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文檔簡介
LVDT工作原理、分類及特點 主講:張裕悝,LVDT的基本工作原理 LVDT的特點 LVDT分類 國內(nèi)外LVDT產(chǎn)品性能比較,圖1-1 LVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖,LVDT工作原理,全世界第一個LVDT商業(yè)化產(chǎn)品于1948年在美國Schaevitz公司誕生,經(jīng)過60多年的發(fā)展,LVDT產(chǎn)品已被全球大多數(shù)國家在機械、電力、電子、汽車、航空航天、冶金、煤炭、石油、交通、輕工、紡織、建材、水利等行業(yè)的工礦企業(yè)、研究所、大學、國防軍工等單位廣泛用于自動控制和自動測量。 LVDT 位移傳感器全稱為: Linear Variable Differential Transformer 線性 可變 差動 變壓器 LVDT位移傳感器的工作原理簡單地說是鐵芯可動變壓器,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。,LVDT工作原理,LVDT由一個初級線圈P、兩個次級線圈S1和S2、鐵芯以及線圈骨架、外殼、等部件組成。當鐵芯在線圈中心位置時,次級線圈S1、S2所感應的電壓相等,由于輸出是反向串接,所以輸出電壓為零(實際上還有很小的零位電壓V0)。如圖1-1所示,當鐵芯向左移動時,線圈S1和線圈P之間互感量MX增加,次級線圈S1感應電壓V1升高,同時線圈S2與線圈P互感量減小,次級線圈S2感應電壓V2降低,兩線圈電壓的代數(shù)和V=V1+V2(因為S1和S2是反向串接,V1和V2相位差180,實際值V=V1-V2)隨著鐵芯向左移動呈線性增加。 當鐵芯向右移動時,兩線圈電壓變化相應與之相反V1+V2的代數(shù)和隨鐵芯向右移動輸出VS線性增加,但此時相位與向左移動相差180,圖1-1(c)表示次級電壓與鐵芯距離之間關系,即輸出特性。這樣就將非電量-位移轉(zhuǎn)變成電壓,完成傳感器的功能。 這里要特別指出,LVDT和一般變壓器有本質(zhì)上的區(qū)別,變壓器為強電磁耦合,次級電壓在滿負載和空載差別非常大。而LVDT為弱電磁耦合,要求負載阻抗很大,次級產(chǎn)生的感應電流很小,由此產(chǎn)生的附加磁場不干擾激勵磁場分布,這是與普通變壓器完全不同的概念,表現(xiàn)出了LVDT的獨特性質(zhì)。,LVDT工作原理,直流LVDT,更確切地說應該稱為位移變送器。它是在位移傳感器LVDT基礎上,外加電路,不論多大行程,都可以使其輸出均為05V,或010V標準電壓信號,或420mA標準電流信號的變送器,其方框圖如圖1-2:,圖1-2,LVDT的特點,1.結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,壽命長,線性度好,重復性好,性能價格比高,利稅 率高。 2.精度:最高精度可達0.05%,一般為0.25%、0.5%。 3.絕對誤差:最高可達0.1m。 4.重復性:好,最高可達0.1m。 5.靈敏度:高,一般每mm位移輸出為數(shù)百mv, 最高可達幾伏。 6.分辨率:高,一般為0.1m,最高可達10-4m。 7.測量范圍:寬,0.1mm500mm甚至更大。 8.工作溫度范圍:大,一般為-55+150可擴展到+300,傳感器或變送 器分為三級: 商業(yè)級:0+70 工業(yè)級:-40+85 軍 級:-55+125 9. 時間常數(shù)小,動態(tài)特性好,頻帶寬一般為200HZ(5ms)最高可500HZ (2ms)。 10.毛利率高:50%。,LVDT的特點,LVDT與光柵,磁柵,同步感應器等高精度測長儀器相比有以下幾個優(yōu)點: 1. 動態(tài)特性好,可用于高速在線檢測,進行自動測量,自動控制。光柵、磁柵等測量速度一般為1.5m/s以內(nèi),只能用于靜態(tài)測量。 2. LVDT可在強磁場,大電流,潮濕,粉塵等惡劣環(huán)境下使用。 可以做成在特殊條件下工作的傳感器,如耐高壓,高溫,耐輻射全密封在水下工作。 