南樺 電子報 070 出刊日期 | 2006.06.26

什麼是 LVDT ?
LVDT 是 Linear Variable Differential Transformer (線性差動變壓器) 的縮寫,為機電轉換器的一種。
LVDT 可以將一個物件之直線運動的機械變化量轉換成相對應的電子信號。

LVDT 線性位置感應器,可測量之位移量小至幾百萬分之一英吋至幾英吋,但也可以測量至 ±20 英吋
的位移量。

圖-1

圖 - 1 所示是一個典型 LVDT 之構成元件。變壓器的內部結構,包含了一個置於一對且相同之次級
線圈中間的初級線圈,此初級線圈和次級線圈之間具有對稱的行間 。這些線圈是纏繞在一個中空
之熱塑性玻璃纖維的強化型聚合物上,為了能夠防潮,再包上一層高透磁性的隔離物,然後密封
在一個圓柱形之不袗管內。 此線圈組合通常是位置感測器的必備元件。

LVDT 的可動元件是一個具透磁性之管狀鐵心,此鐵心可以在中空成型之線圈內自由移動,並和欲
測量位置之物件結合在一起。 線圈之孔徑是大到將鐵心置於其內時,仍能提供有效之間隙,使得
鐵心與線圈之間沒有實質上的接觸。

在使用上,我們是將一定頻率之交流電加在初級線圈上,也就是所謂的初級激磁。LVDT 的輸出
信號就是兩組次級線圈之間的交流電壓差,此電壓差會隨著鐵心在線圈內之位置而改變。通常
為了方便使用,此交流輸出電壓會再經由電子回路的處理,轉換為高準位的直流電壓或電流。

LVDT 如何動作 ?
圖-2

圖 - 2 說明什麼當 LVDT 的鐵心在不同位置時,會發生什麼情形。LVDT 的初級線圈 (P) 被 2.5KHz ~
5KHz 之交流電源激磁以後,所產生的磁通量會經由鐵心耦合至鄰近的次級線圈S1和S2。
假如鐵心是位於 S1 和 S2 的中間,相同的磁通量會耦合至二次側。所以,在每一個線圈所感應出
的電壓 E1 和 E2 也會相等。
所以,當鐵心位於中心點時 ,也就是所謂的原點,輸出的電壓差 (E1 - E2) 應該等於零。

圖-3

圖-4

圖 - 3 顯示輸出電壓差 Eout 之大小會隨著鐵心的位置而改變。鐵心從原點至最大位移量之 Eout 的電壓
值,視初級激磁電壓大小,以及 LVDT 本身之靈敏度而定,通常是幾個 Vrms。和初級激磁電壓有關之
AC 輸出電壓 Eout 的相位角,在鐵心位於原點時,是一個常數。如圖-4所示,原點位置之相位角的變化
呈現陡峭地 180 度。

圖-5

配合適當的回路,可以利用此180度的相位移來判斷鐵心離開原點之位移方向。如圖 - 5 所示,輸出
信號的極性代表鐵心位置和原點之間的相對關係。此圖亦顯示出,鐵心在 LVDT 的額定量測範圍內
移動時,其輸出信號是非常的線性。若要超出額定量測之範圍來使用也可以,但是輸出信號之線性度
會降低。

配合 LVDT 的電子回路
圖-6

雖然 LVDT 是變壓器的一種,但是需要一個固定振幅及頻率的 AC 電源才能正常地操作。此電源和一般
所知的 AC 電源不同,通常是 3Vrms @2.5kHz ~ 3.0kHz。 供給 LVDT 所需之激磁電源,是一般我們所
知之LVDT 信號放大器所具備的功能之一。
其他的功能包括將 LVD T 的低準位 AC 輸出電壓轉換為高準位的 DC 信號,在使用上會比較方便。另外,
當 LVDT 的鐵心通過原點時,利用相位檢出器可從 180 度的相位移來判斷鐵心移動的方向,以及輸出信號
的零點準位調整。圖 - 6 所示為右側內含放大器之 DC LVDT 的剖面圖,放大電路之模組應有封膠保護,
但為了說明起見,未顯示出來。


