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摘要：基于飞行试验中角度参数测试需求，通过研制一种非接触式线位移（LVDT）传感器，实现机载条件下机械结构角位移的高精确测量，保证型号任务的完成。在深入探讨差动变压器型LVDT工作原理的基础上，对传感器的结构和特性进行分析与设计，探讨了结构参数的选取原则及各参数对LVDT性能的影响规律。简要介绍了LVDT的灵敏度设计和零位电压误差的控制，总结了LVDT作为典型信号调理装置在工程中的应用。
关键词：差动变压器，参数设计，灵敏度，信号调理
1 传感器工作原理
LVDT线位移传感器采用差动变压器式原理，初级和次级线圈完全隔离，为非接触式设计。外部正弦波信号激励初级线圈，通过初级线圈与次级线圈弱电磁耦合，使得铁芯的位移变化量与输出电压变化量呈精密线性关系，通过电压测量即可获得线位移信息，即传感器芯轴机械移动传递到与之相连的铁芯，改变线绕线圈的感应电压，输出与
铁芯移动距离成比例的电压输出信号，通过调节电路将LVDT的原始输出信号转换为一个比例直流信号。
LVDT线位移传感器采用螺管型差动变压器结构，由初级线圈P、两个次级线圈S1、S2和插入线圈中央的铁芯b组成，结构形式为四节式，采用该结构可以改善传感器线性度。
2 结构设计和参数确定
2.1 结构组成
LVDT线位移传感器采用差动变压器式原理，主要由线铁芯、连杆、骨架、激励绕组、2个对称分布的输出绕组、调节电路、壳体、电缆等部分组成。
LVDT是将被测线位移量的变换转换成磁路磁阻变化引起线圈互感M变化的一种装置。当激励绕组接入激励电源后，输出绕组将产生感应电压，互感变化时输出电压将做相应的变化，2个输出绕组接成差动形式，即2个感应电动势反向串接。
2.2 铁芯和骨架设计
骨架通常采用圆柱形，由绝缘材料制成。对骨架的要求是，高频损耗小、抗潮湿、温度膨胀系数小。传感器精度低的可用胶木棒，高精度设计可采用环氧玻璃纤维、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架的形状和尺寸要精密对称，骨架上密绕高强度漆包线线圈。线圈一般采用36～48号，导线直径取决于电源电压和频率的高低。电源电压一般在3～30V（有效值）范围内，电源频率在50Hz～20kHz。[1]
铁芯的功用是提供闭合回路、磁屏蔽和机械保护。连杆和铁芯采用同种材料，通常采用电阻率大、导磁率高、饱和磁感应强度大的材料，如纯铁、坡莫合金、铁氧体等。铁氧体适用于高频工作的铁芯，但尺寸精度受到限制，高精度LVDT设计采用高镍坡莫合金。应力，以改进其磁性能。
小量程差动变压器设计，为使总磁场分布的直线化和铁芯移动时线圈阻抗的稳定，铁芯长度应大于线圈长度。为使在一定精度内获得更大的测量范围，铁芯的最佳长度根据式1[2]计算。
式中，l为线圈的总长度，d为绕组线圈的平均直径，li为激励线圈的长度。
2.3 灵敏度设计
2.3.1 气隙的选择
气隙的大小对差动变压器灵敏度影响很大，Ⅱ型差动变压器灵敏度根据式2[2]，
Ⅱ型差动变压器气隙一般选在0.3～1.0mm。
为提高灵敏度，设计中尽可能增大铁芯半径，减小螺线管线圈外径r0，在铁芯运动不受阻的条件下减量减小铁芯和骨架的间隙。一般铁芯和骨架间隙为0.2～1.0mm。
2.3.2 线圈匝数的确定
提高传感器灵敏度的方法有二：一是提高初级线圈的匝数，在给定的窗口面积下，选用低电阻率、高强度的细线，常用直径为DP=0.04～0.16mm的漆包线。二是提高次级与初级线圈的匝数比。初级匝数确定后（一般取500～1500匝），增加匝数比有利于提高灵敏度，但匝数比过大将造成零点输出电压过大，次级输出阻抗增加而易受外部干扰。一般匝数比取1～3。
初级线圈DP选定后，根据线圈实际所占窗口面积（即线圈绕组的可利用空间，由最大结构尺寸确定）应小于允许窗口面积SK，则有式3：
计算得到初级线圈NP的匝数：
2.3.3 激励电源频率特性
激励频率的增加有利于提高线圈品质因数，从而提高灵敏度。
频率太低时，差动变压器的灵敏度显著降低，温度误差和频率误差增加。随频率的增加，铁损和耦合电容等影响也增加，常用激励频率为3KHz～10KHz。另外激励频率的增加引起与次级线圈相联系的磁通量的增加，初级线圈的电抗增大，使差动变压器的输出电压增大。
3 传感器调理电路
3.1 信号调理原理
