可靠的高精度位置傳感——可靠的高精度位置傳感——LVDT

電子發燒友網報道（文/李寧遠）各種機械控制系統里位置傳感器絕對是必不可少的，從工業自動化的過程控制領域，到汽車電驅控制領域，到軍事及航空航天領域，精密的控制系統總是少不了高精的位置傳感器。

編碼器、AMR、GMR、TMR、霍爾、LVDT都是我們經常提到的位置傳感器。LVDT是一類直線位移傳感器，由線圈、鐵芯等部件組成的機電傳感器。其全名是線性可變差動變壓器，因為它的兩個次級繞組通常以反向串聯這種差動的方式連接。

交流與直流LVDT

LVDT有交流和直流之分，交流供電LVDT線性位移傳感器是不包含任何內置調節電路的，需要另外配置外部振蕩器、載波放大器或解調器和濾波器才能工作。交流供電LVDT線性位移傳感器根據不同的制造材料，能夠適應很寬的工作溫度范圍，甚至是完全超出直流供電LVDT的溫度范圍，比如＜20℃這種極端溫度。理論上來說，只要器件的材料選取合適，交流供電 LVDT 可以在－200℃的溫度下工作。

沒有內置調節電路的交流LVDT，在封裝尺寸上限制也比較少，能夠在結構上做得更為緊湊，在很多空間受限的地方使用。而且因為沒有內置調節電路，這種非接觸式的交流LVDT的使用壽命會更長，不管是電氣壽命還是機械壽命，另一方面這也展示出它較強的抗振抗沖擊能力。

直流供電LVDT線性位移傳感器在交流供電LVDT的基礎上內置了一個載波生成器/信號調節模塊，在保留交流LVDT的特性同時有直流操作的簡單性。和交流LVDT相比，直流LVDT有預先校準的模擬/數字輸出信號，是不需要額外的信號調節設備的。多數直流LVDT會集成誤差補償，不需要校準或依賴放大設備的LVDT在使用上更為便捷。在犧牲了一定電氣和機械壽命、一定的抗沖擊可靠性以及一定的工作范圍后，直流LVDT得到的是更簡單更直接的輸出，還稍微降低了系統的成本。

值得一提的是直流LVDT能夠選擇回路供電，由于電流信號不會衰減， 4-20 mA回路供電的直流LVDT能夠在電纜長度極長的遠程應用里發揮出極大作用。

溫度與LVDT

雖然LVDT一直是各類應用中可靠的位置反饋工具，但是它也很容易受到溫度影響。溫度的變化會以兩種不同方式影響 LVDT 的輸出信號，包括機械膨脹和 LVDT 電氣屬性的變化。

機械膨脹會影響鐵芯與繞組，讓傳感器產生錯誤的信號；溫度也可能直接改變鐵芯的磁屬性，讓整個傳感器的電氣屬性發生變化，進而讓測得數據發生錯誤。一般來說，直接影響到LVDT鐵芯的情況很少，在常見的溫度范圍內這種變化可以忽略。只有在極端環境溫度里，這種改變材料磁屬性的情況才會比較棘手?，F在一些新的制造技術和材料也使 LVDT 能夠在嚴苛環境中工作，這種LVDT不僅使用了特殊制造材料，還采用了特殊的高熔點焊接，否則無法抗衡零下幾百度的環境對材料的改變。
上面我們也說過，交流LVDT可覆蓋的工作溫度是遠超直流LVDT的，這是因為在傳感器主體內部包含電子設備的直流供電 LVDT 會受到電子信號調節模塊中的材料屬性的限制，沒辦法像交流LVDT那樣只需要保證自身的可靠性。

如何選擇LVDT？

合適的LVDT需要確定其應用條件，雖然LVDT是線性傳感器，但是很多應用不是理想的線性運動，會包含一些側向移動。這時候彈簧裝載式LVDT是更合適的選擇，它能夠完美地解決不太完美的線性運動測量。

對于線性閥門位置測量這種比較固定的應用，鐵芯分離式 LVDT則更為合適。鐵芯分離包括一個由透磁性材料組成的獨立管狀電樞，可在線圈的中空孔內沿軸向自由移動，并通過機械方式耦合到需測量位置的物體上。這意味著這個纖芯可自由活動，在工作過程中不會產生摩擦，而且這種相對簡單的運動檢測成本也比上面彈簧裝載式的低。

各種環境因素也影響了對LVDT材質的選擇，比如在化學性較強的環境里，普通的不銹鋼材質就不適用了，需要專用合金來增強LVDT的耐化學性。

在大多數常見的應用里，對工作溫度沒有高要求的情況里，簡捷的直流供電LVDT都更加方便，在內部進行信號調節，又能消除外部交流勵磁的數量、重量和成本。

小結

LVDT整個過程無摩擦的操作，在材料測試、振動位移測量和高分辨率尺寸測量系統中尤其有用。作為一類能提高高精度位置檢測的傳感器，通過簡單地增加幾個外部無源元件以設置環路帶寬、激勵頻率和增益也能很輕易地增加LVDT的靈活性，大大拓展這種高精傳感的用途。