校准的模拟/数字输出信号，是不需要额外的信号调节设备的。多数直流LVDT会集成误差补偿，不需要校准或依赖放大设备的LVDT在使用上更为便捷。在牺牲了一定电气和机械寿命、一定的抗冲击可靠性以及一定的工作范围后，直流LVDT得到的是更简单更直接的输出，还稍微降低了系统的成本。
 
值得一提的是直流LVDT能够选择回路供电，由于电流信号不会衰减， 4-20 mA回路供电的直流LVDT能够在电缆长度极长的远程应用里发挥出极大作用。
 
温度与LVDT
 
虽然LVDT一直是各类应用中可靠的位置反馈工具，但是它也很容易受到温度影响。温度的变化会以两种不同方式影响 LVDT 的输出信号，包括机械膨胀和 LVDT 电气属性的变化。
 
机械膨胀会影响铁芯与绕组，让传感器产生错误的信号；温度也可能直接改变铁芯的磁属性，让整个传感器的电气属性发生变化，进而让测得数据发生错误。一般来说，直接影响到LVDT铁芯的情况很少，在常见的温度范围内这种变化可以忽略。只有在极端环境温度里，这种改变材料磁属性的情况才会比较棘手。现在一些新的制造技术和材料也使 LVDT 能够在严苛环境中工作，这种LVDT不仅使用了特殊制造材料，还采用了特殊的高熔点焊接，否则无法抗衡零下几百度的环境对材料的改变。
上面我们也说过，交流LVDT可覆盖的工作温度是远超直流LVDT的，这是因为在传感器主体内部包含电子设备的直流供电 LVDT 会受到电子信号调节模块中的材料属性的限制，没办法像交流LVDT那样只需要保证自身的可靠性。
 
如何选择LVDT？
 
合适的LVDT需要确定其应用条件，虽然LVDT是线性传感器，但是很多应用不是理想的线性运动，会包含一些侧向移动。这时候弹簧装载式LVDT是更合适的选择，它能够完美地解决不太完美的线性运动测量。
 
对于线性阀门位置测量这种比较固定的应用，铁芯分离式 LVDT则更为合适。铁芯分离包括一个由透磁性材料组成的独立管状电枢，可在线圈的中空孔内沿轴向自由移动，并通过机械方式耦合到需测量位置的物体上。这意味着这个纤芯可自由活动，在工作过程中不会产生摩擦，而且这种相对简单的运动检测成本也比上面弹簧装载式的低。
 
各种环境因素也影响了对LVDT材质的选择，比如在化学性较强的环境里，普通的不锈钢材质就不适用了，需要专用合金来增强LVDT的耐化学性。
 
在大多数常见的应用里，对工作温度没有高要求的情况里，简捷的直流供电LVDT都更加方便，在内部进行信号调节，又能消除外部交流励磁的数量、重量和成本。
 
小结
 
LVDT整个过程无摩擦的操作，在材料测试、振动位移测量和高分辨率尺寸测量系统中尤其有用。作为一类能提高高精度位置检测的传感器，通过简单地增加几个外部无源元件以设置环路带宽、激励频率和增益也能很轻易地增加LVDT的灵活性，大大拓展这种高精传感的用途。