電感式傳感器原理及在幾何量計量檢定中的應用

陽明珠

摘 要：感應式的傳感器現在由于其寬泛的應用特性和良好的應用效果已經得到了越來越多方面的青睞，電感式的傳感器主要組成成分包括振蕩器，開關電路以及放大信號需要用到的輸出電路三個主要成分。電感式傳感器在計量檢定過程中可能會表現出良好的應用效果，尤其是幾何量的測量過程中，電感式傳感器對于位移偏移量的測量或許有更好的效果。文章從這一點出發進行闡述，希望可以給有關從業人員以啟發。

關鍵詞：電感式傳感器;幾何量測量;傳感器應用

1 前言

電感式傳感器由振蕩器，開關電路和放大輸出電路組成。振蕩器產生交變磁場，當金屬靶接近磁場并達到感應距離時，金屬靶中將產生渦流，這將導致振蕩衰減甚至停止。振蕩器的振蕩和振蕩后由放大電路處理并轉換成開關信號，以觸發驅動控制裝置用于非接觸檢測目的。

2 電感式傳感器

電感式傳感器的工作原理是電磁感應。它是把被測量（如位移等）轉換為電感量變化的一種裝置。按照轉換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這3種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。這種傳感器的氣隙隨被測量的變化而改變，從而改變磁阻。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧。δ一般取在（0.1～0.5）mm之間。這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積（即磁通截面）隨被測量的變化而改變，從而改變磁阻。它的靈敏度為常數，線性度也很好。它由螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測物體移動時改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大、靈敏度低、結構簡單，便于制作。

3 電感式傳感器在幾何量測量中的應用

在幾何量計量檢定中，有些數據處理量很大。本文僅以量塊檢定為例闡明觀點。一般每檢一套83塊組量塊需要處理幾百個數據。過去用光學儀器檢量塊，需要人工處理數據，不但費時，而且容易出錯。為什么說電感式傳感器是主流呢？因為一般的量塊檢定（三等以下）都是比較測量。量塊檢定比較測量的特點是比較距離極小，但準確度要求極高。電感式傳感器結構簡單，無活動電觸點，因此工作可靠、壽命長;靈敏度和分辨力高，能測出0.01μm的位移變化。傳感器的輸出信號強（1mm位移～數百毫伏輸出）;線性度和重復性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米～數毫米）內，傳感器非線性誤差可達到0.05%～0.1%，且穩定性好;對使用環境要求不高;能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制等，在測量精密位移和檢測精密尺寸方面（如長度、直徑等）得到了廣泛的應用，特別是在一些大范圍、高精度測量方面比其他類型的位移傳感器更具有優勢。電感式位移傳感器在幾何量計量工具檢定中的工作原理是，用被測位移帶動電感器件中的導磁元件。相關學科的研究早已經驗證：電感器磁路中空氣部分長度的變化，與電感值之間的函數是可微分的光滑曲線。所以電感式傳感器從位移到電信號的轉換函數，必定是可微分的光滑曲線。在曲線相距較遠的兩點溯源定標后，當傳感器滿足轉換函數曲線光滑的條件時，如果在曲線上相距很近的兩點上測量應用，曲線斜率帶來的測量誤差就可以隨兩個應用點的無限接近而無限縮小。其縮小的比率，約等于兩個定標點與兩個應用點之間的長度比值。在實際量塊檢定工作中，較小量塊的準確度要求較高。但是一定等級的量塊，較小量塊的標準量塊和被測量塊之間的長度差也較小。比如，根據JJG146-2011《量塊》檢定規程，對于10mm以下的量塊，用二等量塊檢三等量塊時，標準量塊和被測量塊的長度差值不會大于0.20μm。假設選用的電感式傳感器溯源定標點的距離是20μm，如果采用二等量塊定標，則轉換函數曲線的斜率誤差不會超過（0.05+0.05）/20=0.005，即5‰。實際上兩個定標點對應的量塊，同時出現正負極限誤差的概率極小。根據概率統計，用二等量塊在20μm的距離定標，絕大多數情況下可以得到小于0.003的斜率誤差。即使以0.005的斜率誤差計算，在檢三等小量塊時，由定標斜率誤差引起的測量誤差小于0.005×0.20=0.0010μm。由上例可以看出，采用電感傳感器比較測量檢定量塊，傳感器本身的溯源定標沒有任何困難。當檢定高等小尺寸量塊時，傳感器對量塊采樣的準確度（不包含標準量塊的誤差）幾乎完全取決于傳感器的示值變動性。而傳感器的示值變動性又是極容易驗證的，只需要對同一塊量塊多次采樣即可。電感式傳感器的示值變動性與其機械部件的制造精良程度和電氣部件的穩定性有關。目前，國內外都已經達到幾個納米的水平。

4 結束語

在比較測量中，尤其是在塊塊比較測量中，傳感器測量應用中兩點之間的距離（標準塊和測量塊的長度之間的差異）非常小。因此，當比較測量量塊時，由可追蹤標準傳感器引起的誤差可能比可追蹤標準本身的不確定性小許多倍。正是由于電感式傳感器上述特性與幾何儀器的驗證一致，使用電感式傳感器來驗證幾何儀器是一種必然趨勢。

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