線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）傳感器是工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高精度、非接觸式位移測(cè)量的核心元件。其獨(dú)特的工作原理賦予它卓越的可靠性、長(zhǎng)壽命和抗干擾能力。
理解LVDT如何將物理位移轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的電信號(hào)，對(duì)于正確選型和應(yīng)用至關(guān)重要。

一、 LVDT的核心構(gòu)造與電磁感應(yīng)基礎(chǔ)

LVDT的核心結(jié)構(gòu)包含一個(gè)可移動(dòng)的鐵磁性磁芯和固定的線圈組件。線圈組件通常由一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)次級(jí)線圈對(duì)稱(chēng)繞制而成。
* 初級(jí)線圈：位于中心位置，負(fù)責(zé)接收外部交流激勵(lì)信號(hào)。
* 次級(jí)線圈：兩個(gè)完全相同的次級(jí)線圈（S1和S2）反向串聯(lián)，對(duì)稱(chēng)分布在初級(jí)線圈兩側(cè)。
* 磁芯：連接在被測(cè)物體上，可在線圈骨架內(nèi)自由移動(dòng)。
當(dāng)交流電流流過(guò)初級(jí)線圈時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)耦合到兩個(gè)次級(jí)線圈中，分別在S1和S2中感應(yīng)出交流電壓。這是電磁感應(yīng)的基本原理在發(fā)揮作用。

二、 差動(dòng)輸出與位移的精妙對(duì)應(yīng)

LVDT的精髓在于其差動(dòng)輸出特性。兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出電壓是反相連接的。
* 中心位置（零位）：當(dāng)磁芯精確位于線圈組件的幾何中心時(shí)，初級(jí)線圈與兩個(gè)次級(jí)線圈的磁耦合程度完全相同。此時(shí)，S1和S2感應(yīng)的電壓幅值相等。由于它們是反向串聯(lián)，最終輸出電壓相互抵消，差分輸出為零。
* 磁芯位移：當(dāng)磁芯沿軸線方向發(fā)生位移時(shí)，它與一個(gè)次級(jí)線圈的耦合增強(qiáng)，與另一個(gè)次級(jí)線圈的耦合則減弱。
* 電壓差變化：耦合增強(qiáng)的次級(jí)線圈感應(yīng)電壓升高，耦合減弱的次級(jí)線圈感應(yīng)電壓降低。兩個(gè)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(duì)于激勵(lì)信號(hào)）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(kāi)中心零位的距離成正比。
這種關(guān)系在LVDT的有效測(cè)量范圍內(nèi)通常是高度線性的，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)源于此設(shè)計(jì)

• 非接觸式：磁芯與線圈無(wú)物理接觸，消除了摩擦磨損，壽命極長(zhǎng)。
• 無(wú)限分辨率：理論上，只要信號(hào)調(diào)理電路足夠靈敏，分辨率僅受電子噪聲限制。
• 環(huán)境適應(yīng)性：通常具備良好的抗沖擊、抗振動(dòng)能力，能在較寬溫度范圍工作。

三、 信號(hào)調(diào)理：從交流電壓到可用信號(hào)

LVDT輸出的差分信號(hào)是交流電壓（載波頻率與激勵(lì)源相同）。要得到直流電壓或電流形式的位移信號(hào)，需要信號(hào)調(diào)理電路（通常集成在傳感器內(nèi)部或外置模塊中）。
* 同步解調(diào)/相敏檢波：這是核心處理環(huán)節(jié)。它利用與激勵(lì)源同頻率同相位的參考信號(hào)，檢測(cè)出差分輸出電壓的幅值和相位信息。
* 濾波：濾除解調(diào)后信號(hào)中的高頻噪聲和激勵(lì)頻率殘留成分，得到平滑的直流信號(hào)。
* 放大與調(diào)整：將解調(diào)濾波后的信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)輸出范圍（如±10V, 4-20mA），并進(jìn)行零位和滿量程校準(zhǔn)。
最終輸出的直流信號(hào)，其電壓（或電流）的極性和大小直接對(duì)應(yīng)磁芯位移的方向和距離。

四、 LVDT的典型應(yīng)用場(chǎng)景

得益于其高精度、高可靠性和非接觸特性，LVDT廣泛應(yīng)用于需要精確測(cè)量線性位移或位置反饋的場(chǎng)合。
* 工業(yè)自動(dòng)化：精密機(jī)床的位置反饋、機(jī)器人關(guān)節(jié)控制、閥門(mén)開(kāi)度監(jiān)測(cè)。
* 航空航天：飛機(jī)舵面位置、起落架狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件位移監(jiān)控。
* 材料試驗(yàn)機(jī)：精確測(cè)量試樣在拉伸、壓縮、彎曲過(guò)程中的微小變形。
* 液壓/氣動(dòng)系統(tǒng)：氣缸/液壓缸活塞桿位置檢測(cè)。
* 振動(dòng)測(cè)量：某些低頻振動(dòng)位移的測(cè)量。

總結(jié)

LVDT傳感器通過(guò)獨(dú)特的電磁感應(yīng)和差動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)，將鐵磁磁芯的線性位移精確地轉(zhuǎn)換為與之成正比的差分交流電壓信號(hào)。再經(jīng)由同步解調(diào)和信號(hào)調(diào)理電路，最終輸出穩(wěn)定、線性的位移信號(hào)。
其非接觸式測(cè)量原理、理論無(wú)限分辨率、高可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，使其在眾多高精度、高要求的位移測(cè)量場(chǎng)景中成為關(guān)鍵選擇。理解其工作原理有助于充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。