位移传感器LVDT、RVDT的原理分析及应用

LVDT 传感器（Linear Variable Differential Transformer）：差动变压器式直线位移传感器，可用于液位高度测量，发动机、燃气轮机计量活门开度测量，与压力应变片配合做压力传感器等。LVDT传感器是液压控制系统中应用最为广泛的传感器。

RVDT传感器（Rotary Variable Differential Transformer）：差动变压器式角位移传感器，通常用于采集驾驶杆、驾驶盘、方向舵脚蹬等位移信号及显示舵面位置信号（如方向舵、升降舵、副翼、襟缝翼、扰流板等）并转换成角度值进行显示。

LVDT、RVDT传感器推荐使用在需要高可靠性，耐受恶劣环境的场合。

LVDT、RVDT传感器原理简介

LVDT传感器主要由铁芯、骨架、激磁绕组、输出绕组、连杆、挡板、外壳等这几部分组成。骨架的上面分布着激磁绕组和输出线圈，杆状铁芯位于线圈的内部且可以进行自由移动。在铁芯的位置移动到中间时，这两个输出线圈会生成相同的感应电动势，这就使得输出电压等于零；在铁芯的位置偏离中点但仍然在线圈的内部移动时，两个输出线圈生成不相等的感应电动势，输出电压不为零，位移量的多少决定着输出电压的大小。

RVDT传感器实际上也是铁芯可动变压器，由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部分组成。当铁芯处于线圈骨架的中间位置时，两个次级线圈输出的电动势V1和V2相等，输出电压为零。当铁芯偏离中间位置时，两个次级线圈的电动势V1和V2不相等，输出一定的电压。

下图左是经典4极RVDT的结构图，图右是三相6/4结构开关磁阻电机的示意图。从对比中可以看出，RVDT的结构上与开关磁阻电机有类比之处，结构设计上可以借鉴。
在一次线圈受到恰当频率的电压激励的时候，按照变压器的工作原理，两个二次线圈中便会有感应电动势产生。假设在工艺上确定变压器的结构是完全对称的，那么在铁芯位于初始平衡位置的时候，两个二次线圈的互感系数能够相等即此时差动变压器的输出电压等于零。当铁芯位置移动时，两个输出线圈采用反向串联时的输出电压与铁芯位移成线性关系。

LVDT、RVDT的传感器本体与外接解调电路，解调电路分为相敏解调电路和无相移解调电路。一般目前以无相移解调电路为主。

LVDT位移传感器是用于微位移精密测量的高精度位移传感器，主要由线圈、骨架和铁芯组成。骨架通常选用膨胀系数小、耐热性能好、高频损失小的绝缘木、硬质橡胶或者聚甲醛树脂等绝缘材料制造，骨架形状与尺寸要精密对称。高强度漆包线均匀、紧密地绕制在骨架上。铁芯需要选用电阻率大、导磁率高、饱和磁感应强度大的材料。铁芯位于传感器线圈中心位置。通电后，初级线圈输入交变激励电流，则次级线圈内将产生电动势。两个磁极线圈反极性串联，输出电压信号，实现位移量转换为电信号。

LVDT位移传感器与其他类型位移传感器相比，主要具备以下优点：

1、传感器结构简单，稳定性好、使用寿命长。传感器测量所需外部驱动力小，适用于部分非刚性检测面安装使用；

2、传感器分辨率高，灵敏度好。部分型号分辨率小于0.1μm；

3、传感器测量精度高，重复性好。部分型号线性精度可达0.25%；

4、传感器输出功率大，方便信号转换电路设计；

5、传感器抗干扰性能好，输出阻抗小，适用于现场环境较为复杂场合安装使用

LVDT位移传感器线圈仓由一个初级线圈和两个次级线圈组成。传感器检测与转换电路可将线圈输出正弦波信号转换为电压、电流模拟量信号或者RS485数字信号，可与数显仪表、采集仪、单片机、PLC控制器或者PC电脑联用，实现位移测量与测控。

LVDT位移传感器差动变压器结构设计决定了其存在以下问题：

1、为了获得较高的线性，LVDT位移传感器的量程通常仅占线圈长度的几分之一，这导致传感器安装尺寸相对较大。自动化测控系统通常集成大量的传感器与其他元器件，如果要很好地利用空间，就要求位移传感器体积越小越好；

2、LVDT位移传感器量程越大，线性度相对越低。当传感器精度降低到一定水平，测量便失去了意义。因此LVDT位移传感器适用于微位移精密测量场合，很少用于大量程位移测量；

3、LVDT位移传感器因为铁芯惯性大、频响低、损耗大，无法用于快速动态信号测量；

4、LVDT位移传感器分辨率与测量范围有关，测量范围越大，传感器分辨率越低；

5、LVDT位移传感器需要采用精密元件组成振荡器，传感器对测量电路要求也较高，需要精密元件组成驱动及信号检出电路，用于保障传感器测量精度与稳定性。这大幅增加了LVDT位移传感器的加工难度与生产成本；

6、LVDT位移传感器存在难以克服的零点残余电压，影响传感器测量精度。