LVDT位移传感器在振动测试台上的应用比较特殊——它不仅要测量被测物体的位移,自己本身也在承受振动。振动台的加速度可能达到几十个g,在这种工况下,传感器内部任何一个没有锁紧的部件都会成为干扰源。
现场遇到的典型现象是:振动台在低频大振幅运行时,LVDT的输出信号在示波器上显示的波形忽大忽小,幅值周期性起伏,看起来像是"呼吸"一样。但数据采集卡读到的有效值又是对的,只在某些频率点出现异常。这个问题排查起来比较麻烦,因为它涉及三个可能的故障方向,而且三个方向之间还有耦合。
先说铁芯松动。LVDT传感器的核心元件是一根可以沿轴向自由移动的导磁铁芯,它插在三组线圈(一个初级、两个次级)形成的圆筒形空间中。铁芯的位置变化改变次级线圈之间的磁耦合比例,从而输出与位移成正比的电压信号。
在振动台上,LVDT的铁芯通常通过一根细长的连杆和被测物体相连。如果连杆和铁芯之间的螺纹连接没有锁死,或者连杆本身有轻微弯曲,在振动加速度的激励下,铁芯除了随被测物体做宏观运动之外,还会叠加一个微小的相对晃动——这个晃动的幅度可能只有几微米,但在LVDT这种分辨率可达亚微米级别的传感器上,已经足以产生明显的输出波动。
铁芯松动的判断方法:用频闪灯照住铁芯连杆连接处,在不同振动频率下观察有没有肉眼可见的相对位移。如果有,用螺纹胶锁紧连接螺杆。注意不能用普通的瞬干胶——振动环境下瞬干胶脆性大,会碎裂脱落。要用中等强度的厌氧螺纹胶(如LOCTITE 242或等效产品),既能防松,又能在需要拆卸时拧得开。
第二个方向是信号调理模块的参数漂移。LVDT本身输出的是一组交流信号,不能直接被PLC或采集卡读取,需要经过信号调理模块进行解调和放大。调理模块内部有振荡器产生初级线圈的激励信号(通常为2.5kHz到10kHz的正弦波),还有相敏解调电路把次级线圈的差动交流信号转换成直流电压或电流。
这个振荡器的频率稳定性非常重要。LVDT的线圈是绕在骨架上的,有一定的分布电感和电容,它们和振荡频率之间构成一个谐振回路。如果振荡频率因为温度变化或元器件老化而偏离了设计值,LVDT的输出灵敏度和线性度都会变差。在振动台上,调理模块如果安装位置靠近振动台面,持续的机械振动可能加速电路板上可调电位器和电解电容的性能劣化,导致振荡频率漂移、放大倍数波动。
判断方法:用频率计测一下调理模块振荡器输出的实际频率,和出厂标称频率对比。如果偏差超过5%,说明振荡电路已经不稳定了,需要更换调理模块或送回校准。如果是可调电位器接触不良导致的参数漂移——这个在现场比较容易验证,因为是间歇性的,轻轻敲击模块外壳就会复现故障——可以用电子清洁剂喷一下电位器并反复旋转几次,或者直接更换为固定电阻分压的不可调版本。
第三个方向是外部电磁干扰。LVDT本身是基于电磁感应原理工作的,对外部交变磁场是敏感的。振动台上的大功率驱动放大器、电动振动台的励磁线圈都会产生强磁场。如果LVDT的信号电缆屏蔽层没有良好接地,或者电缆和振动台驱动线平行走线距离过长,外部磁场就会在信号电缆上感应出干扰电压,叠加在LVDT的真实信号上。
这类干扰的特征是:干扰信号的频率和振动台的驱动频率一致或成倍数关系。验证方法是把LVDT拆下来放在振动台旁边但不固定在被测物体上——也就是不给铁芯施加位移输入——然后开振动台,看调理模块有没有输出。如果没位移输入的情况下模块有波动输出,那就是纯干扰信号。处理方法:确保信号电缆采用双绞屏蔽线,屏蔽层在调理模块端单点接地,不要两端接地以避免形成地环路;电缆远离振动台驱动线和电源线至少30厘米;必要时在调理模块输入端加装共模扼流圈。
最后还有一个操作层面的提醒:在振动台上拆装LVDT时,一定要先关掉调理模块的电源再操作。带电插拔时产生的电火花可能击穿相敏解调芯片的输入保护二极管,造成不可逆的损坏。这个情况在现场并不少见——有的工程师图省事直接热插拔,结果做完一遍振动试验后发现传感器输出不对了,怎么查都查不出原因,最后只能换调理模块。
相关产品:FER8笔式LVDT位移传感器