可靠性非常好,能承受沖擊1000g/11ms,振動:頻率2000HZ 加速度20g。 5. 體積小,價格低,性能價格比高。,LVDT分類,按用途分類 交流LVDT 直流LVDT 回彈式LVDT 高壓LVDT 航空航天LVDT 特種LVDT,交流LVDT 技術(shù)指標,交流LVDT的技術(shù)指標: 輸入電壓: 3Vrms (120Vrms) 激勵頻率: 2.5KHz (110KHz) 線性度: 0.5%;0.25%;0.2%;0.1% 靈敏度: 3 240 mV/V/mm (0.07 6.0 mV/V/0.001”) 動態(tài)頻率: 行程 0 6 mm 6 mm 500 Hz 200Hz (-3dB) 行程:0.127mm 508mm 0.005” 20” 零位電壓: 0.5% FSO 負載阻抗: 100K 工作溫度:-55 150 溫度系數(shù):零位 0.005%FS/ 滿度 0.01%FS/ 沖擊: 1000g 11ms 振動: 20g 2kHz,從以上技術(shù)指標可知,交流LVDT充分體現(xiàn)了LVDT的特點,特別是工作溫度為-55C+150C,能承受1000g/11ms沖擊,20g 2KHz振動特性是其他任何測量產(chǎn)品所不能比擬的。 交流LVDT的不足之處是不能遠傳,使用時要配信號調(diào)節(jié)器。,直流LVDT 技術(shù)指標,直流LVDT是將信號調(diào)節(jié)器小型化之后,裝入LVDT之內(nèi)。 直流LVDT的技術(shù)指標: 雙向輸出 單向輸出 輸入電壓: 15VDC +8.5+28VDC 輸入電流: 25mA 10mA 輸出負載阻抗(最?。?2K 輸出紋波: 25mVrms 10mVrms 輸出電壓: 010VDC 05VDC 輸出阻抗: 2 動態(tài)頻率: 200Hz 工作溫度: -25 +85 儲存溫度: -25 +95 線性度: 0.25% FS 穩(wěn)定性: 30分鐘預熱之后為0.10% 溫度系數(shù): 零位 0.01% FS / 滿度 0.02 %FS / 沖擊: 250g/11ms 振動: 10g 2kHz,優(yōu)點:(1)使用方便,特別是多個直流LVDT同時使用更顯示出其優(yōu)越性。 (2)可以遠傳,420mA電流輸出可以遠傳到數(shù)百米之外,適用于工 業(yè)自動控制。 (3)可以實現(xiàn)二線制數(shù)字輸出,雙線可以同時帶動32個傳感器。 (4)單片機電路可以對LVDT進行數(shù)字補償,提高LVDT線性度(可達 0.05%)和溫度特性(可達0.01% FS /) 缺點:(1)由于受器件限制,工作溫度范圍較小。 (2)承受沖擊為250g/11ms。 (3)振動為10g 2kHz。 (4)體積較大。,直流LVDT優(yōu)缺點,直流LVDT分類,直流LVDT按性能分為以下幾種: 電壓輸出 A. 輸入15V電壓,輸出05V或010V B. 輸入8.528V電壓,輸出05V或010V 三線制420mA電流輸出 輸入24V電壓,輸出為420mA電流,接線圖如圖1-3。 二線制420mA電流輸出 輸入12.75V28VDC電壓,輸出420mA電流上,接線圖如圖1-4所示。,圖1-3,圖1-4,直流LVDT分類,二線制420mA電流輸出技術(shù)指標: 線性量程: 6.35mm、12.7mm、25.4mm、50.8mm、127mm、254mm 非線性: 0.25英寸5.0英寸 (6.36127毫米)0.5% 10.0英寸(254毫米)1.0% 輸出: 420mA,二線制環(huán)路 回路供電: 12.75 to 28VDC 最大回路電阻: 60028VDC 輸出噪聲與紋波:25A Pk-Pk (最大) 工作溫度: -13F至185F(-25至85C) 靈敏度溫度系數(shù):0.04%/C (最大) 穩(wěn)定性: 30分鐘預熱之后為0.10% 數(shù)字式位移傳感器 輸入8.5V30VDC電壓,雙線可尋址的RS-485輸出,可直接顯示數(shù)字輸出。,回彈式LVDT,將鐵芯、拉桿、軸套連在一起,使其與LVDT成為一體,以便客戶安裝使用。 