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LVDT的基本工作原理 LVDT的特点 LVDT分类 国内外LVDT产品性能比较,图1-1 LVDT结构示意图和电原理图,LVDT工作原理,全世界第一个LVDT商业化产品于1948年在美国Schaevitz公司诞生，经过60多年的发展，LVDT产品已被全球大多数国家在机械、电力、电子、汽车、航空航天、冶金、煤炭、石油、交通、轻工、纺织、建材、水利等行业的工矿企业、研究所、大学、国防军工等单位广泛用于自动控制和自动测量。LVDT 位移传感器全称为：Linear Variable Differential Transformer 线性 可变 差动 变压器 LVDT位移传感器的工作原理简单地说是铁芯可动变压器，结构示意图如图1-1所示。,LVDT工作原理,LVDT由一个初级线圈P、两个次级线圈S1和S2、铁芯以及线圈骨架、外壳、等部件组成。当铁芯在线圈中心位置时，次级线圈S1、S2所感应的电压相等，由于输出是反向串接，所以输出电压为零（实际上还有很小的零位电压V0）。如图1-1所示，当铁芯向左移动时，线圈S1和线圈P之间互感量MX增加，次级线圈S1感应电压V1升高，同时线圈S2与线圈P互感量减小，次级线圈S2感应电压V2降低，两线圈电压的代数和V=V1+V2（因为S1和S2是反向串接，V1和V2相位差180，实际值V=V1-V2）随着铁芯向左移动呈线性增加。当铁芯向右移动时，两线圈电压变化相应与之相反V1+V2的代数和随铁芯向右移动输出VS线性增加，但此时相位与向左移动相差180，图1-1（c）表示次级电压与铁芯距离之间关系，即输出特性。这样就将非电量-位移转变成电压，完成传感器的功能。这里要特别指出，LVDT和一般变压器有本质上的区别，变压器为强电磁耦合，次级电压在满负载和空载差别非常大。而LVDT为弱电磁耦合，要求负载阻抗很大，次级产生的感应电流很小，由此产生的附加磁场不干扰激励磁场分布，这是与普通变压器完全不同的概念，表现出了LVDT的独特性质。,LVDT工作原理,直流LVDT，更确切地说应该称为位移变送器。它是在位移传感器LVDT基础上，外加电路，不论多大行程，都可以使其输出均为05V，或010V标准电压信号，或420mA标准电流信号的变送器，其方框图如图1-2：,图1-2,LVDT的特点,1.结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好，性能价格比高，利税 率高。2.精度：最高精度可达0.05%，一般为0.25%、0.5%。3.绝对误差：最高可达0.1m。4.重复性：好，最高可达0.1m。5.灵敏度：高，一般每mm位移输出为数百mv,最高可达几伏。6.分辨率：高，一般为0.1m，最高可达10-4m。7.测量范围：宽，0.1mm500mm甚至更大。8.工作温度范围：大，一般为-55+150可扩展到+300，传感器或变送 器分为三级：商业级：0+70 工业级：-40+85 军 级：-55+125 9.时间常数小，动态特性好，频带宽一般为200HZ（5ms）最高可500HZ（2ms）。10.毛利率高：50%。,LVDT的特点,LVDT与光栅，磁栅，同步感应器等高精度测长仪器相比有以下几个优点：1.动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为1.5m/s以内，只能用于静态测量。2.LVDT可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用。可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压，高温，耐辐射全密封在水下工作。可靠性非常好，能承受冲击1000g/11ms，振动：频率2000HZ 加速度20g。5.体积小，价格低，性能价格比高。