淺談某型LVDT傳感器設計

毛小玲 董偉超

摘要：基于飛行試驗中角度參數測試需求，通過研制一種非接觸式線位移（LVDT）傳感器，實現機載條件下機械結構角位移的高精確測量，保證型號任務的完成。在深入探討差動變壓器型LVDT工作原理的基礎上，對傳感器的結構和特性進行分析與設計，探討了結構參數的選取原則及各參數對LVDT性能的影響規律。簡要介紹了LVDT的靈敏度設計和零位電壓誤差的控制，總結了LVDT作為典型信號調理裝置在工程中的應用。

關鍵詞：差動變壓器，參數設計，靈敏度，信號調理

1 傳感器工作原理

LVDT線位移傳感器采用差動變壓器式原理，初級和次級線圈完全隔離，為非接觸式設計。外部正弦波信號激勵初級線圈，通過初級線圈與次級線圈弱電磁耦合，使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關系，通過電壓測量即可獲得線位移信息，即傳感器芯軸機械移動傳遞到與之相連的鐵芯，改變線繞線圈的感應電壓，輸出與

鐵芯移動距離成比例的電壓輸出信號，通過調節電路將LVDT的原始輸出信號轉換為一個比例直流信號。

LVDT線位移傳感器采用螺管型差動變壓器結構，由初級線圈P、兩個次級線圈S1、S2和插入線圈中央的鐵芯b組成，結構形式為四節式，采用該結構可以改善傳感器線性度。

2 結構設計和參數確定

2.1 結構組成

LVDT線位移傳感器采用差動變壓器式原理，主要由線鐵芯、連桿、骨架、激勵繞組、2個對稱分布的輸出繞組、調節電路、殼體、電纜等部分組成。

LVDT是將被測線位移量的變換轉換成磁路磁阻變化引起線圈互感M變化的一種裝置。當激勵繞組接入激勵電源后，輸出繞組將產生感應電壓，互感變化時輸出電壓將做相應的變化，2個輸出繞組接成差動形式，即2個感應電動勢反向串接。

2.2 鐵芯和骨架設計

骨架通常采用圓柱形，由絕緣材料制成。對骨架的要求是，高頻損耗小、抗潮濕、溫度膨脹系數小。傳感器精度低的可用膠木棒，高精度設計可采用環氧玻璃纖維、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架的形狀和尺寸要精密對稱，骨架上密繞高強度漆包線線圈。線圈一般采用36～48號，導線直徑取決于電源電壓和頻率的高低。電源電壓一般在3～30V（有效值）范圍內，電源頻率在50Hz～20kHz。[1]

鐵芯的功用是提供閉合回路、磁屏蔽和機械保護。連桿和鐵芯采用同種材料，通常采用電阻率大、導磁率高、飽和磁感應強度大的材料，如純鐵、坡莫合金、鐵氧體等。鐵氧體適用于高頻工作的鐵芯，但尺寸精度受到限制，高精度LVDT設計采用高鎳坡莫合金。應力，以改進其磁性能。

小量程差動變壓器設計，為使總磁場分布的直線化和鐵芯移動時線圈阻抗的穩定，鐵芯長度應大于線圈長度。為使在一定精度內獲得更大的測量范圍，鐵芯的最佳長度根據式1[2]計算。

式中，l為線圈的總長度，d為繞組線圈的平均直徑，li為激勵線圈的長度。

2.3 靈敏度設計

2.3.1 氣隙的選擇

氣隙的大小對差動變壓器靈敏度影響很大，Ⅱ型差動變壓器靈敏度根據式2[2]，

Ⅱ型差動變壓器氣隙一般選在0.3～1.0mm。

為提高靈敏度，設計中盡可能增大鐵芯半徑，減小螺線管線圈外徑r0，在鐵芯運動不受阻的條件下減量減小鐵芯和骨架的間隙。一般鐵芯和骨架間隙為0.2～1.0mm。

2.3.2 線圈匝數的確定

提高傳感器靈敏度的方法有二：一是提高初級線圈的匝數，在給定的窗口面積下，選用低電阻率、高強度的細線，常用直徑為DP=0.04～0.16mm的漆包線。二是提高次級與初級線圈的匝數比。初級匝數確定后（一般取500～1500匝），增加匝數比有利于提高靈敏度，但匝數比過大將造成零點輸出電壓過大，次級輸出阻抗增加而易受外部干擾。一般匝數比取1～3。

