LVDT測量系統誤差因素分析與補償

廖先碧

（四川職業技術學院 四川 遂寧 629000）

LVDT測量系統誤差因素分析與補償

廖先碧

（四川職業技術學院 四川 遂寧 629000）

介紹了差動變壓器的工作原理及常用測量系統，分析了線性差動變壓器（LVDT）的兩種常用測量系統的誤差因素，給出了減小誤差和補償的方法。

差動變壓器；零點殘余電壓；多器件測量

位移是機械量中最重要的參數，線性差動變壓器LVDT位移傳感器是將微小的位移量轉換為電量的一種靈敏度較高的傳感器，可用于位移、振動、壓力、液位、厚度、溫度、流量等參數的測量，現已廣泛用于航空航天、電力、水利、石油、化工、冶金、煤炭、紡織機械、試驗機等多個領域。本文對線性差動變壓器（LVDT）常用的兩種測量系統的誤差因素進行了簡單的分析，并給出了減小誤差和補償的方法。

1 差動變壓器（LVDT）的工作原理及測量系統

線性差動變壓器（LVDT）以螺線管形式最為常見，它由一個初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。兩個次級線圈反向串聯，根據變壓器的工作原理，在兩個次級繞組中產生感應電動勢e2a和e2b，當鐵芯在中間位置時，兩個次級繞組互感系數相同，產生感應電動勢相等，即e2a=e2b，傳感器的輸出u2=e2a-e2b=0，當鐵芯隨被測試件上下（或左右）移動時，兩個次級繞組互感系數不在相等，u2隨被測量（位移）變化而變化[1]。由于傳感器輸出的是交流信號，鐵芯上（左）移時傳感器的輸出與鐵芯下（右）移時傳感器的輸出相位相差180°，因此，線性差動變壓器（LVDT）的測量系統有兩個任務：測量位移大小和辨別移動方向。

線性差動變壓器（LVDT）測量系統常見的有多器件測量系統和單芯片測量系統。多器件測量系統組成如圖1所示。

圖1 LVDT多器件測量系統組成框圖

單芯片測量系統是利用單片式集成電路進行信號的測量與轉換， 如 AD公司的 AD598、AD698、NXP公司的NE5521D及SF5520、SJ5521等。單芯片測量系統組成如圖2所示。

圖2 LVDT單芯片測量系統組成框圖

2 誤差因素分析及補償

2.1 零點殘余電壓及補償

當差動變壓器的鐵芯處于中間位置時，由于差動變壓器的兩個次級繞組反向串聯，理論上兩個次級線圈的感應電動勢應該大小相等，相位相反，傳感器的輸出電壓為零，但實際上，由于制作工藝和材料的因素和電源電壓以及環境因素的影響，差動變壓器在零位移時的輸出電壓并不為零[2]，這個不為零的電壓稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓的存在使得傳感器輸出特性在零位附近不靈敏、分辨率差、引起非線性誤差，不利于測量并帶來測量誤差。因而，零點殘余電壓的大小是評定差動變壓器性能優劣的重要指標[3]。

在實際測試工作中，選擇合適的傳感器，保證傳感器的安裝精度，從而減小鐵芯與線圈的摩擦和選用合適的測量電路補償是消除零點殘余電壓的最好辦法[4]。

2.2 激勵電源的影響

差動變壓器式傳感器一方面感知被測位移量的變化，另一方面又是變壓器，因此，它有兩個輸入，即初級繞組的激勵電壓U˙1和被測位移量x；一個輸出U˙2。差動變壓器的兩個次級繞組反向串聯，則其等效電路如圖3所示。

圖3 LVDT等效電路

根據電磁感應定律，次級繞組中感應電動勢分別為：

由上式可以看出，傳感器的輸出也是電源幅度和頻率的函數，只有電源的幅度和頻率穩定時，傳感器的輸出才與位移（M1-M2正比于位移）成線性關系。因此，無論是多器件測量系統還是單芯片測量系統，電源的不穩定都將引起測量誤差。

