《LVDT培训》PPT课件.ppt

LVDT工作原理 分类及特点主讲 张裕悝 LVDT的基本工作原理LVDT的特点LVDT分类国内外LVDT产品性能比较 图1 1LVDT结构示意图和电原理图 LVDT工作原理 全世界第一个LVDT商业化产品于1948年在美国Schaevitz公司诞生 经过60多年的发展 LVDT产品已被全球大多数国家在机械 电力 电子 汽车 航空航天 冶金 煤炭 石油 交通 轻工 纺织 建材 水利等行业的工矿企业 研究所 大学 国防军工等单位广泛用于自动控制和自动测量 LVDT位移传感器全称为 LinearVariableDifferentialTransformer线性可变差动变压器LVDT位移传感器的工作原理简单地说是铁芯可动变压器 结构示意图如图1 1所示 LVDT工作原理 LVDT由一个初级线圈P 两个次级线圈S1和S2 铁芯以及线圈骨架 外壳 等部件组成 当铁芯在线圈中心位置时 次级线圈S1 S2所感应的电压相等 由于输出是反向串接 所以输出电压为零 实际上还有很小的零位电压V0 如图1 1所示 当铁芯向左移动时 线圈S1和线圈P之间互感量MX增加 次级线圈S1感应电压V1升高 同时线圈S2与线圈P互感量减小 次级线圈S2感应电压V2降低 两线圈电压的代数和V V1 V2 因为S1和S2是反向串接 V1和V2相位差180 实际值V V1 V2 随着铁芯向左移动呈线性增加 当铁芯向右移动时 两线圈电压变化相应与之相反V1 V2的代数和随铁芯向右移动输出VS线性增加 但此时相位与向左移动相差180 图1 1 c 表示次级电压与铁芯距离之间关系 即输出特性 这样就将非电量 位移转变成电压 完成传感器的功能 这里要特别指出 LVDT和一般变压器有本质上的区别 变压器为强电磁耦合 次级电压在满负载和空载差别非常大 而LVDT为弱电磁耦合 要求负载阻抗很大 次级产生的感应电流很小 由此产生的附加磁场不干扰激励磁场分布 这是与普通变压器完全不同的概念 表现出了LVDT的独特性质 LVDT工作原理 直流LVDT 更确切地说应该称为位移变送器 它是在位移传感器LVDT基础上 外加电路 不论多大行程 都可以使其输出均为0 5V 或0 10V标准电压信号 或4 20mA标准电流信号的变送器 其方框图如图1 2 图1 2 LVDT的特点 1 结构简单 工作可靠 寿命长 线性度好 重复性好 性能价格比高 利税率高 2 精度 最高精度可达0 05 一般为0 25 0 5 3 绝对误差 最高可达0 1 m 4 重复性 好 最高可达0 1 m 5 灵敏度 高 一般每mm位移输出为数百mv 最高可达几伏 6 分辨率 高 一般为0 1 m 最高可达10 4 m 7 测量范围 宽 0 1mm 500mm甚至更大 8 工作温度范围 大 一般为 55 150 可扩展到 300 传感器或变送器分为三级 商业级 0 70 工业级 40 85 军级 55 125 9 时间常数小 动态特性好 频带宽一般为200HZ 5ms 最高可500HZ 2ms 10 毛利率高 50 LVDT的特点 LVDT与光栅 磁栅 同步感应器等高精度测长仪器相比有以下几个优点 1 动态特性好 可用于高速在线检测 进行自动测量 自动控制 光栅 磁栅等测量速度一般为1 5m s以内 只能用于静态测量 2 LVDT可在强磁场 大电流 潮湿 粉尘等恶劣环境下使用 可以做成在特殊条件下工作的传感器 如耐高压 高温 耐辐射全密封在水下工作 可靠性非常好 能承受冲击1000g 11ms 振动 频率2000HZ加速度20g 5 体积小 价格低 性能价格比高 LVDT分类 按用途分类交流LVDT直流LVDT回弹式LVDT高压LVDT航空航天LVDT特种LVDT 交流LVDT技术指标 交流LVDT的技术指标 输入电压 3Vrms 1 20Vrms 激励频率 2 5KHz 1 10KHz 线性度 0 5 0 25 0 2 0 1 灵敏度 