差动变压器（Linear Variable Differential Transformer, LVDT）是一种高精度、非接触式的位移传感器，广泛应用于工业测控领域。其测量原理及误差来源如下：

一、测量原理

差动变压器通过铁芯的移动改变线圈的互感，将机械位移量转换为电信号输出：

1. 结构：

   • 1个初级线圈（位于中心）：通交流激励电压。
   • 2个对称次级线圈（反向串联）：输出感应电压差值。
   • 可移动铁芯：连接被测物体，改变磁路耦合效率。

2. 工作原理：

   • 平衡位置（铁芯居中）：两次级线圈感应电压 ( V_1 = V2 ) → 输出电势差 ( V{out} = 0 )。
   • 铁芯正向移动：( V_1 > V2 ) → ( V{out} > 0 )（与激励同相）。
   • 铁芯反向移动：( V_2 > V1 ) → ( V{out} < 0 )（与激励反相）。
   • 输出电压幅值正比于位移量，相位反映移动方向。

二、误差来源

1. 机械结构因素

• 安装偏差：传感器与被测体未对齐，导致倾斜摩擦或非线性响应。
• 铁芯导向机构间隙：机械间隙引发晃动或迟滞误差。
• 温度形变：材料热膨胀系数差异改变线圈与铁芯的相对位置（0.01–0.1%/°C）。

2. 电磁特性影响

• 铁芯材料非线性：磁滞效应使输出在往复运动中产生回程误差（通常<0.1% FS）。
• 边缘效应：铁芯移动至线圈边缘时，磁通泄漏导致输出特性非线性。
• 趋肤效应（高频时）：激励频率过高使电流集中于导线表层，增加电阻损耗。
• 杂散磁场干扰：外部交变磁场（如电机、变压器）耦合进线圈引入噪声。

3. 电路及信号处理误差

• 激励源不稳定：
  • 幅度波动（±1%）→ 直接比例影响输出精度。
  • 频率漂移 → 影响相敏解调精度（建议：使用高稳定度振荡器）。
• 温度漂移：
  • 线圈电阻温漂 → 激励电流变化（铜电阻温度系数约0.4%/°C）。
  • 电子元件（放大器、滤波器）参数随温度变化。
• 残余电压（零位电压）：
  • 结构不对称 → 铁芯居中时 ( V_{out} \neq 0 )（典型值<1% FS）。
  • 解决方法：电路补偿或软件校准。
• 解调电路误差：
  • 相敏检波器相位偏差 → 输出直流分量失真。
  • 滤波电路引入延时或幅度衰减。

4. 环境因素

• 温度剧烈变化：超过额定范围时磁性材料特性漂移。
• 机械振动：导致铁芯瞬时偏移，引入高频噪声。
• 湿度/腐蚀：长期使用中线圈绝缘下降，漏电流增加。

三、减小误差的措施

1. 结构优化：精密加工减小装配间隙，采用对称绕制降低零位电压。
2. 电磁屏蔽：金属外壳防护 + 绞合线减少外部干扰。
3. 温度补偿：使用低温度系数材料（如殷钢），或在电路中加入温度传感器动态校准。
4. 稳定激励源：恒压/恒流驱动 + 高精度晶振（频率稳定度<0.01%）。
5. 信号调理：
   • 集成式LVDT芯片（如AD598）自动处理解调与滤波。
   • 软件算法补偿非线性（如查表法或多项式拟合）。

关键总结

差动变压器的误差本质源于磁路不对称性、材料非线性、电路不理想及环境干扰。通过优化设计、精确制造和智能补偿，可将误差控制在满量程的0.1–0.5%以内，满足精密测量需求。实际应用中需定期校准并确保工况符合传感器规格。

如需特定应用场景的误差分析（如航空航天或高温环境），可进一步探讨具体案例。