现代 LVDT 位置传感器

LVDT 如何演变成可靠、经济高效的线性反馈设备，用于电梯轿厢定位的编年史。

作者：约翰·马特拉克和迈克·普乔

线性可变差动变压器 (LVDT) 已从 60 多年前作为实验室工具的有限使用发展成为可靠且具有成本效益的线性反馈设备，使其成为在一系列关键和可靠的线性位移测量中的合适技术工业、尺寸测量和军事/航空航天应用。

无论是作为独立组件还是作为控制或安全系统的一部分，LVDT（也称为线性位置传感器）都能够在各种操作和环境条件下以高精度和高精度提供从微英寸到 2 英尺的线性位移测量可靠性。 从本质上讲，LVDT 提供了控制系统执行其工作的关键信息。

例如，电梯中使用的机电控制系统依靠弹簧加载的 LVDT 来提供必要的位置反馈，以便在到达时将电梯轿厢正确对准建筑物楼层。 LVDT 线性位置传感器测量车架和轿厢位置之间的差异，向控制系统提供输出，该控制系统使用位移信息来调整车架的行程，因此当车门打开时，轿厢地板
与乘客离开的地板齐平。

LVDT 演进

虽然 LVDT 线性位置传感器可以在当今无数关键应用中找到，但情况并非总是如此。 在第二次世界大战之前，LVDT 作为制造工具的用途有限，例如在组装过程中对齐飞机机身的两块。 最终，LVDT 线性位置传感器找到了进入飞机、潜艇和武器/弹药系统的方法。

然而，尽管战时应用取得了许多成功，但直到 1946 年 Herman Schaevitz 撰写了一篇由实验应力分析协会发表的题为“线性可变差动变压器”的科学文章，LVDT 才被认为是商业上可行的线性位移测量技术。 这篇论文成为 LVDT 未来发展的一个重要里程碑，因为它提供了线性位移技术的完整技术数据，以及这些传感器至今仍在使用的几个潜在应用。

虽然 LVDT 被用于过程控制和发电等众多工业应用，但直到过去十年中基于微控制器的经济实惠的电子产品和新型耐腐蚀/高温材料的问世，LVDT 才成为更具竞争力的替代品传感技术，无论是在性能还是价格方面（图 1）。

过去，正确操作 LVDT 所需的电子设备既复杂又昂贵，因此无法广泛用于位移测量。 然而，专用集成电路和微处理器与新的结构材料和制造工艺相结合，降低了制造成本，同时提高了性能，使 LVDT 与其他传感器技术相比更具竞争力。

新的绕线技术和基于计算机的绕线机也可以减少传感器主体的长度，同时保持或增加行程长度比。 这种较小的尺寸减少了所需的安装空间，从而允许考虑将 LVDT 用于空间有限的应用（图 2）。

运作模式

在基本术语中，换能器是一种机电设备，可将线性位置或运动转换为成比例的电输出。 更具体地说，LVDT 位置传感器产生的电输出信号与单独的可移动铁芯的位移成正比。 通常，LVDT 主体固定到位，铁芯连接到需要位置反馈的设备上的移动元件。

基本的 LVDT 设计包含三个元素：

u 一个初级绕组

u 两个相同的次级绕组

u 可移动的磁衔铁或“铁芯”

初级绕组由产生磁场的交流电源激励，当磁芯置于中心或“零”位置时，在两个次级中感应出相等的电压。 次级是相对串联的，因此它们的组合输出代表其中指示的电压差，在这种情况下为零。 当铁芯向左或向右移动时，感应电压的差异会产生与铁芯位移量成线性比例的输出。 此外，当磁芯通过零位时，初级励磁电压和次级输出电压之间的相位关系会突然偏移 180°，从而使用户能够辨别位移方向。

由于 LVDT 是无摩擦的，因此铁芯和线圈的内孔之间没有物理接触，从而使换能器具有无限的使用寿命，因为它们的机械部件不会磨损或变质。 相应的无摩擦也导致真正无限的分辨率和无滞后。 此外，由于它们具有低质量核心，因此非常适合用于动态运动测量情况。 例如，在电梯应用中，由于乘客或货物的装载和卸载而导致核心位置的不断变化，以及电梯轿厢开始移动然后减速到停止时的惯性，会导致电位计等接触设备抖动和穿。

虽然绝大多数需要位置反馈的应用都可以使用包括 LVDT 在内的传统传感器，但在许多应用中，从技术上讲，LVDT 线性位置传感器是最佳解决方案之一。 与接触式电位器、磁致伸缩传感器、光学传感器和电容传感器等其他位移技术相比，LVDT 可在极端环境应用中发挥作用，例如发电、井下油气勘探、蒸汽阀控制系统、执行器、高炉，以及飞机发动机和襟翼控制装置。

在电梯中，存在振动、冲击和污垢/油脂。 如前所述，电位器会磨损。 光学传感器如果被污垢或油脂遮住就会出现问题，并且磁致伸缩传感器通常不能很好地处理振动和冲击，因为它们的管子中的内部电线会断裂。

使用现成的材料和组件，Macro Sensors 可以设计 LVDT 以在 -60°C 至 200°C 的温度范围内工作。 通过修改 LVDT 磁芯、外壳、电气接口和绕组材料，温度范围可扩展到 -200°C 至 500°C。