外彈簧式LVDT 外彈簧式LVDT又分為以下幾種: a). 簡易型外彈簧,如圖1-5。 b). 放在外管中的外彈簧,如圖1-6。 c). 彈簧套在拉桿上,裝在帶螺紋的外套里,彈簧在線圈之外,如 圖1-7。,圖1-5,圖1-6,圖1-7,回彈式LVDT,內(nèi)彈簧式LVDT 彈簧在線圈內(nèi)運動,要求彈簧無磁,如圖1-8所示。 滾珠導軌式LVDT 用于精密測量,與帶滾珠導軌的測量頭相連接,彈簧為寶塔形態(tài),如圖1- 9所示。,圖1-8,圖1-21,圖1-9,高壓LVDT,氣密封型LVDT LVDT線圈密封在焊接的外管中,引出線用耐壓的插座連接,如圖1-10所示。,圖1-10,壓力大于10MPa的LVDT,必需用玻封壓力端蓋。,高壓LVDT,一般高壓LVDT 承壓部分按高壓結(jié)構(gòu)設計,線圈和引出導線是不承受壓力的,如圖1-11所示, 左邊部分,壓力頭及內(nèi)管是承受壓力的,右邊部分線圈和引出線部分是不承受壓 力的,大多數(shù)壓力LVDT都是這種設計。,圖1-11,等壓式高壓LVDT 由于受各種條件限制,LVDT本身很難設計成所需要求,將外管四周打孔,使LVDT內(nèi)外處于等壓狀況,全部放在高壓環(huán)境中,如圖1-12所示。,圖1-12,航空傳感器,航空傳感器的特點: 應用于惡劣環(huán)境。溫度范圍-55150 2. 非常高的穩(wěn)定性。溫漂0.01% FS / 3. 非常高的一致性。靈敏度一致性0.5%,Schaevitz產(chǎn)品為5% 4. 交叉干擾小于0.5%F.S 5. 空間位置限制。要求行程/體長0.6,最高達78% 6. 要求比例輸出:= 0.50.004 7. 承受壓力 1015MPa 8. 交流單行程輸出 主要產(chǎn)品有:CW-HKAC12-65、CW-HKAC15-55、CW-HKAC15-25,航空傳感器,小行程LVDT 小行程LVDT如圖1-13,CW-HKAC9.5-1.5。,圖1-13,技術(shù)指標: 行程:1.5mm 外形:9.5 x 25.4mm 線性度:0.3% 工作溫度:-55 +150 溫漂: 0.015% FS /,航空傳感器,高穩(wěn)定性高一致性LVDT 結(jié)構(gòu)要求如圖1-14所示,CW-HKAC12-65,外徑公差為,圖1-14,電氣技術(shù)指標如下: 行程:65 mm 靈敏度一致性: =0.50.008 工作溫度:-55 +160 溫漂: 0.015% FS / 交叉干擾:18MV,航空傳感器,不對稱輸出LVDT 外形圖見圖1-15,CW-HKAC15-55。,圖1-15,主要技術(shù)指標: 激勵電壓和頻率:30.03 Vrms,1800Hz18Hz 行程:-44mm +66mm 機械行程:-46mm +68mm 輸出電壓:1 Vrms01.5 Vrms 1% 工作溫度:-55 +150 溫漂: 0.015% FS /,航空傳感器,高壓LVDT 外形圖見圖1-16所示,CW-HKAC13-25。,圖1-16,主要技術(shù)指標: 激勵電壓和頻率:3Vrms 3000Hz 行程:25mm 輸出電壓:01.5 Vrms 1% 零點電壓:20mVrms 線性度:0.8%,工作溫度:-55 +160 溫漂:0.01% FS / 輸入阻抗:300 OHMS 輸出阻抗:2K OHMS 絕緣電阻:10 M 承受壓力:10MPa,航空傳感器,大行程高穩(wěn)定性LVDT 外形圖見圖1-17,CW-HKAC20-384,行程與體長之比為78%。,圖1-17,特種LVDT,高溫LVDT 主要技術(shù)指標: 輸入電壓和頻率:3Vrms 2.5KHz 行程:25mm 線性度:0.25% 靈敏度:18mV/V/mm 工作溫度:-50 +300 輸入阻抗:600 OHMS 20% 骨架用12.7x 1.6 x 164mm陶瓷 管,絕緣墊片是可承受800的 HP6M-3無機膠白云母墊片。