差動變壓器式傳感器也是一個信號調制裝置，輸出電壓的波形為幅度隨被測位移量變化的調幅波，所以差動變壓器的激勵電壓的頻率不宜太低，否則直接影響系統靈敏度和增加測量誤差，一般要比被測位移量的最大變化頻率高出10倍為好；同時，差動變壓器的激勵頻率也不能太高，頻率太高，線圈的有效電阻增加，磁滯損耗、渦流損耗增加，靈敏度變低，誤差增大。根據工程上實際應用，一般差動變壓器的激勵電壓最佳頻率范圍選在10kHz左右。

2.3 溫度誤差及補償

溫度變化將使得傳感器的結構尺寸參數、線圈電阻、線圈及導磁體磁導率發生變化造成測量誤差，同時溫度變化也直接影響電源和測量電路的輸出造成誤差，采用溫度補償電路和恒流源等方法可有效減小溫度誤差。在單芯片測量系統中溫度漂移影響則更大，其外接電阻電容選用溫度系數低的器件之外還需要有外部溫度補償，可在調零電阻系統中接入熱敏電阻進行溫度補償。

2.4 解調電路的影響

差動變壓器（LVDT）的測量電路除了檢測位移的大小之外還要辨別方向，也就是要辨別放大電路模塊部分輸出信號的幅度與相位，在多器件測量系統中通常采用相敏檢波電路或差動整流電路來實現。

相敏檢波電路具有很好的檢波特性和鑒相特性，經常作為LVDT的測量電路，該電路要求參考電壓與LVDT二次側輸出的電壓頻率相同，相位相同或相反，還要求參考電壓的幅度值大，一般為信號電壓的3-5倍。采用兩個符合條件的電源將使電路復雜，通常將參考電壓與LVDT的一次側采用同一激勵源來實現，但零點殘余電壓的存在、電磁感應和電路分布電容等方面的影響，將使得信號電壓產生相移，因此電路中往往要加移相器來調節相位關系。當被測信號頻率改變，激勵電壓頻率改變以及環境因素的改變都將產生附加相移，進而使電路靈敏度改變產生測量誤差。

差動整流電路結構簡單，加一電位器即可補償零點殘余電壓，對電路及導線的分布電容和感應影響不敏感，且不需要考慮相位方面的影響，因此應用十分廣泛，但該電路通常采用整流二極管來實現，由于二極管存在導通管壓降(0.3～0.7V)，其伏安特性曲線的非線性，因此在小信號時將造成較大的測量誤差。為了補償小信號失真，可采用由集成運算放大器構成的有源精密全波整流電路，該電路可對微小的信號（毫伏級）進行全波整流，并且還可以對信號進行放大。

在單芯片測量系統中，LVDT專用接口芯片與LVDT相連接時，外加少量的外部無源元件來設置頻率和增益，在輸出端就可以高靈敏度高精度地得到與被測位移成線性的直流電平，直流驅動，無需校準。

只是，在使用專用芯片時要考慮到芯片與LVDT間的阻抗匹配、電壓匹配和驅動能力等方面的問題，否則將引起較大的測量誤差；由于是集成芯片，電路在長時間工作中會產生溫漂，帶來測量誤差，因此還需外加溫度補償。

理解線性差動變壓器（LVDT）測量系統的誤差因素，采取適當的補償方法，是減小測量誤差，提高測量系統精度和性能的必要措施。

［1］徐科軍.傳感器與檢測技術[M].電子工業出版社，2008.

［2］馮柏群.檢測與傳感技術[M].人民郵電出版社，2008.

［3］潘學濤，李塹.差動變壓器零殘電壓產生的原因及其補償方法[J].電子元件與材料，2006（7）.

［4］王欣威，幕麗.一種利用差動變壓器式傳感器測量振動的檢測系統研究[J].機床與液壓，2009（2）.

LVDT Measuring System Error Analysis and Compensation

LIAO Xian-bi
（Sichuan Vocational and Technical College,Suining Sichuan，629000）

Introduces the work principle of differential transformer and the commonly used measuring system,analysis of linear variable differential transformer(LVDT)two kinds of measurement system error factors,are given to decrease the error and compensation method.

Differential transformer；Residual voltage；Multi device measurement

王靜］