1、概覽

?? ?本篇KS詳細(xì)介紹了LVDT傳感器并解釋了它們的工作原理；并且詳細(xì)說明了測量 LVDT的要求以及測量所需的信號調(diào)理；最后，給出了一個(gè)國外LSET公司開發(fā)的9312 C模塊，可以直接插到NI cRIO平臺上采集LVDT傳感器并自動完成校準(zhǔn)解析。當(dāng)然，后續(xù)我們也會單獨(dú)給出如何利用通用的FPGA開發(fā)板和模塊來完成對LVDT傳感器的解析案例程序和驅(qū)動VI。

2、什么是線性位移測量

?? ?線性位移是指單個(gè)軸在一個(gè)方向上的運(yùn)動。線性位置或位移傳感器是一種設(shè)備，其輸出信號表示物體從參考點(diǎn)移動的距離。位移測量還可指示運(yùn)動方向，如圖1所示。線性位移通常以毫米(mm)或英寸(in.)為單位以及與之相關(guān)的正反方向。

3、線性可變差動變壓器 (LVDT)

?? ?線性可變差動變壓器(LVDT)可以用于測量位移，因?yàn)長VDT的基本工作原理是變壓器。如圖2所示，LVDT由線圈組件和磁芯組成：線圈組件通常安裝在固定組件上，而磁芯則固定在需要被測量位置的物體上。線圈組件由纏繞在空心組件上的三個(gè)線圈組成，可滲透材料的核心可以自由地滑過模板的中心。內(nèi)部線圈是初級線圈，由交流電源激發(fā)，如圖2所示。初級產(chǎn)生的磁通量耦合到兩個(gè)次級線圈，在每個(gè)線圈中感應(yīng)出交流電壓。

? ? 與其他類型的位移傳感器相比，LVDT傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是高度的堅(jiān)固性。由于傳感元件之間沒有物理接觸，傳感元件就不會存在磨損。另外，由于設(shè)備依賴于磁通量的耦合，因此LVDT具有無限分辨率。因此，可以通過調(diào)節(jié)合適的信號來檢測運(yùn)動的最小部分，這樣換能器的分辨率則完全由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率決定。

4、LVDT測量

?? ?LVDT通過將特定信號值與磁芯的任何給定位置相關(guān)聯(lián)來測量位移。信號值與位置的這種關(guān)聯(lián)是通過初級繞組上的交流激勵信號與磁芯和次級繞組的電磁耦合而發(fā)生的。磁芯的位置決定了初級線圈的信號耦合到每個(gè)次級線圈的緊密程度，兩個(gè)次級線圈是串聯(lián)相對的，即意味著串聯(lián)但方向相反，這就導(dǎo)致了每個(gè)次級上的兩個(gè)信號相位相差180度。因此，輸出信號的相位決定了方向及其幅度和距離。

?? ?圖3描繪了LVDT的橫截面圖。磁芯使初級繞組產(chǎn)生的磁場耦合到次級繞組,如圖所示，當(dāng)磁芯完美地位于次級和初級之間時(shí)，每個(gè)次級中感應(yīng)的電壓幅度相等，相位相差 180度。因此，LVDT 輸出（對于本例中所示的串聯(lián)相反連接）為零，因?yàn)殡妷合嗷サ窒?/p>

? ? 將磁芯向左移動會導(dǎo)致第一個(gè)次級與初級的耦合比第二個(gè)次級更強(qiáng)，如圖4所示。第一次級相對于第二次級產(chǎn)生的較高電壓導(dǎo)致與初級電壓同相的輸出電壓。

? ? 同理，將磁芯向右移動會導(dǎo)致第二個(gè)次級與初級的耦合比第一個(gè)次級更強(qiáng)，第二次級的較大電壓導(dǎo)致輸出電壓與初級電壓異相，如圖5所示。

? ? 總而言之，LVDT模擬了理想的低頻零階位移傳感器結(jié)構(gòu)，其中輸出是輸入的直接線性函數(shù)。它是一種可變磁阻設(shè)備，其中初級中心線圈建立磁通量，該磁通量通過中心磁芯（可移動電樞）耦合到初級兩側(cè)對稱纏繞的次級線圈。因此，通過測量電壓幅值和相位，就可以確定磁芯運(yùn)動的程度和方向，即位移。圖6顯示了器件在磁芯位移范圍內(nèi)的線性度。需要注意的是：當(dāng)磁芯在其范圍的邊界附近移動時(shí)，輸出不是線性的。這是因?yàn)閺某跫夞詈系酱判镜拇磐枯^少。但是，由于LVDT具有出色的重復(fù)性，所以兩頭靠近邊界的非線性還可以通過激光干涉儀進(jìn)行校準(zhǔn)和擬合的。

5、LVDT 的信號調(diào)理

?? ?因?yàn)長VDT的輸出信號是交流波形，所以它沒有極性。無論相對于零位移動的方向如何，LVDT的輸出幅度都會增加。

?? ?為了知道磁芯的中心位于被測器件的哪半邊，必須考慮輸出的相位以及與初級繞組上的交流激勵源相比的幅度（歸一化）。輸出相位與勵磁相位進(jìn)行比較，它可以與勵磁源同相或異相，具體取決于磁芯中心位于線圈的哪一半。

