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可靠的高精度位置傳感——LVDT

Robot Vision ? 來(lái)源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:李寧遠 ? 2022-11-05 03:25 ? 次閱讀
電子發(fā)燒友網(wǎng)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(yè)自動(dòng)化的過(guò)程控制領(lǐng)域,到汽車(chē)電驅控制領(lǐng)域,到軍事及航空航天領(lǐng)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(jīng)常提到的位置傳感器。LVDT是一類(lèi)直線(xiàn)位移傳感器,由線(xiàn)圈、鐵芯等部件組成的機電傳感器。其全名是線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器,因為它的兩個(gè)次級繞組通常以反向串聯(lián)這種差動(dòng)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(xiàn)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(xiàn)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(lái)說(shuō),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(méi)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(méi)有內置調節電路,這種非接觸式的交流LVDT的使用壽命會(huì )更長(cháng),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(xiàn)性位移傳感器在交流供電LVDT的基礎上內置了一個(gè)載波生成器/信號調節模塊,在保留交流LVDT的特性同時(shí)有直流操作的簡(jiǎn)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(huì )集成誤差補償,不需要校準或依賴(lài)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(jiǎn)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(huì )衰減, 4-20 mA回路供電的直流LVDT能夠在電纜長(cháng)度極長(cháng)的遠程應用里發(fā)揮出極大作用。

溫度與LVDT

雖然LVDT一直是各類(lèi)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(huì )以?xún)煞N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(huì )影響鐵芯與繞組,讓傳感器產(chǎn)生錯誤的信號;溫度也可能直接改變鐵芯的磁屬性,讓整個(gè)傳感器的電氣屬性發(fā)生變化,進(jìn)而讓測得數據發(fā)生錯誤。一般來(lái)說(shuō),直接影響到LVDT鐵芯的情況很少,在常見(jiàn)的溫度范圍內這種變化可以忽略。只有在極端環(huán)境溫度里,這種改變材料磁屬性的情況才會(huì )比較棘手?,F在一些新的制造技術(shù)和材料也使 LVDT 能夠在嚴苛環(huán)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(diǎn)焊接,否則無(wú)法抗衡零下幾百度的環(huán)境對材料的改變。上面我們也說(shuō)過(guò),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(huì )受到電子信號調節模塊中的材料屬性的限制,沒(méi)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(xiàn)性傳感器,但是很多應用不是理想的線(xiàn)性運動(dòng),會(huì )包含一些側向移動(dòng)。這時(shí)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(xiàn)性運動(dòng)測量。對于線(xiàn)性閥門(mén)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(gè)由透磁性材料組成的獨立管狀電樞,可在線(xiàn)圈的中空孔內沿軸向自由移動(dòng),并通過(guò)機械方式耦合到需測量位置的物體上。這意味著(zhù)這個(gè)纖芯可自由活動(dòng),在工作過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生摩擦,而且這種相對簡(jiǎn)單的運動(dòng)檢測成本也比上面彈簧裝載式的低。各種環(huán)境因素也影響了對LVDT材質(zhì)的選擇,比如在化學(xué)性較強的環(huán)境里,普通的不銹鋼材質(zhì)就不適用了,需要專(zhuān)用合金來(lái)增強LVDT的耐化學(xué)性。在大多數常見(jiàn)的應用里,對工作溫度沒(méi)有高要求的情況里,簡(jiǎn)捷的直流供電LVDT都更加方便,在內部進(jìn)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(gè)過(guò)程無(wú)摩擦的操作,在材料測試、振動(dòng)位移測量和高分辨率尺寸測量系統中尤其有用。作為一類(lèi)能提高高精度位置檢測的傳感器,通過(guò)簡(jiǎn)單地增加幾個(gè)外部無(wú)源元件以設置環(huán)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。

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