3 240mV V mm 0 07 6 0mV V 0 001 动态频率 行程0 6mm 6mm500Hz200Hz 3dB 行程 0 127mm 508mm 0 005 20 零位电压 0 5 FSO负载阻抗 100K 工作温度 55 150 温度系数 零位 0 005 FS 满度 0 01 FS 冲击 1000g11ms振动 20g2kHz 从以上技术指标可知 交流LVDT充分体现了LVDT的特点 特别是工作温度为 55 C 150 C 能承受1000g 11ms冲击 20g2KHz振动特性是其他任何测量产品所不能比拟的 交流LVDT的不足之处是不能远传 使用时要配信号调节器 直流LVDT技术指标 直流LVDT是将信号调节器小型化之后 装入LVDT之内 直流LVDT的技术指标 双向输出单向输出输入电压 15VDC 8 5 28VDC输入电流 25mA 10mA输出负载阻抗 最小 2K 输出纹波 25mVrms10mVrms输出电压 0 10VDC0 5VDC输出阻抗 2 动态频率 200Hz工作温度 25 85 储存温度 25 95 线性度 0 25 F S稳定性 30分钟预热之后为0 10 温度系数 零位 0 01 F S 满度 0 02 F S 冲击 250g 11ms振动 10g2kHz 优点 1 使用方便 特别是多个直流LVDT同时使用更显示出其优越性 2 可以远传 4 20mA电流输出可以远传到数百米之外 适用于工业自动控制 3 可以实现二线制数字输出 双线可以同时带动32个传感器 4 单片机电路可以对LVDT进行数字补偿 提高LVDT线性度 可达0 05 和温度特性 可达0 01 F S 缺点 1 由于受器件限制 工作温度范围较小 2 承受冲击为250g 11ms 3 振动为10g2kHz 4 体积较大 直流LVDT优缺点 直流LVDT分类 直流LVDT按性能分为以下几种 电压输出A 输入 15V电压 输出0 5V或0 10VB 输入 8 5 28V电压 输出0 5V或0 10V三线制4 20mA电流输出输入24V电压 输出为4 20mA电流 接线图如图1 3 二线制4 20mA电流输出输入12 75V 28VDC电压 输出4 20mA电流上 接线图如图1 4所示 图1 3 图1 4 直流LVDT分类 二线制4 20mA电流输出技术指标 线性量程 6 35mm 12 7mm 25 4mm 50 8mm 127mm 254mm非线性 0 25英寸 5 0英寸 6 36 127毫米 0 5 10 0英寸 254毫米 1 0 输出 4 20mA 二线制环路回路供电 12 75to28VDC最大回路电阻 600 28VDC 输出噪声与纹波 25 APk Pk 最大 工作温度 13 F至185 F 25 至85 C 灵敏度温度系数 0 04 C 最大 稳定性 30分钟预热之后为0 10 数字式位移传感器输入8 5V 30VDC电压 双线可寻址的RS 485输出 可直接显示数字输出 回弹式LVDT 将铁芯 拉杆 轴套连在一起 使其与LVDT成为一体 以便客户安装使用 外弹簧式LVDT外弹簧式LVDT又分为以下几种 a 简易型外弹簧 如图1 5 b 放在外管中的外弹簧 如图1 6 c 弹簧套在拉杆上 装在带螺纹的外套里 弹簧在线圈之外 如图1 7 图1 5 图1 6 图1 7 回弹式LVDT 内弹簧式LVDT弹簧在线圈内运动 要求弹簧无磁 如图1 8所示 滚珠导轨式LVDT用于精密测量 与带滚珠导轨的测量头相连接 弹簧为宝塔形态 如图1 9所示 图1 8 图1 21 图1 9 高压LVDT 气密封型LVDTLVDT线圈密封在焊接的外管中 引出线用耐压的插座连接 如图1 10所示 图1 10 压力大于10MPa的LVDT 必需用玻封压力端盖 高压LVDT 一般高压LVDT承压部分按高压结构设计 线圈和引出导线是不承受压力的 如图1 11所示 左边部分 压力头及内管是承受压力的 