凭借其密封和非接触式操作，LVDT 线性位置传感器是唯一能够提供准确和可靠性能的技术之一，同时在高达 7,500 磅/平方英寸 (500 bar) 的压力下运行，平均故障间隔时间为 5 万次小时。 即使在 +/-0.050 到 +/ 的行程范围内
-2.0 英寸，这些密封传感器 (IEC IP-68) 可以承受电梯常见的剧烈冲击，以及污垢、水、蒸汽和其他腐蚀性元素的影响，而不会影响性能。

使用现代电子设备进行远程监控

在某些关键和苛刻的应用中，例如高温、辐射、冲击和振动，信号调节电子设备可能需要远离传感设备。 一些电梯制造商更喜欢将信号调节电子设备包含在 LVDT 主体内，而另一些制造商则更喜欢将它们安装在电梯控制系统中。

与电子电路无法与传感元件隔离的电容、磁致伸缩和其他高频技术相比，LVDT 可以安装在距离调节电子设备最远 100 英尺（31 米）的地方。 低驱动正弦频率在射频频谱以下运行并且不辐射电噪声。

信号调节和处理功能也可以放在 LVDT 外壳内，而不需要辅助外部盒。 基于现代微控制器的电子设备为紧凑、易于使用的 LVDT 线性位置传感器提供完整的驱动和处理电路。 这些电子设备允许客户选择驱动频率、速度和噪音过滤选项。 而且，LVDT 可以产生与基于计算机的系统和标准化数字总线直接兼容的数字输出。

LVDT 有助于确保准确落地

弹簧加载的 LVDT 位置传感器在确保电梯轿厢在建筑物楼层的准确定位方面发挥着不可或缺的作用。 当乘客以超过 2,000 fpm 的速度乘坐电梯时，机电控制和安全系统依靠传感器提供必要的反馈，以确保电梯轿厢和建筑物楼层在到达时正确对齐。

为了确保平稳舒适的乘坐，电梯轿厢由外部框架内的弹簧悬挂，提供缓冲以抵抗加速/减速和初始启动和停止急动以克服惯性的影响。 当电梯载有乘客时，弹簧会压缩，从而改变轿厢在框架内的位置。 这会影响目标楼层的最终轿厢位置。 为了确保汽车和建筑物地板在到达时正确对齐，Macro Sensors 的弹簧加载 LVDT 位置传感器用于测量框架和汽车位置之间的差异。 具体来说，传感器正在测量负载导致的弹簧变形。

根据电梯制造商的不同，传感器安装在电梯平台的下方或上方。 当从上方进行测量时，弹簧加载的 LVDT 位置传感器的探头通常会随着负载的增加而压缩和延伸。 当传感器安装在电梯平台下方时，测量是在相反的应用中进行的，其中传感器随着负载的增加而压缩。 输出被输入控制系统，该系统使用位移信息来调整框架的行程，因此当轿厢门打开时，轿厢地板与乘客离开的地板齐平。

关于宏传感器

Macro Sensors 制造广泛的线性和旋转传感器系列，用于各种工业应用中的位置测量和反馈，包括工厂自动化、运动控制系统（如电梯控制系统）、金属制造和汽车装配以及发电厂, 和燃气/蒸汽涡轮机。 Macro Sensors 成立于 1994 年，总部位于新泽西州 Pennsauken，其起源可直接追溯到 Herman Schaevitz，后者于 1945 年创立了 Schaevitz Engineering，并在商业上引入了 LVDT 技术。

Schaevitz 被公认为 LVDT 技术的先驱开发者。 他将 LVDT 从手工制作的实验室设备转变为今天的位置传感器，并将 Schaevitz Engineering 打造成为以 LVDT 为核心产品的成功企业。 在 Schaevitz 退休后，他的儿子 Howard 接替了他的 CEO 职位，霍华德主持了十年的企业发展和产品扩张。

在将 Schaevitz Engineering 出售给一家更大的公司后，Schaevitz “智囊团”的几名成员成立了 Macro Sensors，它是 Howard A. Schaevitz Technologies 的一个部门，负责设计、制造和销售传感器及相关产品。 Macro Sensors 的人员凭借累积 500 多年的设计和制造专业知识，为位置传感器行业带来了知识和经验。

在全球分销商网络的支持下，Macro Sensors 聘请了具有应用知识和设计专业知识的设计、机械和电气专业人员的内部工程人员与客户一起设计解决方案以解决定位测量问题。 Macro Sensors 设计了 ​​800 多种定制设计，以满足客户的特定应用。

2005 年，Krystal Bond™ 技术微机电压力传感器的制造商 American Sensor Technologies 收购了 Macro Sensors，从而创建了为客户提供压力和位置传感专业知识的单一来源。 Macro Sensors 最近重新设计了其网站，以便设计工程师更容易找到满足特定行业应用性能标准的 LVDT 线性位置传感器和旋转可变差动变压器位置传感器。 由于发现许多工程师不确定哪种类型的传感器可以满足他们的应用要求，Macro Sensor 将 LVDT 和旋转可变差动变压器位置传感器划分为应用类别。