角/线位移传感器，LVDT位移传感器

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：测量直线位移的称为直线式感应同步器或长感应同步器，测量转角位移的称为旋转式感应同步器或圆感应同步器。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，旋转式感应同步器由转子和定子组成。这类误差往往称为造成感应同步器误差的主要原因。

位移可分为线位移和角位移。线位移是指物体沿某一直线移动的距离，角位移是指物体绕着某一点转动的角度。常用的位移计有电阻式位移计、电感式位移计、差动变压器式位移计（LVDT/RVDT）、感应同步器、旋转变压器、光电编码器。在此重点介绍常用的差动变压器式位移计、感应同步器、旋转变压器和光电编码器。

1.LVDT位移传感器

LVDT位移传感器即直流差动变压器式线性位移传感器，其实物图和原理图如图2-9所示，内部结构如图2-10所示。

图2-9 LVDT位移传感器的实物图和原理图

图2-10 LVDT位移传感器的内部结构

LVDT位移传感器的性能特点如下：

1）因铁心和线圈非直接接触，重复误差和回差很小，即使有极小的随机误差，因每个传感器有着固定的特性曲线，在引进微处理器进行修正后，也可获得0.01级的精度。

2）可做到很宽的测量范围为10～1000mm，频率响应有的量程可达200Hz。

3）由于其本质上无摩擦，因此具有极高的平均无故障时间。

4）可在恶劣的环境中长期可靠地工作，承受高温、高压和高振荡的环境，不怕油渍、溶液、尘埃及其他污染。

2.感应同步器

感应同步器是一种高精度电磁式位置检测元件，它利用交变电磁场和互感原理工作，在实际工程中可用于测量直线或转角位移。

感应同步器有直线式和旋转式两种。测量直线位移的称为直线式感应同步器或长感应同步器，测量转角位移的称为旋转式感应同步器或圆感应同步器。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，旋转式感应同步器由转子和定子组成。

（1）感应同步器原理无论是直线式感应同步器还是旋转式感应同步器，都是采用相同的工艺方法制造的。一般情况下，首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。定尺和滑尺、转子和定子上的绕组分布是不相同的。在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差90°相角，又称为正、余弦绕组。感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧绕组，工作时，在其中一种绕组上通以交变励磁电压时，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同成正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。

（2）感应同步器的电气参数和技术参数

1）误差与精度。感应同步器的误差包括零位误差和电气误差两种。电气误差实际上包括了零位误差，零位误差是电气误差的一些特殊点。

误差一般分为原理性误差、工艺性误差和条件性误差三种。原理性误差是由于设计的不完善而固有，如谐波磁场和谐波磁动势的存在而产生的误差。在提高设计水平之后，这类误差可大大减小。工艺性误差是由于工艺不完善、产生的几何尺寸精度不够导致的误差，如刻线不准，表面不平、不均匀等。这类误差往往称为造成感应同步器误差的主要原因。条件性误差是由于测试或运行时外界条件不当而引起的，如安装造成的不同心、不平行等，以及干扰所引起的误差。各种误差可根据误差分布曲线研究其规律，分析出产生的原因。零位误差可分为一相零位误差和正交误差。一相零位误差就是一相输出信号在各个周期中90°和180°（或90°和270°）这些点的误差。正交误差就是两相零位之间不在90°时的误差。电气误差可进一步表现出符合输出函数规律的能力。

2）阻抗。感应同步器磁路的磁导率很低，气隙很大，整个磁路的磁导很小，绕组的感抗远小于电阻，因此感应同步器的阻抗主要是电阻，阻抗的绝对值也很小，一般在几欧姆到几十欧姆。

3）励磁电压、励磁电流和频率。感应同步器的励磁电压是受绕组电流密度限制的，一般励磁电压都较低，大约为零点几伏至几伏。因为绕组导体截面积很小，励磁电流一般为0.1～0.5A。电源频率一般为2～10kHz。

4）相位移是输出电压相对于励磁电压的相位变化。

（3）感应同步器的优点

1）具有较高的精度与分辨率。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度。温度变化对其测量精度影响不大，感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节矩的误差平均效应减小了局部误差的影响。目前长感应同步器的精度可达到±1.5μm，分辨率为0.05μm，重复性0.2μm。直径为300mm的圆感应同步器的精度可达±1″，分辨率0.05″，重复性0.1″。

2）抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。

3）使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺、定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫，但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。

4）长距离位移测量。可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持（或稍低于）单个定尺的精度。目前，几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，都可采用感应同步器来实现。

5）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。

由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如，用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度机床中进行位移测量。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。

3.旋转变压器

旋转变压器简称旋变，又称同步分解器、解算器，是一种利用电磁感应原理将转子转角按一定规律变换为电压信号的传感器。从原理上看，旋转变压器就是一种能旋转的变压器，其一、二次绕组分别固定在定、转子上，一、二次的耦合程度由转子的转角决定。

旋转变压器在机电工程中可作为解算元件，进行三角函数运算、坐标转换，也可以在随动系统中作为同步元件，传输与角度有关的电信号，为系统提供反馈信息。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰性好，因此被广泛应用于机电工程产品中。

（1）旋转变压器的工作原理简述与分类旋转变压器的种类很多，按照有无电刷，可分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器两大类；按极对数的多少，可分为单极和多对极两种，采用多对极是为了提高输出精度；按照输出电压与转子转角之间的关系，可分为正—余弦旋转变压器和线性旋转变压器等，其中，输出电压与转子转角呈正弦和余弦关系的旋转变压器称为正、余弦旋转变压器，在一定工作范围内，输出电压与转子转角呈正比关系的旋转变压器称为线性旋转变压器；此外，还有输出电压与转子转角呈正割函数、倒数函数、对数函数、弹道修正函数等各种特殊函数旋转变压器等。

旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成。当励磁电压以一定频率的交流电压加到定子绕组（励磁绕组）进行励磁时，通过电磁耦合，在转子绕组（输出绕组）上就感应出与转子转角相对应的电压，其电压幅值与转子转角或成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。由于其原理和结构而言，基本上相同，以下仅以无刷正、余弦旋转变压器为例进行工作原理介绍。

无刷旋转变压器的电路原理如图2-11所示。电路由两部分组成：其中一部分称为解算器（或分解器），它是由两相空间互成90°的定子绕组和一相转子励磁绕组组成；另一部分为旋转变压器，其一次侧绕组固定在定子上，由高频交流信号励磁。二次侧绕组位于转子上，与转子一同旋转。由二次侧绕组为解算器的转子励磁绕组提供旋转励磁，通过解算器的两相定子绕组分别输出与转子角度的正、余弦成正比的电压信号。在实际工程中常用一种R—D变换器将旋变输出电压变换成数字的位置量，如AD2S80A、AD2S82A、AD2S83、AD2S90及AD2S1200系列等。

值得说明的是，对于无刷旋转变压器，其输入与输出端口可以颠倒，即解算器的两相定子绕组可以作为励磁输入绕组，而解算器的转子绕组作为输出。将其与旋转变压器的二次侧绕组相连。这样，旋转变压器一次侧的定子绕组便作为最终的输出绕组，即无刷旋转变压器的输入与输出端口是可逆的。旋转变压器具有坚固可靠、精度高、位置和转速可同时检测，对环境和温度变化无特殊要求，能够长距离传输位置信号等优点，因而被作为高精度位置检测元件广泛应用于机电伺服系统中的位置检测、速度检测以及自动控制系统中的三角函数运算或角度传输中。