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lvdt位移传感器是什么,线性可变差动变压器工作原理

发表时间:2021-06-18 17:22【

  lvdt位移传感器是什么,lvdt线性可变差动变压器的工作原理介绍。本文详细说明了测量LVDT的要求,以及测量所需的信号调理。最后,我们将讨论如何使用PXI位移输入模块来测量AC LVDT输入通道。


  什么是线性位移测量?


  线性位移是沿单个轴在一个方向上的运动。位置或线性位移传感器是一种设备,其输出信号表示物体从参考点移动的距离。位移测量还指示运动方向(参见图)。

线性位移测量.jpg

  线性位移通常以毫米(mm)或英寸(in.)为单位以及与之相关的负或正方向。


  线性可变差动变压器(LVDT)


  线性可变差动变压器(LVDT)用于测量位移。LVDT根据变压器的原理工作。下图所示,LVDT由线圈组件和磁芯组成。线圈组件通常安装在固定形式上,而磁芯则固定在其位置被测量的物体上。线圈组件由缠绕在空心形式上的三个线圈组成。可渗透材料的核心可以自由地滑过模板的中心。内部线圈是初级线圈,由交流电源激发,如图所示。初级产生的磁通量耦合到两个次级线圈,在每个线圈中感应出交流电压。

一般 LVDT 组件.jpg

  与其他类型的位移传感器相比,LVDT传感器的主要优点是高度的坚固性。由于传感元件之间没有物理接触,传感元件没有磨损。


  由于设备依赖于磁通量的耦合,因此LVDT可以具有无限分辨率。因此,可以通过合适的信号调节硬件检测到运动的最小部分,并且换能器的分辨率完全由数据采集系统的分辨率决定。


  LVDT测量


  LVDT通过将特定信号值与磁芯的任何给定位置相关联来测量位移。信号值与位置的这种关联是通过初级绕组上的交流激励信号与磁芯和次级绕组的电磁耦合而发生的。磁芯的位置决定了初级线圈的信号耦合到每个次级线圈的紧密程度。两个次级线圈是串联相对的,这意味着串联但方向相反。这导致每个次级上的两个信号相位相差180度。因此,输出信号的相位决定了方向及其幅度、距离。


  下图描绘了LVDT的横截面图。磁芯使初级绕组产生的磁场耦合到次级绕组。如图所示,当磁芯完美地位于次级和初级之间时,每个次级中感应的电压幅度相等,相位相差180度。因此,LVDT输出(对于本例中所示的串联相反连接)为零,因为电压相互抵消。

LVDT 磁芯和绕组的横截面视图

  将磁芯向左移动(下图)会导致第一个次级与初级的耦合比第二个次级更强。第一次级相对于第二次级产生的较高电压导致与初级电压同相的输出电压。

由相关磁芯位移引起的耦合到第一次级

  同样,将磁芯向右移动会导致第二个次级与初级的耦合比第一个次级更强。第二次级的较大电压导致输出电压与初级电压异相。

由相关磁芯位移引起的耦合到第二次级

  总而言之,“LVDT模拟了理想的低频零阶位移传感器结构,其中输出是输入的直接线性函数。它是一种可变磁阻设备,其中初级中心线圈建立磁通量,该磁通量通过中心磁芯(可移动电枢)耦合到初级两侧对称缠绕的次级线圈。因此,通过测量电压幅值和相位,就可以确定磁芯运动的程度和方向,即位移。”[1]图下显示了器件在磁芯位移范围内的线性度。请注意,当核心在其范围的边界附近移动时,输出不是线性的。这是因为从初级耦合到磁芯的磁通量较少。但是,由于LVDT具有出色的重复性,

LVDT 对磁芯位移的比例线性响应

  LVDT的信号调理


  因为LVDT的输出是交流波形,所以它没有极性。无论从电气零位移动的方向如何,LVDT的输出幅度都会增加。


  为了知道磁芯的中心位于器件的哪一半,必须考虑输出的相位以及与初级绕组上的交流激励源相比的幅度。输出相位与励磁相位进行比较,它可以与励磁源同相或异相,具体取决于磁芯中心位于线圈的哪一半。


  信号调节电子设备必须将输出相位信息与输出幅度信息结合起来,这样用户就可以知道磁芯移动的方向以及它移动到电气零位置的距离。


  LVDT信号调节器产生一个正弦信号作为初级线圈的激励源。“该信号通常在50 Hz到25 kHz之间。通常选择的载波频率至少比核心运动的最高预期频率大10倍。”[1]信号调理电路使用相同的初级激励源同步解调次级输出信号。产生的直流电压与磁芯位移成正比。直流电压的极性表示位移是朝向还是远离第一次级(位移向左或向右)。


  图下面显示了一种实用的检测方案,通常作为专为LVDT制造的单个集成电路(IC)提供。该系统包含一个用于初级的信号发生器、一个相敏检测器(PSD)和放大器/滤波器电路。

精密的相敏 LVDT 信号调理电路

  提供范围广泛的LVDT,线性范围从至少±50 cm到±1 mm。时间响应取决于核心所连接的设备。LVDT测量的单位通常为mV/V/mm或mV/V/in。这表明,对于施加到LVDT的每一伏刺激,每单位距离都有一个明确的mV反馈。精心制造的LVDT可以在核心运动范围内提供±0.25%以内的线性输出,并具有非常精细的分辨率。分辨率主要受限于信号调理硬件测量电压变化的能力。


  用于LVDT测量的PXI


  NI PXI位移输入模块为AC LVDT、AC RVDT、旋转变压器和同步测量提供信号调理。将此模块用作PXI系统的一部分,您可以轻松执行4线、5线和6线AC LVDT和RVDT测量。


  高精度比例测量


  NI PXI位移输入模块采用模拟设计,消除了对激励电压精度的测量依赖性。激励电压由模块上的精密电路连续检测,并用于驱动ADC的参考输入。使用此实现,模块返回数据作为位移传感器输出电压和激励电压的比率。这种方法可以连续自动地校正励磁电压精度中的误差。


  多种操作模式使性能与需求相匹配


  用于正常操作和高吞吐量应用的缓冲模式是理想的,因为模块以请求的硬件采样率进行采样,并以软件有效地将数据返回给用户。缓冲模式针对测量性能进行了优化,但代价是由于delta-sigma ADC的固有滤波器天数而导致更高的延迟。硬件定时单点(HWTSP)模式针对低延迟数据传输进行了优化。这允许更好地控制数据返回到控制器的速率。HWTSP模式非常适合环路时序至关重要的情况,例如闭环控制和实时应用。四个板载定时引擎允许在每个通道的基础上在同一模块上同时使用不同的定时、触发和采样模式。


  流行语言的编程支持


  PXI位移输入模块包括NI-DAQmx驱动程序和配置实用程序,可简化配置和测量。NI-DAQmx支持NI编程环境以及Python、ANSI C、C#.NET和MathWorks MATLAB®软件。


  用于LVDT测量的CompactRIO


  NI CompactRIO将开放式嵌入式架构与小尺寸、极端坚固性和可热插拔的工业I/O模块相结合。由可重构I/O(RIO)FPGA技术提供支持,允许第三方开发人员创建自定义模块以满足行业特定的需求和要求。


  目前,SET提供了兼容CompactRIO的LVDT模块。

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