选用美国AD公司生产的AD698作信号调节，AD698与LVDT配合，能够将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。在芯片内部，AD698将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。
AD698内部有一个用来产生LVDT初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其功率放大器，AD698驱动LVDT的初级线圈，使得LVDT的次级线圈产生感应输出电压，从而产生一个与磁芯位置成比例的交流输出电压，AD698内部的滤波器及输出功率放大器处理LVDT的输出电压并产生一个和磁芯位置成比例的直流电压信号。内部的两个同步解调器作为解码器来解码初级和次级线圈电压，解码器确定一个比例系数，即有线圈输出电压和输入驱动电压的比值A/B。AD698通过同步解调次级线圈的已调的电压幅值来解码LVDT，很好的解决了主控振荡器的幅值受到影响使输出产生增益误差的问题。
3.2 信号调理电路
LVDT信号调理选用美国AD公司生產的AD698集成芯片，AD698是一种完整的单片式线性位移差分变压器信号调理系统。仅用一个单片器件来解决LVDT信号调节问题，只需外接无源元件，而且不需要任何调整。外围的元器件可以建立的参数包括：激励频率和输出幅值，零电位补偿调整、滤波和信号整合等。
AD698作为信号调节具有的优点：输入/输出电压及频率适应范围都很宽，可适用于不同类型的LVDT;可利用外部的激励信号也能正常工作;采用比率译码方案，次级对初级的相移和变压器中点电压不会影响线路的总性能;消耗功率受超过它的允许值时，激磁输出有过热保护;线路不受相移或信号绝对值的大小影响，能够通过电缆驱动300英尺（约91.4米）以外的LVDT正常工作。传输距离远，输出直流电压能够通过电缆传输到1000英尺（约304.8米）以外的地方。[3]
4 结束语
线位移传感器作为多种机型的列装产品，也可用于飞机模拟台及其他地面设备的线位移测量。具有广泛的应用前景。LVDT传感器属于变磁阻式传感器，是利用磁路磁阻变化引起线圈电感或互感的改变来实现非电量测量，作为一种机电转换装置，将输入的机械物理量转换成电能量输出，在现代工业和科学实验，尤其在自动控制系统中应用十分广泛，是实行非电量电测的重要传感器之一。
参考文献
[1] 田裕鹏，姚恩涛，李开宇.传感器原理（第三版）.北京：科学出版社，2007.09.142～146。
中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089
关键词：差动变压器，参数设计，灵敏度，信号调理
1 传感器工作原理
LVDT线位移传感器采用差动变压器式原理，初级和次级线圈完全隔离，为非接触式设计。外部正弦波信号激励初级线圈，通过初级线圈与次级线圈弱电磁耦合，使得铁芯的位移变化量与输出电压变化量呈精密线性关系，通过电压测量即可获得线位移信息，即传感器芯轴机械移动传递到与之相连的铁芯，改变线绕线圈的感应电压，输出与
铁芯移动距离成比例的电压输出信号，通过调节电路将LVDT的原始输出信号转换为一个比例直流信号。
LVDT线位移传感器采用螺管型差动变压器结构，由初级线圈P、两个次级线圈S1、S2和插入线圈中央的铁芯b组成，结构形式为四节式，采用该结构可以改善传感器线性度。
2 结构设计和参数确定
2.1 结构组成
LVDT线位移传感器采用差动变压器式原理，主要由线铁芯、连杆、骨架、激励绕组、2个对称分布的输出绕组、调节电路、壳体、电缆等部分组成。
LVDT是将被测线位移量的变换转换成磁路磁阻变化引起线圈互感M变化的一种装置。当激励绕组接入激励电源后，输出绕组将产生感应电压，互感变化时输出电压将做相应的变化，2个输出绕组接成差动形式，即2个感应电动势反向串接。
2.2 铁芯和骨架设计
骨架通常采用圆柱形，由绝缘材料制成。对骨架的要求是，高频损耗小、抗潮湿、温度膨胀系数小。传感器精度低的可用胶木棒，高精度设计可采用环氧玻璃纤维、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架的形状和尺寸要精密对称，骨架上密绕高强度漆包线线圈。线圈一般采用36～48号，导线直径取决于电源电压和频率的高低。电源电压一般在3～30V（有效值）范围内，电源频率在50Hz～20kHz。[1]
铁芯的功用是提供闭合回路、磁屏蔽和机械保护。连杆和铁芯采用同种材料，通常采用电阻率大、导磁率高、饱和磁感应强度大的材料，如纯铁、坡莫合金、铁氧体等。铁氧体适用于高频工作的铁芯，但尺寸精度受到限制，高精度LVDT设计采用高镍坡莫合金。应力，以改进其磁性能。
