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          lvdt位移傳感器是什么,線性可變差動變壓器工作原理

          發表時間:2021-06-18 17:22【 閱讀量:-

            lvdt位移傳感器是什么,lvdt線性可變差動變壓器的工作原理介紹。本文詳細說明了測量LVDT的要求,以及測量所需的信號調理。最后,我們將討論如何使用PXI位移輸入模塊來測量AC LVDT輸入通道。


            什么是線性位移測量?


            線性位移是沿單個軸在一個方向上的運動。位置或線性位移傳感器是一種設備,其輸出信號表示物體從參考點移動的距離。位移測量還指示運動方向(參見圖)。

          線性位移測量.jpg

            線性位移通常以毫米(mm)或英寸(in.)為單位以及與之相關的負或正方向。


            線性可變差動變壓器(LVDT)


            線性可變差動變壓器(LVDT)用于測量位移。LVDT根據變壓器的原理工作。下圖所示,LVDT由線圈組件和磁芯組成。線圈組件通常安裝在固定形式上,而磁芯則固定在其位置被測量的物體上。線圈組件由纏繞在空心形式上的三個線圈組成??蓾B透材料的核心可以自由地滑過模板的中心。內部線圈是初級線圈,由交流電源激發,如圖所示。初級產生的磁通量耦合到兩個次級線圈,在每個線圈中感應出交流電壓。

          一般 LVDT 組件.jpg

            與其他類型的位移傳感器相比,LVDT傳感器的主要優點是高度的堅固性。由于傳感元件之間沒有物理接觸,傳感元件沒有磨損。


            由于設備依賴于磁通量的耦合,因此LVDT可以具有無限分辨率。因此,可以通過合適的信號調節硬件檢測到運動的最小部分,并且換能器的分辨率完全由數據采集系統的分辨率決定。


            LVDT測量


            LVDT通過將特定信號值與磁芯的任何給定位置相關聯來測量位移。信號值與位置的這種關聯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生的。磁芯的位置決定了初級線圈的信號耦合到每個次級線圈的緊密程度。兩個次級線圈是串聯相對的,這意味著串聯但方向相反。這導致每個次級上的兩個信號相位相差180度。因此,輸出信號的相位決定了方向及其幅度、距離。


            下圖描繪了LVDT的橫截面圖。磁芯使初級繞組產生的磁場耦合到次級繞組。如圖所示,當磁芯完美地位于次級和初級之間時,每個次級中感應的電壓幅度相等,相位相差180度。因此,LVDT輸出(對于本例中所示的串聯相反連接)為零,因為電壓相互抵消。

          LVDT 磁芯和繞組的橫截面視圖

            將磁芯向左移動(下圖)會導致第一個次級與初級的耦合比第二個次級更強。第一次級相對于第二次級產生的較高電壓導致與初級電壓同相的輸出電壓。

          由相關磁芯位移引起的耦合到第一次級

            同樣,將磁芯向右移動會導致第二個次級與初級的耦合比第一個次級更強。第二次級的較大電壓導致輸出電壓與初級電壓異相。

          由相關磁芯位移引起的耦合到第二次級

            總而言之,“LVDT模擬了理想的低頻零階位移傳感器結構,其中輸出是輸入的直接線性函數。它是一種可變磁阻設備,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,就可以確定磁芯運動的程度和方向,即位移。”[1]圖下顯示了器件在磁芯位移范圍內的線性度。請注意,當核心在其范圍的邊界附近移動時,輸出不是線性的。這是因為從初級耦合到磁芯的磁通量較少。但是,由于LVDT具有出色的重復性,

          LVDT 對磁芯位移的比例線性響應

            LVDT的信號調理


            因為LVDT的輸出是交流波形,所以它沒有極性。無論從電氣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器件的哪一半,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。輸出相位與勵磁相位進行比較,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。


            信號調節電子設備必須將輸出相位信息與輸出幅度信息結合起來,這樣用戶就可以知道磁芯移動的方向以及它移動到電氣零位置的距離。


            LVDT信號調節器產生一個正弦信號作為初級線圈的激勵源。“該信號通常在50 Hz到25 kHz之間。通常選擇的載波頻率至少比核心運動的最高預期頻率大10倍。”[1]信號調理電路使用相同的初級激勵源同步解調次級輸出信號。產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離第一次級(位移向左或向右)。


            圖下面顯示了一種實用的檢測方案,通常作為專為LVDT制造的單個集成電路(IC)提供。該系統包含一個用于初級的信號發生器、一個相敏檢測器(PSD)和放大器/濾波器電路。

          精密的相敏 LVDT 信號調理電路

            提供范圍廣泛的LVDT,線性范圍從至少±50 cm到±1 mm。時間響應取決于核心所連接的設備。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明確的mV反饋。精心制造的LVDT可以在核心運動范圍內提供±0.25%以內的線性輸出,并具有非常精細的分辨率。分辨率主要受限于信號調理硬件測量電壓變化的能力。


            用于LVDT測量的PXI


            NI PXI位移輸入模塊為AC LVDT、AC RVDT、旋轉變壓器和同步測量提供信號調理。將此模塊用作PXI系統的一部分,您可以輕松執行4線、5線和6線AC LVDT和RVDT測量。


            高精度比例測量


            NI PXI位移輸入模塊采用模擬設計,消除了對激勵電壓精度的測量依賴性。激勵電壓由模塊上的精密電路連續檢測,并用于驅動ADC的參考輸入。使用此實現,模塊返回數據作為位移傳感器輸出電壓和激勵電壓的比率。這種方法可以連續自動地校正勵磁電壓精度中的誤差。


            多種操作模式使性能與需求相匹配


            用于正常操作和高吞吐量應用的緩沖模式是理想的,因為模塊以請求的硬件采樣率進行采樣,并以軟件有效地將數據返回給用戶。緩沖模式針對測量性能進行了優化,但代價是由于delta-sigma ADC的固有濾波器天數而導致更高的延遲。硬件定時單點(HWTSP)模式針對低延遲數據傳輸進行了優化。這允許更好地控制數據返回到控制器的速率。HWTSP模式非常適合環路時序至關重要的情況,例如閉環控制和實時應用。四個板載定時引擎允許在每個通道的基礎上在同一模塊上同時使用不同的定時、觸發和采樣模式。


            流行語言的編程支持


            PXI位移輸入模塊包括NI-DAQmx驅動程序和配置實用程序,可簡化配置和測量。NI-DAQmx支持NI編程環境以及Python、ANSI C、C#.NET和MathWorks MATLAB®軟件。


            用于LVDT測量的CompactRIO


            NI CompactRIO將開放式嵌入式架構與小尺寸、極端堅固性和可熱插拔的工業I/O模塊相結合。由可重構I/O(RIO)FPGA技術提供支持,允許第三方開發人員創建自定義模塊以滿足行業特定的需求和要求。


            目前,SET提供了兼容CompactRIO的LVDT模塊。

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