,LVDT分类,按用途分类 交流LVDT 直流LVDT 回弹式LVDT 高压LVDT 航空航天LVDT 特种LVDT,交流LVDT 技术指标,交流LVDT的技术指标：输入电压:3Vrms(120Vrms)激励频率:2.5KHz(110KHz)线性度:0.5%;0.25%;0.2%;0.1%灵敏度:3 240 mV/V/mm(0.07 6.0 mV/V/0.001”)动态频率:行程 0 6 mm 6 mm 500 Hz 200Hz(-3dB)行程：0.127mm 508mm 0.005”20”零位电压:0.5%FSO负载阻抗:100K工作温度：-55 150温度系数：零位 0.005%FS/满度 0.01%FS/冲击:1000g 11ms振动:20g 2kHz,从以上技术指标可知，交流LVDT充分体现了LVDT的特点，特别是工作温度为-55C+150C，能承受1000g/11ms冲击，20g 2KHz振动特性是其他任何测量产品所不能比拟的。交流LVDT的不足之处是不能远传，使用时要配信号调节器。,直流LVDT 技术指标,直流LVDT是将信号调节器小型化之后，装入LVDT之内。直流LVDT的技术指标：双向输出 单向输出输入电压:15VDC+8.5+28VDC输入电流:25mA 10mA输出负载阻抗（最小）：2K输出纹波:25mVrms 10mVrms输出电压:010VDC 05VDC输出阻抗:2 动态频率:200Hz工作温度：-25+85储存温度：-25+95线性度：0.25%FS稳定性：30分钟预热之后为0.10%温度系数：零位 0.01%FS/满度 0.02%FS/冲击:250g/11ms振动:10g 2kHz,优点：（1）使用方便，特别是多个直流LVDT同时使用更显示出其优越性。（2）可以远传，420mA电流输出可以远传到数百米之外，适用于工 业自动控制。（3）可以实现二线制数字输出，双线可以同时带动32个传感器。（4）单片机电路可以对LVDT进行数字补偿，提高LVDT线性度（可达 0.05%）和温度特性（可达0.01%FS/）缺点：（1）由于受器件限制，工作温度范围较小。（2）承受冲击为250g/11ms。（3）振动为10g 2kHz。（4）体积较大。,直流LVDT优缺点,直流LVDT分类,直流LVDT按性能分为以下几种：电压输出 A.输入15V电压，输出05V或010V B.输入8.528V电压，输出05V或010V 三线制420mA电流输出 输入24V电压，输出为420mA电流，接线图如图1-3。二线制420mA电流输出 输入12.75V28VDC电压，输出420mA电流上，接线图如图1-4所示。,图1-3,图1-4,直流LVDT分类,二线制420mA电流输出技术指标：线性量程：6.35mm、12.7mm、25.4mm、50.8mm、127mm、254mm非线性：0.25英寸5.0英寸（6.36127毫米）0.5%10.0英寸（254毫米）1.0%输出：420mA，二线制环路回路供电：12.75 to 28VDC最大回路电阻：60028VDC输出噪声与纹波：25A Pk-Pk(最大)工作温度：-13F至185F（-25至85C）灵敏度温度系数：0.04%/C（最大）稳定性：30分钟预热之后为0.10%数字式位移传感器 输入8.5V30VDC电压，双线可寻址的RS-485输出，可直接显示数字输出。,回弹式LVDT,将铁芯、拉杆、轴套连在一起，使其与LVDT成为一体，以便客户安装使用。外弹簧式LVDT 外弹簧式LVDT又分为以下几种：a).简易型外弹簧，如图1-5。b).放在外管中的外弹簧，如图1-6。c).弹簧套在拉杆上，装在带螺纹的外套里，弹簧在线圈之外，如 图1-7。,图1-5,图1-6,图1-7,回弹式LVDT,内弹簧式LVDT 弹簧在线圈内运动，要求弹簧无磁，如图1-8所示。滚珠导轨式LVDT 用于精密测量，与带滚珠导轨的测量头相连接，弹簧为宝塔形态，如图1-9所示。,图1-8,图1-21,图1-9,高压LVDT,气密封型LVDT LVDT线圈密封在焊接的外管中，引出线用耐压的插座连接，如图1-10所示。,图1-10,压力大于10MPa的LVDT,必需用玻封压力端盖。,高压LVDT,一般高压LVDT 承压部分按高压结构设计，线圈和引出导线是不承受压力的，如图1-11所示，左边部分，压力头及内管是承受压力的，右边部分线圈和引出线部分是不承受压 力的，大多数压力LVDT都是这种设计。