右边部分线圈和引出线部分是不承受压力的 大多数压力LVDT都是这种设计 图1 11 等压式高压LVDT由于受各种条件限制 LVDT本身很难设计成所需要求 将外管四周打孔 使LVDT内外处于等压状况 全部放在高压环境中 如图1 12所示 图1 12 航空传感器 航空传感器的特点 应用于恶劣环境 温度范围 55 150 2 非常高的稳定性 温漂0 01 F S 3 非常高的一致性 灵敏度一致性 0 5 Schaevitz产品为 5 4 交叉干扰小于0 5 F S5 空间位置限制 要求行程 体长 0 6 最高达78 6 要求比例输出 0 5 0 0047 承受压力10 15MPa8 交流单行程输出主要产品有 CW HKAC12 65 CW HKAC15 55 CW HKAC15 25 航空传感器 小行程LVDT小行程LVDT如图1 13 CW HKAC9 5 1 5 图1 13 技术指标 行程 1 5mm外形 9 5x25 4mm线性度 0 3 工作温度 55 150 温漂 0 015 F S 航空传感器 高稳定性高一致性LVDT结构要求如图1 14所示 CW HKAC12 65 外径公差为 图1 14 电气技术指标如下 行程 65mm灵敏度一致性 0 5 0 008工作温度 55 160 温漂 0 015 F S 交叉干扰 18MV 航空传感器 不对称输出LVDT外形图见图1 15 CW HKAC15 55 图1 15 主要技术指标 激励电压和频率 3 0 03Vrms 1800Hz 18Hz行程 44mm 66mm机械行程 46mm 68mm输出电压 1Vrms 0 1 5Vrms 1 工作温度 55 150 温漂 0 015 F S 航空传感器 高压LVDT外形图见图1 16所示 CW HKAC13 25 图1 16 主要技术指标 激励电压和频率 3Vrms3000Hz行程 25mm输出电压 0 1 5Vrms 1 零点电压 20mVrms线性度 0 8 工作温度 55 160 温漂 0 01 F S 输入阻抗 300OHMS输出阻抗 2KOHMS绝缘电阻 10M 承受压力 10MPa 航空传感器 大行程高稳定性LVDT外形图见图1 17 CW HKAC20 384 行程与体长之比为78 图1 17 特种LVDT 高温LVDT主要技术指标 输入电压和频率 3Vrms2 5KHz行程 25mm线性度 0 25 灵敏度 18mV V mm工作温度 50 300 输入阻抗 600OHMS 20 骨架用 12 7x1 6x164mm陶瓷管 绝缘垫片是可承受800 的HP6M 3无机胶白云母垫片 高精度高稳定性防幅射LVDT主要技术指标 激励频率 2 5KHz激励电压 3Vrms 5VrmsMax 行程 40mm机械行程 50mm线性度 0 1 FS灵敏度 15mV V mm工作温度 0 155 温漂 0 01 10 70 抗辐射 50MGray外形图见图1 18 图1 18 特种LVDT 高精度高稳定性防幅射LVDT的应用 欧洲大型强子对撞机工作原理示意图如下 图1 19 特种LVDT 欧洲大型强子对撞机客户测试报告 特种LVDT 大型强子对撞机简介 大型强子对撞机是世界上最大 能量最高的粒子加速器 旨在探究宇宙起源 它建在法国与瑞士边境下一条16 7英里 约合27公里 长的环形隧道内 如图1 20 由欧洲核子研究中心负责管理 大型强子对撞机共有4台探测器构成 它们分别安装在环形隧道的4个地下巨洞内 分布在大型强子对撞周围 其中 ALICE探测器高16米 重约1万吨 如图1 21 大型强子对撞机创造了一个迷你版本的 宇宙大爆炸 如图1 22 而宇宙正是诞生于大约140亿年前的大爆炸 报道称 实验的成功将开启粒子物理学研究的新世纪 据报道 迷你版 宇宙大爆炸 是通过令铅离子高速撞击产生的 撞击产生的温度是太阳核心温度的100万倍 重现了大爆炸后宇宙的瞬间状况 特种LVDT 图1 