線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器是工業自動化、航空航天等領域實現高精度、非接觸式位移測量的核心元件。其獨特的工作原理賦予它卓越的可靠性、長壽命和抗干擾能力。
理解LVDT如何將物理位移轉化為精準的電信號，對于正確選型和應用至關重要。
一、 LVDT的核心構造與電磁感應基礎
LVDT的核心結構包含一個可移動的鐵磁性磁芯和固定的線圈組件。線圈組件通常由一個初級線圈和兩個次級線圈對稱繞制而成。
* 初級線圈：位于中心位置，負責接收外部交流激勵信號。
* 次級線圈：兩個完全相同的次級線圈（S1和S2）反向串聯，對稱分布在初級線圈兩側。
* 磁芯：連接在被測物體上，可在線圈骨架內自由移動。
當交流電流流過初級線圈時，它會產生一個交變磁場。這個磁場耦合到兩個次級線圈中，分別在S1和S2中感應出交流電壓。這是電磁感應的基本原理在發揮作用。
二、 差動輸出與位移的精妙對應
LVDT的精髓在于其差動輸出特性。兩個次級線圈的輸出電壓是反相連接的。
* 中心位置（零位）：當磁芯精確位于線圈組件的幾何中心時，初級線圈與兩個次級線圈的磁耦合程度完全相同。此時，S1和S2感應的電壓幅值相等。由于它們是反向串聯，最終輸出電壓相互抵消，差分輸出為零。
* 磁芯位移：當磁芯沿軸線方向發生位移時，它與一個次級線圈的耦合增強，與另一個次級線圈的耦合則減弱。
* 電壓差變化：耦合增強的次級線圈感應電壓升高，耦合減弱的次級線圈感應電壓降低。兩個電壓不再相等，其差值（S1電壓 – S2電壓）形成差分輸出電壓。
* 方向與幅值：差分輸出電壓的相位（相對于激勵信號）指示了磁芯位移的方向（左或右）。輸出電壓的幅值則與磁芯離開中心零位的距離成正比。
這種關系在LVDT的有效測量范圍內通常是高度線性的，確保了測量的準確性。
關鍵優勢源于此設計
- 非接觸式：磁芯與線圈無物理接觸，消除了摩擦磨損，壽命極長。
- 無限分辨率：理論上，只要信號調理電路足夠靈敏，分辨率僅受電子噪聲限制。
- 環境適應性：通常具備良好的抗沖擊、抗振動能力，能在較寬溫度范圍工作。
三、 信號調理：從交流電壓到可用信號
LVDT輸出的差分信號是交流電壓（載波頻率與激勵源相同）。要得到直流電壓或電流形式的位移信號，需要信號調理電路（通常集成在傳感器內部或外置模塊中）。
* 同步解調/相敏檢波：這是核心處理環節。它利用與激勵源同頻率同相位的參考信號，檢測出差分輸出電壓的幅值和相位信息。
* 濾波：濾除解調后信號中的高頻噪聲和激勵頻率殘留成分，得到平滑的直流信號。
* 放大與調整：將解調濾波后的信號放大到標準輸出范圍（如±10V, 4-20mA），并進行零位和滿量程校準。
最終輸出的直流信號，其電壓（或電流）的極性和大小直接對應磁芯位移的方向和距離。
四、 LVDT的典型應用場景
得益于其高精度、高可靠性和非接觸特性，LVDT廣泛應用于需要精確測量線性位移或位置反饋的場合。
* 工業自動化：精密機床的位置反饋、機器人關節控制、閥門開度監測。
* 航空航天：飛機舵面位置、起落架狀態、發動機部件位移監控。
* 材料試驗機：精確測量試樣在拉伸、壓縮、彎曲過程中的微小變形。
* 液壓/氣動系統：氣缸/液壓缸活塞桿位置檢測。
* 振動測量：某些低頻振動位移的測量。
總結
LVDT傳感器通過獨特的電磁感應和差動變壓器設計，將鐵磁磁芯的線性位移精確地轉換為與之成正比的差分交流電壓信號。再經由同步解調和信號調理電路，最終輸出穩定、線性的位移信號。
其非接觸式測量原理、理論無限分辨率、高可靠性及環境適應性，使其在眾多高精度、高要求的位移測量場景中成為關鍵選擇。理解其工作原理有助于充分發揮其性能優勢。