,图1-11,等压式高压LVDT 由于受各种条件限制，LVDT本身很难设计成所需要求，将外管四周打孔，使LVDT内外处于等压状况，全部放在高压环境中，如图1-12所示。,图1-12,航空传感器,航空传感器的特点：应用于恶劣环境。温度范围-551502.非常高的稳定性。温漂0.01%FS/3.非常高的一致性。灵敏度一致性0.5%，Schaevitz产品为5%4.交叉干扰小于0.5%F.S5.空间位置限制。要求行程/体长0.6，最高达78%6.要求比例输出：=0.50.0047.承受压力 1015MPa8.交流单行程输出主要产品有：CW-HKAC12-65、CW-HKAC15-55、CW-HKAC15-25,航空传感器,小行程LVDT 小行程LVDT如图1-13，CW-HKAC9.5-1.5。,图1-13,技术指标：行程：1.5mm外形：9.5 x 25.4mm线性度：0.3%工作温度：-55+150温漂：0.015%FS/,航空传感器,高稳定性高一致性LVDT 结构要求如图1-14所示，CW-HKAC12-65，外径公差为,图1-14,电气技术指标如下：行程：65 mm灵敏度一致性：=0.50.008工作温度：-55+160温漂：0.015%FS/交叉干扰：18MV,航空传感器,不对称输出LVDT 外形图见图1-15，CW-HKAC15-55。,图1-15,主要技术指标：激励电压和频率：30.03 Vrms，1800Hz18Hz 行程：-44mm+66mm 机械行程：-46mm+68mm 输出电压：1 Vrms01.5 Vrms 1%工作温度：-55+150 温漂：0.015%FS/,航空传感器,高压LVDT 外形图见图1-16所示，CW-HKAC13-25。,图1-16,主要技术指标：激励电压和频率：3Vrms 3000Hz 行程：25mm 输出电压：01.5 Vrms 1%零点电压：20mVrms 线性度：0.8%,工作温度：-55+160温漂：0.01%FS/输入阻抗：300 OHMS输出阻抗：2K OHMS绝缘电阻：10 M承受压力：10MPa,航空传感器,大行程高稳定性LVDT 外形图见图1-17，CW-HKAC20-384，行程与体长之比为78%。,图1-17,特种LVDT,高温LVDT 主要技术指标：输入电压和频率：3Vrms 2.5KHz 行程：25mm 线性度：0.25%灵敏度：18mV/V/mm 工作温度：-50+300 输入阻抗：600 OHMS 20%骨架用12.7x 1.6 x 164mm陶瓷 管，绝缘垫片是可承受800的 HP6M-3无机胶白云母垫片。,高精度高稳定性防幅射LVDT 主要技术指标：激励频率：2.5KHz 激励电压：3Vrms(5 Vrms Max)行程：40mm 机械行程：50mm 线性度：0.1%FS 灵敏度：15mV/V/mm 工作温度：0 155 温漂：0.01%/(+10+70)抗辐射：50 M Gray 外形图见图1-18,图1-18,特种LVDT,高精度高稳定性防幅射LVDT的应用，欧洲大型强子对撞机工作原理示意图如下。,图1-19,特种LVDT,欧洲大型强子对撞机客户测试报告,特种LVDT,大型强子对撞机简介：大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，旨在探究宇宙起源，它建在法国与瑞士边境下一条16.7英里（约合27公里）长的环形隧道内，如图1-20，由欧洲核子研究中心负责管理。大型强子对撞机共有4台探测器构成，它们分别安装在环形隧道的4个地下巨洞内，分布在大型强子对撞周围。其中，ALICE探测器高16米、重约1万吨，如图1-21。大型强子对撞机创造了一个迷你版本的“宇宙大爆炸”，如图1-22，而宇宙正是诞生于大约140亿年前的大爆炸。报道称，实验的成功将开启粒子物理学研究的新世纪。据报道，迷你版“宇宙大爆炸”是通过令铅离子高速撞击产生的，撞击产生的温度是太阳核心温度的100万倍，重现了大爆炸后宇宙的瞬间状况。