电感式传感器原理及在几何量计量检定中的应用

阳明珠

摘 要：感应式的传感器现在由于其宽泛的应用特性和良好的应用效果已经得到了越来越多方面的青睐，电感式的传感器主要组成成分包括振荡器，开关电路以及放大信号需要用到的输出电路三个主要成分。电感式传感器在计量检定过程中可能会表现出良好的应用效果，尤其是几何量的测量过程中，电感式传感器对于位移偏移量的测量或许有更好的效果。文章从这一点出发进行阐述，希望可以给有关从业人员以启发。

关键词：电感式传感器;几何量测量;传感器应用

1 前言

电感式传感器由振荡器，开关电路和放大输出电路组成。振荡器产生交变磁场，当金属靶接近磁场并达到感应距离时，金属靶中将产生涡流，这将导致振荡衰减甚至停止。振荡器的振荡和振荡后由放大电路处理并转换成开关信号，以触发驱动控制装置用于非接触检测目的。

2 电感式传感器

电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量（如位移等）转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这3种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。这种传感器的气隙随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。δ一般取在（0.1～0.5）mm之间。这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也很好。它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感器的量程大、灵敏度低、结构简单，便于制作。

3 电感式传感器在几何量测量中的应用

在几何量计量检定中，有些数据处理量很大。本文仅以量块检定为例阐明观点。一般每检一套83块组量块需要处理几百个数据。过去用光学仪器检量块，需要人工处理数据，不但费时，而且容易出错。为什么说电感式传感器是主流呢？因为一般的量块检定（三等以下）都是比较测量。量块检定比较测量的特点是比较距离极小，但准确度要求极高。电感式传感器结构简单，无活动电触点，因此工作可靠、寿命长;灵敏度和分辨力高，能测出0.01μm的位移变化。传感器的输出信号强（1mm位移～数百毫伏输出）;线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米～数毫米）内，传感器非线性误差可达到0.05%～0.1%，且稳定性好;对使用环境要求不高;能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等，在测量精密位移和检测精密尺寸方面（如长度、直径等）得到了广泛的应用，特别是在一些大范围、高精度测量方面比其他类型的位移传感器更具有优势。电感式位移传感器在几何量计量工具检定中的工作原理是，用被测位移带动电感器件中的导磁元件。相关学科的研究早已经验证：电感器磁路中空气部分长度的变化，与电感值之间的函数是可微分的光滑曲线。所以电感式传感器从位移到电信号的转换函数，必定是可微分的光滑曲线。在曲线相距较远的两点溯源定标后，当传感器满足转换函数曲线光滑的条件时，如果在曲线上相距很近的两点上测量应用，曲线斜率带来的测量误差就可以随两个应用点的无限接近而无限缩小。其缩小的比率，约等于两个定标点与两个应用点之间的长度比值。在实际量块检定工作中，较小量块的准确度要求较高。但是一定等级的量块，较小量块的标准量块和被测量块之间的长度差也较小。比如，根据JJG146-2011《量块》检定规程，对于10mm以下的量块，用二等量块检三等量块时，标准量块和被测量块的长度差值不会大于0.20μm。假设选用的电感式传感器溯源定标点的距离是20μm，如果采用二等量塊定标，则转换函数曲线的斜率误差不会超过（0.05+0.05）/20=0.005，即5‰。实际上两个定标点对应的量块，同时出现正负极限误差的概率极小。根据概率统计，用二等量块在20μm的距离定标，绝大多数情况下可以得到小于0.003的斜率误差。即使以0.005的斜率误差计算，在检三等小量块时，由定标斜率误差引起的测量误差小于0.005×0.20=0.0010μm。由上例可以看出，采用电感传感器比较测量检定量块，传感器本身的溯源定标没有任何困难。当检定高等小尺寸量块时，传感器对量块采样的准确度（不包含标准量块的误差）几乎完全取决于传感器的示值变动性。而传感器的示值变动性又是极容易验证的，只需要对同一块量块多次采样即可。电感式传感器的示值变动性与其机械部件的制造精良程度和电气部件的稳定性有关。目前，国内外都已经达到几个纳米的水平。

4 结束语

在比较测量中，尤其是在块块比较测量中，传感器测量应用中两点之间的距离（标准块和测量块的长度之间的差异）非常小。因此，当比较测量量块时，由可追踪标准传感器引起的误差可能比可追踪标准本身的不确定性小许多倍。正是由于电感式传感器上述特性与几何仪器的验证一致，使用电感式传感器来验证几何仪器是一种必然趋势。

参考文献

[1]佚名.计量检定工作中人的影响因素分析[J].山东工业技术，2019，279（1）：247-248.

[2]佚名.磁电阻/超导复合式磁传感器：原理及发展[J].物理，2019，48（1）：14-21.

[3]基于生物传感器的microRNA检测及其在法医学体液鉴定中的应用[D].重庆医科大学，2018.

[4]陈俊百.基于光栅式指示表检定仪的线位移传感器校准方法[J].中国计量，2018（1）：107-109.

[5]佚名.对计量检测中天平砝码检定误差原因与控制的思考[J].技术与市场，2018，25（12）：176.

[6]佚名.标准冲击试样在摆锤冲击试验检定中的应用[J].计量技术，2018（8）：44-46.