?? ?信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備必須將輸出相位信息與輸出幅度信息結(jié)合起來，這樣用戶才能知道磁芯移動的方向以及它移動到相對零位置的距離。

?? ?LVDT信號調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生一個(gè)正弦信號作為初級線圈的激勵源。該信號頻率通常在50Hz到25kHz之間。一般情況下，我們選擇的載波頻率至少比磁芯（固定在被測對象上）運(yùn)動的最高預(yù)期頻率大10倍。信號調(diào)理電路會使用相同的初級激勵源來同步解調(diào)次級輸出信號。產(chǎn)生的直流電壓與磁芯位移成正比，直流電壓的極性表示位移是朝向還是遠(yuǎn)離第一次級（位移向左或向右）。

?? ?圖7顯示的是一種較為實(shí)用的檢測方案，通常會集成到專為 LVDT 制造的單個(gè)集成電路 (IC)提供。該系統(tǒng)包含1個(gè)用于初級的信號發(fā)生器、1個(gè)相敏檢測器(PSD)和放大器/濾波器電路。

? ? LVDT傳感器的測量范圍還是很寬廣的，線性范圍從至少±50 cm到 ±1mm。時(shí)間響應(yīng)取決于磁芯所連接的設(shè)備。LVDT測量的單位通常為mV/V/mm或mV/V/in。這表明，對于施加到LVDT的每一伏刺激，每單位距離都有一個(gè)明確的mV反饋。精密設(shè)計(jì)制造的LVDT可以在磁芯運(yùn)動范圍內(nèi)提供±0.25%以內(nèi)的線性輸出，并具有非常精細(xì)的分辨率，當(dāng)然，分辨率主要受限于信號調(diào)理硬件測量電壓變化的能力。

6、如何連接LVDT

?? ?LVDT通常采用4 線（明線）和5線（比例線）配置。傳感器的電線連接到信號調(diào)節(jié)電路，該電路將LVDT的輸出轉(zhuǎn)換為可測量的電壓。圖8和圖9中的兩個(gè)電路分別描述了與調(diào)節(jié)電路的4線制和5線制外部連接方式。注意：電線的顏色可能會有所不同。

? ? 4線和5線配置的區(qū)別在于來自第一和第二次級的信號的調(diào)節(jié)方式。在4線配置中，僅測量兩個(gè)次級之間的電壓差。以下等式將測得的電壓與位移相關(guān)聯(lián)，其中G是增益或靈敏度：

?? ?使用4線配置的好處是用戶只需要外接一個(gè)簡單的信號調(diào)理系統(tǒng)即可完成采集，但是壞處是，這是以初級激勵電壓和由此產(chǎn)生的次級電壓之間的溫度穩(wěn)定性和相位相干性為代價(jià)的，溫度變化會改變 LVDT的磁感應(yīng)效率，這會導(dǎo)致給定位移的感知電壓發(fā)生變化。另外，因?yàn)?線方案對初級電壓和由此產(chǎn)生的次級電壓之間的相位變化也很敏感，長導(dǎo)線或不良的激勵源也會導(dǎo)致問題。

?? ?5線配置對初級和次級之間的溫度變化和相位差不太敏感。溫度穩(wěn)定性的原因在于，由于磁感應(yīng)效率的變化而導(dǎo)致的電壓變化對電壓V CH+和 V CH-的影響相對于地相等，因此消除了溫度的影響。同樣，相位信息由信號調(diào)節(jié)電路確定，無需參考主激勵源的相位，因此，可以在LVDT和信號調(diào)節(jié)電路之間使用更長的導(dǎo)線。以下等式將測得的電壓與位移相關(guān)聯(lián)，其中G是增益或靈敏度：

?? ?8個(gè)模擬輸入中的每一個(gè)都包含1個(gè)儀表放大器、1個(gè)可變增益級、1個(gè)解調(diào)電路和一個(gè)250 Hz低通濾波器。激勵電壓可設(shè)置為1或3 Vrms，頻率為2.5、3.3、5或10kHz。

7、NI給出的成熟方案

?? ?NI的聯(lián)盟商SET公司研發(fā)了一款名為9312的C模塊，如圖10所示，該模塊可以插到cRIO機(jī)箱里面，直接測量外部的LVDT傳感器并完成數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和解析，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)里面，我會給大家講解如何使用通用的FPGA開發(fā)板和模塊來實(shí)現(xiàn)對LVDT的激勵、信號采集和數(shù)據(jù)解析。

https://www.smart-e-tech.de/portfolio-items/lvdt-9312-demodulator/

8、神電測控采用通用的黑金FPGA開發(fā)板和AD/DA模塊實(shí)現(xiàn)LVDT仿真和采集計(jì)算（擺脫NI昂貴硬件限制，用戶可以自由開發(fā)）