差动变压器的原理及具有哪些显著特性？

差动变压器指的是一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压器装置。主要用于测量位移、压力、振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可用于动态测量。

差动变压器（Linear Variable Differential Transformer，简称LVDT）是一种高精度、可靠的非接触式线性位移传感器。其工作原理基于电磁感应和差动变压。

工作原理

基本结构： LVDT由三组同轴排列的线圈构成：
- 一个初级线圈（励磁线圈）： 位于线圈骨架中央。
- 两个次级线圈（输出线圈）： 次级线圈1（S1）和次级线圈2（S2）对称地分布在初级线圈两侧，在物理结构和电气特性上完全相同。
- 可动铁芯： 由高导磁材料（如铁氧体或坡莫合金）制成，安装在非磁性材料（如不锈钢）的保护管中，可在线圈骨架内轴向移动，通常与待测位移的物体相连。
励磁： 初级线圈由恒定的交流电压（或电流）源驱动，产生一个交变磁场。
感应： 该交变磁场会通过铁芯耦合到两个次级线圈S1和S2中，分别产生感应电动势E1和E2。它们的频率与初级励磁相同，但相位取决于铁芯位置（与初级线圈的相位关系）。
差动连接： 两个次级线圈按电气反相的方式连接（异名端相连）。这意味着它们的感应电动势E1和E2在输出端是互相减除的关系。因此，LVDT的实际输出电压Vout是它们的差：Vout = E1 - E2。
位置-输出电压关系：
- 零位： 当铁芯处于整个行程的几何中心位置时，铁芯与两个次级线圈的耦合程度完全相等。此时E1 = E2，输出电压Vout = 0（理想情况下）。
- 铁芯正向移动： 当铁芯从中心位置向其中一个次级线圈（例如S1）方向移动时，铁芯与S1的磁耦合增强，而与S2的耦合减弱。因此，E1增大，E2减小，Vout = E1 - E2变为一个正值。随着铁芯远离中心点，输出电压Vout的幅度（绝对值） 逐渐增大。
- 铁芯反向移动： 当铁芯从中心位置向另一个次级线圈（S2）方向移动时，情况相反。E1减小，E2增大，Vout = E1 - E2变为一个负值。同样，离中心点越远，输出电压的幅度也越大。
- 线性范围： 在中心位置两侧一定的范围内（约占整个行程长度的30%-80%），输出电压Vout的幅度与铁芯位移量高度线性相关，而输出电压的相位指示了移动的方向（正相位通常表示一个方向，180度反相表示相反方向）。

显著特性

LVDT之所以在精密测量领域备受青睐，主要归功于其以下显著特性：

高线性度： 在规定的测量范围内，输出电压与位移量保持极好的线性关系（典型值为0.1% - 0.5% FS），这是实现高精度测量的基础。
高精度和高分辨率： 由于其结构和工作原理，LVDT能够检测非常微小的位移变化（可达亚微米级），分辨能力理论上仅受信号调理电路噪声限制。
无限分辨率： LVDT本身是一个模拟设备，没有离散的感应元件（如数字光栅或编码器的刻度）。只要信号调理电路（通常为相敏解调器）的噪声足够低，其分辨率可以是无限小的（实际上仅受电子噪声和测量设备限制）。
无摩擦、无磨损的测量： 核心与线圈之间无物理接触（仅靠磁场耦合）。这带来：
- 零迟滞： 正反向移动时输出曲线重合度高，重复性好。
- 极长的机械寿命和稳定性： 没有接触磨损部件，理论上寿命无限长。
- 低启动力： 对被测物体几乎无负载影响。
方向识别： 输出电压的相位（相对于激励信号）清楚地指示了铁芯位移的方向（正方向或反方向）。
良好的环境适应性和鲁棒性：
- 耐冲击和振动： 结构牢固。
- 宽温度范围工作： 选择合适的材料和设计，可在很宽的温度范围下工作。
- 防水防尘、防污（可选）： 外壳通常可设计成密封式。
- 对材料敏感度低： 非磁性物体在运动路径上对磁场干扰很小（除非是屏蔽性极强的材料）。
输入/输出隔离： 初级和次级线圈之间通常是电气隔离的（不共用同一个电源地），提高了抗干扰能力和安全性。
过载能力强： 即使铁芯超出其线性范围甚至碰到行程限位（只要结构允许），一般也不会损坏传感器，只是输出不再与位移成线性关系。这使得其对超程具有天然的耐受性。
低灵敏度： 对横向（径向）位移的敏感性远低于轴向位移，减少了安装误差的影响（尤其是在核心导向良好的设计中）。
可测大位移： 其行程范围可以从几毫米到几十厘米甚至更大，适应性强。
宽频率响应： LVDT的电气时间常数远小于机械时间常数，其动态响应主要受铁芯运动惯量的限制（受限于被测对象的运动速度），本身电响应可以很快（kHz级别）。

总结

差动变压器（LVDT）巧妙利用了可动铁芯改变互感，并通过次级线圈反相接法的差动输出方式，将位移量转换为与之成比例、含方向信息的交流电压差信号。其无与伦比的无磨损、无限分辨率、高线性度、高精度、高可靠性和鲁棒性等特性，使其成为要求严苛的工业自动化控制、航空航天、科研、计量检测等领域进行精密线性位移测量的首选传感器之一。