LVDT 传感器原理及故障分析

1、LVDT 传感器的应用

在分析 LVDT 传感器应用之前，先分析DEH 系统,DEH 系统汽轮机数字式电液控制系统，该系统主要包括操作员站、工程师站、DEH 控制柜、伺服放大器、电液转换器、LVDT 传感器、高压油动机等。DEH 系统好比汽轮机的心脏和大脑，控制汽轮机的启动、转速及带负荷，满足电网的负荷要求，保证用户正常用电。其中 DEH 是如何控制汽轮机的转速和功率的主要是依靠调速汽门开度来改变进入汽轮机的蒸汽流量，从而改变汽轮机的转速和负荷。LVDT 二次仪表接收 LVDT 的反馈信号，输出一个反馈信号，并通过加法器与 DEH 阀位指令信号作比较，将两个信号的差值输入到伺服放大器中，当 DEH 阀位指令信号大于 LVDT 的反馈信号时，说明油动机的开度不够，伺服放大器就会输出一个正向电流，打开伺服阀高压油及高压油缸油路，此时油缸进油，活塞向上移动，同时LVDT 的反馈电压也呈线性的增大直到 DEH 阀位指令信号与 LVDT 的反馈信号差值为零时，油缸停止进油，活塞开度保持不动，该过程就是高调门加大开度的过程。

在该调节过程中，我们可以发现有一路反馈信号参与调节过程。这个反馈信号就是由 LVDT 传感器测量得到并且输出的。LVDT 与油动机活塞杆相连接，活塞杆运动会带着 LVDT 的杆芯上下移动。因此 LVDT 测量得到的就是高调门阀门开度，并输出实时的位置反馈。

LVDT 的体积较小，结构也很简单，但它在汽轮机调速过 程具有非常大的作用。我厂汽轮机包括 4 个高调门、2 个中调门，调门的阀位都是由LVDT 测量得到的。为了使机组更可靠运行，在每个调门上安装两个LVDT， 产生的两个阀位信号“取高 ”后，参与调节控制。

2、LVDT 传感器的结构

LVDT 的全名为线性可变差动变压器，它是英文全称的缩写，是一种常见的机电传感器。从 LVDT 的外形上，可以分成杆芯和套管两部分，并且杆芯是在套管中无摩擦运动的。

LVDT 的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成；初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为 0;当衔铁在线圈 内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压 极性相反，LVDT 输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。

在 LVDT 的套管中分布有三组线圈，一组初级线圈，两组次级线圈，这三组线圈分布有两种结构，结构一是一种长行程结构，初级线圈在内侧，贯穿套管全长，次级线圈在外 ，各占套管全长的一半。结构二是一种短行程结构，初级线圈在中间，次级线圈对称分布在初级线圈两侧。其中核心为铁磁介质，用来约束汇聚磁场，使得初级线圈产生的磁场 局部加强。该核心只相当于 LVDT 杆芯的前半部分，属于软铁棒物质；后半部分是非铁磁物质起到连接被测物体的作用。

3、LVDT 传感器的工作原理

该部分主要介绍一下 LVDT 的工作原理，从工作原理上分析，它可以分为前置器部分和变送器单元部分。前置器部分与被测物体相连，三组线圈的弱电磁耦合，使得铁芯位移变化量与输出的电信号呈线性关系；变送器单元包含电源部分，转换电路，其中转换电路是将位移信号转换成电信号，对初级线圈 P 通高频交流电源，由此产生 的磁通量由铁芯耦合到相邻次级线圈 S1 和 S2 上，分别感应 出电压 E1 和 E2，输出的电压为两个次级线圈的电压之差。差电压的大小与铁芯位置变化具有一定的关系，当铁芯处于 S1 和 S2 中 间位置时，E1 和 E2 相等，输出的电压Eout=0，本文称该位置为零点位置。当铁芯自零点位置向右 移动时，E2 大于 E1，输出的电压Eout=E2-E1，铁芯位移到最右侧时，Eout 达到最大。当铁芯自零点位置向右端移动时，E1 大于E2，输出的电压 Eout=E1-E2，铁芯位移到最左侧时，Eout 达到最大。

4、LVDT 传感器的故障分析

4.1 常见故障

由于机组现场的复杂环境，LVDT 在使用过程会遇到各种 故障现象，在这里列举几种常见的故障现象，（1）铁芯上下 移动卡涩、弯曲、断裂，导致参数突变，LVDT 的连接杆发生了断裂导致无法正常使用。（2）LVDT接线松动。（3）安装时初、次级线圈接线错误。（4）LVDT 本身已损坏， 无法测量。（5）连杆固定件、密封件松脱，晃动大。

4.2 故障案例分析

结合我厂 1 号机组的典型故障案例进行分析，故障现象为：某年某月运行人员监盘时发现1 号机组4 号高压调门开度为 50% ，但就地调门在全关位置剧烈振动，并且机组时发功率异常波动。此时热工人员将 DEH 指令信号调至为零，结 果机组的实发功率仍异常波动。为了防止在消缺过程中调门突然开启或关闭引起蒸汽压力波动，影响机组正常运行，运行人员将该高压调门的油路系统进行了隔绝，最终将该高调门控制在全关位置，退出使用。

根据高压调门控制原理，分析故障原因。根据该故障现象，可以发现LVDT 无法对调门位置进行测量，且将DEH 调门指令强制为零时，高压调门仍频繁动作，可以进一步断定 LVDT 或 LVDT 反馈板发生故障，导致调门参数突变，调门误动。当务之急是对 LVDT 和 LVDT 反馈板进行在线更换。

事后，热工人员总结故障原因，发现 LVDT 在长期运行情况下，因为LVDT 安装不规范造成铁芯在套管中上下移动时产生摩擦造成卡涩、弯曲现象，通过此次事故可以得出， LVDT 的正确安装非常重要，在安装过程中，要注意铁芯要与 LVDT 主体平行，且在套管中上下移动时，不会与套管摩擦。

5、结束语

本文主要分析了LVDT 传感器的应用、原理、结构以及故障案例，可以得出LVDT 在机组运行中起到关键作用；LVDT 故障会导致汽轮机高调门关闭事件，而汽轮机高调门稳定关 系到汽轮机转速、负荷，甚至机组的稳定运行，因此在日常 工作中应加强对调门的巡点检，每日查看调门反馈值，发现异常应及时汇报处理。

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