初級線圈DP選定后，根據線圈實際所占窗口面積（即線圈繞組的可利用空間，由最大結構尺寸確定）應小于允許窗口面積SK，則有式3：

計算得到初級線圈NP的匝數：

2.3.3 激勵電源頻率特性

激勵頻率的增加有利于提高線圈品質因數，從而提高靈敏度。

頻率太低時，差動變壓器的靈敏度顯著降低，溫度誤差和頻率誤差增加。隨頻率的增加，鐵損和耦合電容等影響也增加，常用激勵頻率為3KHz～10KHz。另外激勵頻率的增加引起與次級線圈相聯系的磁通量的增加，初級線圈的電抗增大，使差動變壓器的輸出電壓增大。

3 傳感器調理電路

3.1 信號調理原理

選用美國AD公司生產的AD698作信號調節，AD698與LVDT配合，能夠將LVDT的機械位移轉換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。在芯片內部，AD698將LVDT處理的次級輸出信號按比例地轉換成直流信號。

AD698內部有一個用來產生LVDT初級激磁信號的低失真正弦波振蕩器及其功率放大器，AD698驅動LVDT的初級線圈，使得LVDT的次級線圈產生感應輸出電壓，從而產生一個與磁芯位置成比例的交流輸出電壓，AD698內部的濾波器及輸出功率放大器處理LVDT的輸出電壓并產生一個和磁芯位置成比例的直流電壓信號。內部的兩個同步解調器作為解碼器來解碼初級和次級線圈電壓，解碼器確定一個比例系數，即有線圈輸出電壓和輸入驅動電壓的比值A/B。AD698通過同步解調次級線圈的已調的電壓幅值來解碼LVDT，很好的解決了主控振蕩器的幅值受到影響使輸出產生增益誤差的問題。

3.2 信號調理電路

LVDT信號調理選用美國AD公司生產的AD698集成芯片，AD698是一種完整的單片式線性位移差分變壓器信號調理系統。僅用一個單片器件來解決LVDT信號調節問題，只需外接無源元件，而且不需要任何調整。外圍的元器件可以建立的參數包括：激勵頻率和輸出幅值，零電位補償調整、濾波和信號整合等。

AD698作為信號調節具有的優點：輸入/輸出電壓及頻率適應范圍都很寬，可適用于不同類型的LVDT;可利用外部的激勵信號也能正常工作;采用比率譯碼方案，次級對初級的相移和變壓器中點電壓不會影響線路的總性能;消耗功率受超過它的允許值時，激磁輸出有過熱保護;線路不受相移或信號絕對值的大小影響，能夠通過電纜驅動300英尺（約91.4米）以外的LVDT正常工作。傳輸距離遠，輸出直流電壓能夠通過電纜傳輸到1000英尺（約304.8米）以外的地方。[3]

4 結束語

線位移傳感器作為多種機型的列裝產品，也可用于飛機模擬臺及其他地面設備的線位移測量。具有廣泛的應用前景。LVDT傳感器屬于變磁阻式傳感器，是利用磁路磁阻變化引起線圈電感或互感的改變來實現非電量測量，作為一種機電轉換裝置，將輸入的機械物理量轉換成電能量輸出，在現代工業和科學實驗，尤其在自動控制系統中應用十分廣泛，是實行非電量電測的重要傳感器之一。

參考文獻

[1] 田裕鵬，姚恩濤，李開宇.傳感器原理（第三版）.北京：科學出版社，2007.09.142～146。

中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089