小量程差动变压器设计，为使总磁场分布的直线化和铁芯移动时线圈阻抗的稳定，铁芯长度应大于线圈长度。为使在一定精度内获得更大的测量范围，铁芯的最佳长度根据式1[2]计算。
式中，l为线圈的总长度，d为绕组线圈的平均直径，li为激励线圈的长度。
2.3 灵敏度设计
2.3.1 气隙的选择
气隙的大小对差动变压器灵敏度影响很大，Ⅱ型差动变压器灵敏度根据式2[2]，
Ⅱ型差动变压器气隙一般选在0.3～1.0mm。
为提高灵敏度，设计中尽可能增大铁芯半径，减小螺线管线圈外径r0，在铁芯运动不受阻的条件下减量减小铁芯和骨架的间隙。一般铁芯和骨架间隙为0.2～1.0mm。
2.3.2 线圈匝数的确定
提高传感器灵敏度的方法有二：一是提高初级线圈的匝数，在给定的窗口面积下，选用低电阻率、高强度的细线，常用直径为DP=0.04～0.16mm的漆包线。二是提高次级与初级线圈的匝数比。初级匝数确定后（一般取500～1500匝），增加匝数比有利于提高灵敏度，但匝数比过大将造成零点输出电压过大，次级输出阻抗增加而易受外部干扰。一般匝数比取1～3。
初级线圈DP选定后，根据线圈实际所占窗口面积（即线圈绕组的可利用空间，由最大结构尺寸确定）应小于允许窗口面积SK，则有式3：
计算得到初级线圈NP的匝数：
2.3.3 激励电源频率特性
激励频率的增加有利于提高线圈品质因数，从而提高灵敏度。
频率太低时，差动变压器的灵敏度显著降低，温度误差和频率误差增加。随频率的增加，铁损和耦合电容等影响也增加，常用激励频率为3KHz～10KHz。另外激励频率的增加引起与次级线圈相联系的磁通量的增加，初级线圈的电抗增大，使差动变压器的输出电压增大。
3 传感器调理电路
3.1 信号调理原理
选用美国AD公司生产的AD698作信号调节，AD698与LVDT配合，能够将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。在芯片内部，AD698将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。
AD698内部有一个用来产生LVDT初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其功率放大器，AD698驱动LVDT的初级线圈，使得LVDT的次级线圈产生感应输出电压，从而产生一个与磁芯位置成比例的交流输出电压，AD698内部的滤波器及输出功率放大器处理LVDT的输出电压并产生一个和磁芯位置成比例的直流电压信号。内部的两个同步解调器作为解码器来解码初级和次级线圈电压，解码器确定一个比例系数，即有线圈输出电压和输入驱动电压的比值A/B。AD698通过同步解调次级线圈的已调的电压幅值来解码LVDT，很好的解决了主控振荡器的幅值受到影响使输出产生增益误差的问题。
3.2 信号调理电路
LVDT信号调理选用美国AD公司生產的AD698集成芯片，AD698是一种完整的单片式线性位移差分变压器信号调理系统。仅用一个单片器件来解决LVDT信号调节问题，只需外接无源元件，而且不需要任何调整。外围的元器件可以建立的参数包括：激励频率和输出幅值，零电位补偿调整、滤波和信号整合等。
AD698作为信号调节具有的优点：输入/输出电压及频率适应范围都很宽，可适用于不同类型的LVDT;可利用外部的激励信号也能正常工作;采用比率译码方案，次级对初级的相移和变压器中点电压不会影响线路的总性能;消耗功率受超过它的允许值时，激磁输出有过热保护;线路不受相移或信号绝对值的大小影响，能够通过电缆驱动300英尺（约91.4米）以外的LVDT正常工作。传输距离远，输出直流电压能够通过电缆传输到1000英尺（约304.8米）以外的地方。[3]
4 结束语
线位移传感器作为多种机型的列装产品，也可用于飞机模拟台及其他地面设备的线位移测量。具有广泛的应用前景。LVDT传感器属于变磁阻式传感器，是利用磁路磁阻变化引起线圈电感或互感的改变来实现非电量测量，作为一种机电转换装置，将输入的机械物理量转换成电能量输出，在现代工业和科学实验，尤其在自动控制系统中应用十分广泛，是实行非电量电测的重要传感器之一。
参考文献
[1] 田裕鹏，姚恩涛，李开宇.传感器原理（第三版）.北京：科学出版社，2007.09.142～146。
中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089