,特种LVDT,图1-20 大型强子对撞机环形隧道,图1-21 大型强子对撞机结构图,图1-22 迷你“宇宙大爆炸”效果图,特种LVDT,超高温或超低温防幅射LVDT 工作温度从-195550可以抵抗高达1011rads或109gray的辐射，实物照片见图1-23。,图1-23,主要技术指标：输入电压：3 Vrms（标称）频率范围：400Hz至5KHz工作温度：-320F至+1022F（-195至550）温度允限：-450F至+1200F（-270至650）零点电压：0.5%满量程输出耐受冲击：10g（11毫秒）振动允限：10g（2KHz）线圈材料：陶瓷外壳材料：AISI 304系列不锈钢导线：28 AWG 固态镍，MgO绝缘，标准全长72英寸（180厘米）；直径3/16英寸（4.75毫米），最小弯道半径1/2英寸（12.5毫米）的不锈钢护套。,双余度LVDT 外形如图1-24，每个外壳中装两个相同的LVDT。,图1-24,特种LVDT,主要技术指标：输入电压和频率：7Vrms 3KHz1%行 程：0 1.5inch 输出电压：0.73.5 Vrms 0.1 不同行程 0 50%100%Vrms 0.70.1 2.10.1 3.50.1 工作温度：-40+121 负载阻抗：10K OHMS 相 位：10,高灵敏度高分辨率LVDT 外形见图1-25。,图1-25,特种LVDT,技术指标：激励电压和频率：7.00.07 Vrms 180018Hz 行程：0.5mm 零点电压：8m Vrms 线性度：0.3%FS 温度漂移：0.015%FS/重复性：0.15%绝缘电阻：10M OHMS 工作温度：-55+150,实测0.5mm输出为1.07 Vrms，灵敏度高达305.7mv/v/mm，分辨率为0.1m，51/2 数字电压表 行程0.1m 可显示000.214mv。,超小型LVDT 外形图见图1-26，外形尺寸4.77x19，行程1.25mm，实物照片见 图1-27所示。微型LVDT的特点：它特别适用于对微型组件进行多点测 量。铁芯重量基本上可以忽略不计。生产时需要采用极其复杂的装配工 艺。线圈用细如毛发的金属丝绕成。导线焊接和一些精密的装配活由技术 娴熟的专业人员借助双目显微镜进行。外壳可屏蔽电磁。,图1-26,特种LVDT,技术指标：输入电压：1 Vrms（最大）频率范围：2.5kHz 至 20kHz 工作温度：-65F至300F（-25C至85C）零点电压：1.0%FS 耐受冲击：1000g/11ms 振动允限：20g/2kHz 线圈材料：层状玻璃纤维环氧树脂 外壳材料：ASI 400系列磁性不锈钢 导线：36 AWG 多芯铜，聚四氟乙烯绝缘,图1-27,国内外LVDT产品性能比较,型号,国内外LVDT产品性能比较,从以上产品数据可以看出国内外LVDT产品差距：1.国内产品灵敏度低，特别是小行程LVDT例如2.5mm,国内灵敏度15mv/v/mm,国外灵敏度：100 232mv/v/mm。2.工作温度范围：国内-10+70 仅为商业级水平。国外一般为-50+125 达军级水平，Schaevitz公司可达-55+150。3.满度温度系数差距较大。国内为：250PPm/300PPm/,即0.025%/0.03%/。国外为：50PPm/100PPm/,即0.005%/0.01%/。注：JB/T 9257-2019标准 温度每变化10，零点和量程变化 0.1级 0.2级 0.3级 0.5级 0.07%0.14%0.18%0.3%即0.007%/C 0.014%/C 0.018%/C 0.03%/C4.承受冲击和振动：国外产品特别是Schaevitz公司比国内高的多。国内(JB/T 9257-2019标准)Schaevitz 冲击 10g/11ms 1000g/11ms振动 1g/60 50Hz 20g/2000Hz 综合评价，国内产品目前仅处于0.5级即商业级水平，用在要求不高的场合。国外产品在稳定性，可靠性，一致性方面比国内同类产品高的多，可以用到工业自动控制和军事等要求高的场合。,注1：Schaevitz公司已于2000年加入MEAS集团公司。,谢谢！,