20大型强子对撞机环形隧道 图1 21大型强子对撞机结构图 图1 22迷你 宇宙大爆炸 效果图 特种LVDT 超高温或超低温防幅射LVDT工作温度从 195 550 可以抵抗高达1011rads或109gray的辐射 实物照片见图1 23 图1 23 主要技术指标 输入电压 3Vrms 标称 频率范围 400Hz至5KHz工作温度 320 F至 1022 F 195 至550 温度允限 450 F至 1200 F 270 至650 零点电压 0 5 满量程输出耐受冲击 10g 11毫秒 振动允限 10g 2KHz 线圈材料 陶瓷外壳材料 AISI304系列不锈钢导线 28AWG固态镍 MgO绝缘 标准全长72英寸 180厘米 直径3 16英寸 4 75毫米 最小弯道半径1 2英寸 12 5毫米 的不锈钢护套 双余度LVDT外形如图1 24 每个外壳中装两个相同的LVDT 图1 24 特种LVDT 主要技术指标 输入电压和频率 7Vrms3KHz 1 行程 0 1 5inch输出电压 0 7 3 5Vrms 0 1不同行程050 100 Vrms0 7 0 12 1 0 13 5 0 1工作温度 40 121 负载阻抗 10KOHMS相位 10 高灵敏度高分辨率LVDT外形见图1 25 图1 25 特种LVDT 技术指标 激励电压和频率 7 0 0 07Vrms1800 18Hz行程 0 5mm零点电压 8mVrms线性度 0 3 FS温度漂移 0 015 FS 重复性 0 15 绝缘电阻 10MOHMS工作温度 55 150 实测 0 5mm输出为 1 07Vrms 灵敏度高达305 7mv v mm 分辨率为0 1 m 51 2数字电压表行程0 1 m可显示000 214mv 超小型LVDT外形图见图1 26 外形尺寸 4 77x19 行程 1 25mm 实物照片见图1 27所示 微型LVDT的特点 它特别适用于对微型组件进行多点测量 铁芯重量基本上可以忽略不计 生产时需要采用极其复杂的装配工艺 线圈用细如毛发的金属丝绕成 导线焊接和一些精密的装配活由技术娴熟的专业人员借助双目显微镜进行 外壳可屏蔽电磁 图1 26 特种LVDT 技术指标 输入电压 1Vrms 最大 频率范围 2 5kHz至20kHz工作温度 65 F至300 F 25 C至85 C 零点电压 1 0 FS耐受冲击 1000g 11ms振动允限 20g 2kHz线圈材料 层状玻璃纤维环氧树脂外壳材料 ASI400系列磁性不锈钢导线 36AWG多芯铜 聚四氟乙烯绝缘 图1 27 国内外LVDT产品性能比较 型号 国内外LVDT产品性能比较 从以上产品数据可以看出国内外LVDT产品差距 1 国内产品灵敏度低 特别是小行程LVDT例如 2 5mm 国内灵敏度15mv v mm 国外灵敏度 100 232mv v mm 2 工作温度范围 国内 10 70 仅为商业级水平 国外一般为 50 125 达军级水平 Schaevitz公司可达 55 150 3 满度温度系数差距较大 国内为 250PPm 300PPm 即0 025 0 03 国外为 50PPm 100PPm 即0 005 0 01 注 JB T9257 1999标准温度每变化10 零点和量程变化0 1级0 2级0 3级0 5级0 07 0 14 0 18 0 3 即0 007 C0 014 C0 018 C0 03 C4 承受冲击和振动 国外产品特别是Schaevitz公司比国内高的多 国内 JB T9257 1999标准 Schaevitz冲击10g 11ms1000g 11ms振动1g 60 50Hz20g 2000Hz综合评价 国内产品目前仅处于0 5级即商业级水平 用在要求不高的场合 国外产品在稳定性 可靠性 一致性方面比国内同类产品高的多 可以用到工业自动控制和军事等要求高的场合 注1 Schaevitz公司已于2000年加入MEAS集团公司 谢谢