线性可变差动变压器的应用研究

线性可变差动变压器（LVDT）是一种准确可靠的线性距离测量方法。LVDT可用于现代机床，机器人，航空电子设备和计算机化制造。

如图1所示，LVDT是一个位置电传感器，其输出与可移动磁芯的位置成正比。铁芯在变压器内线性移动，变压器由一个中心初级线圈和两个缠绕在圆柱形上的外部次级线圈组成。初级绕组由交流电压源（通常为几kHz）激励，感应出随组件内磁芯位置变化的次级电压。磁芯通常是螺纹的，以便于连接到非铁磁棒上，而非铁磁棒又连接到正在测量其运动或位移的物体上。

图1：线性可变差动变压器（LVDT）

次级绕组彼此异相缠绕。当磁芯居中时，两个次级绕组中的电压相互对立，净输出电压为零。当磁芯移离中心时，磁芯移向的次级电压增加，而相反的电压降低。结果是差分电压输出随磁芯位置线性变化。线性度在设计运动范围内非常出色，通常为 0.5% 或更高。LVDT 具有良好的精度、线性度、灵敏度、无限分辨率、无摩擦操作和机械坚固性。

不同的LVDT具有多种测量范围，通常从±100 μm到±25 cm。典型激励电压范围为1 V至24 V rms，频率范围为50 Hz至20 kHz。请注意，当磁芯居中时，由于两个次级绕组和漏感之间的不匹配，不会出现真正的零点。此外，输出电压的简单测量，V外不会告诉核心所在的空位置的一侧。

图 2：改进的 LVDT 输出信号处理

消除这些困难的信号调理电路如图2所示，其中减去两个输出电压的绝对值。使用这种技术，可以测量中心位置的正向和负向变化。虽然可以使用二极管/电容型整流器作为绝对值电路，但图3所示的精密整流器更精确，线性更高。输入施加于V/I转换器，V/I转换器反过来驱动模拟乘法器。差分输入的符号由比较器检测，比较器的输出通过模拟乘法器切换V/I输出的符号。最终输出是输入绝对值的精确复制品。IC设计人员非常了解这些电路，并且易于在现代双极性工艺上实现。

图3：精密绝对值电路（全波整流器）

工业标准AD598 LVDT信号调理器（如图4所示）执行所有必需的LVDT信号处理。片内激励频率振荡器可通过单个外部电容在20 Hz至20 kHz范围内设置。两个绝对值电路后跟两个滤波器用于检测A通道和B通道输入的幅度。然后使用模拟电路生成比率函数（A–B）/（A+B）。请注意，假设LVDT输出电压幅度之和在工作范围内保持不变，则此功能与初级绕组激励电压的幅度无关。大多数LVDT都是这种情况，但如果LVDT数据手册中未指定，用户应始终与制造商联系。另请注意，这种方法需要使用五线LVDT。

图4：AD598 LVDT信号调理器（简化）

单个外部电阻将AD598的激励电压设置为大约1 V至24 V rms。驱动能力为 30 mA rms。AD598可以在300英尺电缆末端驱动LVDT，因为电路不受相移或绝对信号幅度的影响。V位置输出范围外对于 6mA 负载，电压为 ±11 V，可驱动长达 1，000 英尺的电缆。五世一个和 VB输入可低至100 mV rms。

AD698 LVDT信号调理器（图5）的规格与AD598相似，但使用同步解调处理信号的方式略有不同。A 和 B 信号处理器分别由一个绝对值函数和一个滤波器组成。然后将A输出除以B输出，以产生与激励电压幅度无关的比率输出。请注意，在AD698中，LVDT次级电压的总和不必保持不变。

图5：AD698 LVDT信号调理器（简化）

AD698还可以与半桥LVDT（类似于自耦变压器）配合使用，如图6所示。在这种布置中，整个次级电压施加到 B 处理器，而中心抽头电压施加到 A 处理器。半桥LVDT不产生零电压，A/B比表示内核的行程范围。

图 6：半桥 LVDT 配置

请注意，LVDT概念可以以旋转形式实现，在这种情况下，该器件称为旋转可变差动变压器（RVDT）。轴相当于LVDT中的铁芯，变压器绕组缠绕在组件的固定部分。然而，RVDT在相对较窄的旋转范围内是线性的，并且无法测量完整的360°旋转。虽然能够连续旋转，但典型的RVDT在围绕零点位置（0°）约±40°的范围内是线性的。典型灵敏度为2.5 mV/V/旋转度，输入电压在3 V rms范围内，频率在400 Hz至20 kHz之间。0° 位置标记在轴和主体上。

审核编辑：郭婷