,高精度高穩(wěn)定性防幅射LVDT 主要技術(shù)指標: 激勵頻率:2.5KHz 激勵電壓:3Vrms (5 Vrms Max) 行程:40mm 機械行程:50mm 線性度:0.1%FS 靈敏度:15mV/V/mm 工作溫度:0 155 溫漂:0.01%/ (+10+70) 抗輻射:50 M Gray 外形圖見圖1-18,圖1-18,特種LVDT,高精度高穩(wěn)定性防幅射LVDT的應用,歐洲大型強子對撞機工作原理示意圖如下。,圖1-19,特種LVDT,歐洲大型強子對撞機客戶測試報告,特種LVDT,大型強子對撞機簡介: 大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器,旨在探究宇宙起源,它建在法國與瑞士邊境下一條16.7英里(約合27公里)長的環(huán)形隧道內(nèi),如圖1-20,由歐洲核子研究中心負責管理。 大型強子對撞機共有4臺探測器構(gòu)成,它們分別安裝在環(huán)形隧道的4個地下巨洞內(nèi),分布在大型強子對撞周圍。其中,ALICE探測器高16米、重約1萬噸,如圖1-21。 大型強子對撞機創(chuàng)造了一個迷你版本的“宇宙大爆炸”,如圖1-22,而宇宙正是誕生于大約140億年前的大爆炸。報道稱,實驗的成功將開啟粒子物理學研究的新世紀。 據(jù)報道,迷你版“宇宙大爆炸”是通過令鉛離子高速撞擊產(chǎn)生的,撞擊產(chǎn)生的溫度是太陽核心溫度的100萬倍,重現(xiàn)了大爆炸后宇宙的瞬間狀況。,特種LVDT,圖1-20 大型強子對撞機環(huán)形隧道,圖1-21 大型強子對撞機結(jié)構(gòu)圖,圖1-22 迷你“宇宙大爆炸”效果圖,特種LVDT,超高溫或超低溫防幅射LVDT 工作溫度從-195550可以抵抗高達1011rads或109gray的輻射,實物照片見圖1-23。,圖1-23,主要技術(shù)指標: 輸入電壓: 3 Vrms(標稱) 頻率范圍: 400Hz至5KHz 工作溫度: -320F至+1022F (- 195至550) 溫度允限: -450F至+1200F (-270至650) 零點電壓: 0.5% 滿量程輸出 耐受沖擊: 10g (11毫秒) 振動允限: 10g (2KHz) 線圈材料: 陶瓷 外殼材料: AISI 304系列不銹鋼 導線: 28 AWG 固態(tài)鎳,MgO絕緣,標準全長72英寸(180厘米);直徑3/16英寸(4.75毫米),最小彎道半徑1/2英寸(12.5毫米)的不銹鋼護套。,雙余度LVDT 外形如圖1-24,每個外殼中裝兩個相同的LVDT。,圖1-24,特種LVDT,主要技術(shù)指標: 輸入電壓和頻率:7Vrms 3KHz1% 行 程:0 1.5inch 輸出電壓:0.73.5 Vrms 0.1 不同行程 0 50% 100% Vrms 0.70.1 2.10.1 3.50.1 工作溫度:-40 +121 負載阻抗:10K OHMS 相 位: 10,高靈敏度高分辨率LVDT 外形見圖1-25。,圖1-25,特種LVDT,技術(shù)指標: 激勵電壓和頻率:7.00.07 Vrms 180018Hz 行程: 0.5mm 零點電壓: 8m Vrms 線性度: 0.3%FS 溫度漂移: 0.015%FS/ 重復性: 0.15% 絕緣電阻: 10M OHMS 工作溫度: -55 +150,實測0.5mm輸出為1.07 Vrms,靈敏度高達305.7mv/v/mm,分辨率為0.1m, 51/2 數(shù)字電壓表 行程0.1m 可顯示000.214mv。,超小型LVDT 外形圖見圖1-26,外形尺寸4.77x19,行程1.25mm,實物照片見 圖1-27所示。微型LVDT的特點:它特別適用于對微型組件進行多點測 量。鐵芯重量基本上可以忽略不計。生產(chǎn)時需要采用極其復雜的裝配工 藝。線圈用細如毛發(fā)的金屬絲繞成。導線焊接和一些精密的裝配活由技術(shù) 嫻熟的專業(yè)人員借助雙目顯微鏡進行。外殼可屏蔽電磁。,圖1-26,特種LVDT,技術(shù)指標: 輸入電壓:1 Vrms(最大) 頻率范圍:2.5kHz 至 20kHz 工作溫度:-65F至300F (-25C至85C) 零點電壓: 1.0%FS 耐受沖擊:1000g/11ms 振動允
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