為什麼要採用 LVDT ?
由於 LVDT 本身操作之基本物理原理或本身結構所採用之材料及技術,因而具備某些特性和優點。

無摩擦操作
LVDT 最重要的特性之一就是無摩擦操作。在一般的操作之下,LVDT 的鐵心和線圈組件結構之間
沒有機械式的接觸,如摩擦、拖曳或其他可造成摩擦之因素。此特性在材料測試,振動位移測量
以及高解析度尺寸測量系統特別有用。

解析度無限大
因為 LVDT 是利用無摩擦結構之電磁耦合原理的方式操作,所以能夠測量極微小之
鐵心位置的變化量。 此無限解析之能力,只受限於 LVDT 信號放大器的解析度和輸出顯示器的位數。
因而,LVDT 亦具有極佳之重複性。

機械壽命無限長
通常 LVDT 的鐵心和線圈組件結構之間沒有接觸,所以,沒有任何元件彼此之間會相互摩擦或磨損,
此意味著 LVDT 具有無機械壽命限制之特性。
此特性在高信賴度要求之應用方面,如航空器、衛星、太空飛行器以及核能設備安裝等,特別的重要。
另外,在很多工業程序控制以及工廠自動化控制系統方面,對此特性也有高度的需求。

不會因為超出量測範圍而受損
大部分LVDT的內膛,其兩端是沒有封閉的。若因操作不慎,超出其額定之量測行程,鐵心會完全通過
感應器的線圈組件結構,並不會造成任何的損壞。這種不因超出位移行程而破壞之特性,使得 LVDT
在材料破壞測試設備方面,如附著於測試元件以便測試其張力之張力計,是一個很理想的感應器。

單軸感應
LVDT 只對鐵心沿著線圈的軸線運動會有反應,而通常對於鐵心橫向交叉軸的運動或鐵心的徑向位置是
不感應的。所以,對於非準線安裝或漂浮移動的應用場合,以及當 LVDT 的移動並不是很精確的呈一直
線時,LVDT 仍能正常的工作,而不會有任何反效果。

可分離之線圈及鐵心
因為在LVDT的鐵心和線圈組件之間,只有磁耦合的交互作用,所以在鐵心和內膛的管壁之間可以插入
非磁性的管子,而將鐵心和線圈組件隔離。利用這種作法,可以將加壓之流體封裝在隔離用之管子內,
那麼當線圈組件被釋壓時,鐵心便會自由移動。在油壓系統之比例閥或伺服閥,做為線軸位置迴授用之
LVDT,常常利用此特性。

耐環境特性佳
LVDT 因為所採用之材料以及組裝結構的技術,是一種非常堅固耐用的感應器,可適用於各種不同的操作
環境。線圈繞組以環氧樹脂封裝之後,放入不袗管內,可達到極佳之防潮防濕的效果,而且耐振性及
耐衝擊性佳。此外,由於內部的高透磁性屏蔽,使得受外部 AC 磁場效應的影響降到最低。

外殼及鐵心皆是採用防腐蝕之金屬材料,而且外殼也有增強隔絕磁場的效果。在某些應用場合,當感應器
必須暴露於易燃或腐蝕性之蒸汽及液體,或加壓之流體下來操作時,可以利用各種熔接加工處理方法,
將外殼和線圈組件結構整個完全密封起來。

通常 LVDT 適用的操作溫度範圍非常的寬廣,但是,若有需要,也可特別訂製而專門應用於低溫的環境。
或者採用特殊的材料,可適用於像核子反應爐等需要耐高溫及輻射的應用場合。

零點重複性

LVDT 本身的零點位置是非常的穩定,而且重複性高,即使超出其適用之操作溫度範圍,亦是如此。
此特性使得 LVDT 在閉回路控制系統以及高性能伺服平衡儀器方面的應用,是一個很好的零點位置
感應器。

快速動態反應
在一般的操作情況下,此無摩擦之特性,使得 LVDT 能夠很快的反應出鐵心位置的變化量。LVDT 本身的
動態反應,僅受限於鐵心之微小質量的慣性效應。通常,LVDT 感應系統的反應速度,是取決於放大器的
特性。

絕對值輸出
LVDT 是一個絕對值輸出元件,不同於增量型的輸出元件。此意味著,即使電源關閉時,LVDT 送出的
位置資料並不會消失。當測量系統重新啟動時,LVDT 的輸出值會和電源關閉之前一樣。

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