陽明珠

摘 要：感應(yīng)式的傳感器現(xiàn)在由于其寬泛的應(yīng)用特性和良好的應(yīng)用效果已經(jīng)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(guān)電路以及放大信號(hào)需要用到的輸出電路三個(gè)主要成分。電感式傳感器在計(jì)量檢定過程中可能會(huì)表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果，尤其是幾何量的測(cè)量過程中，電感式傳感器對(duì)于位移偏移量的測(cè)量或許有更好的效果。文章從這一點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行闡述，希望可以給有關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：電感式傳感器;幾何量測(cè)量;傳感器應(yīng)用

1 前言

電感式傳感器由振蕩器，開關(guān)電路和放大輸出電路組成。振蕩器產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬靶接近磁場(chǎng)并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，金屬靶中將產(chǎn)生渦流，這將導(dǎo)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(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，以觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制裝置用于非接觸檢測(cè)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(yīng)。它是把被測(cè)量（如位移等）轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)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(dòng)變壓器式）兩種。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)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(shí)際應(yīng)用中，這3種傳感器多制成差動(dòng)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(cè)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(duì)覆蓋面積（即磁通截面）隨被測(cè)量的變化而改變，從而改變磁阻。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。它由螺管線圈和與被測(cè)物體相連的柱型銜鐵構(gòu)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(cè)物體移動(dòng)時(shí)改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大、靈敏度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作。

3 電感式傳感器在幾何量測(cè)量中的應(yīng)用

在幾何量計(jì)量檢定中，有些數(shù)據(jù)處理量很大。本文僅以量塊檢定為例闡明觀點(diǎn)。一般每檢一套83塊組量塊需要處理幾百個(gè)數(shù)據(jù)。過去用光學(xué)儀器檢量塊，需要人工處理數(shù)據(jù)，不但費(fèi)時(shí)，而且容易出錯(cuò)。為什么說電感式傳感器是主流呢？因?yàn)橐话愕牧繅K檢定（三等以下）都是比較測(cè)量。量塊檢定比較測(cè)量的特點(diǎn)是比較距離極小，但準(zhǔn)確度要求極高。電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠、壽命長;靈敏度和分辨力高，能測(cè)出0.01μm的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)（1mm位移～數(shù)百毫伏輸出）;線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米～數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)到0.05%～0.1%，且穩(wěn)定性好;對(duì)使用環(huán)境要求不高;能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制等，在測(cè)量精密位移和檢測(cè)精密尺寸方面（如長度、直徑等）得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在一些大范圍、高精度測(cè)量方面比其他類型的位移傳感器更具有優(yōu)勢(shì)。電感式位移傳感器在幾何量計(jì)量工具檢定中的工作原理是，用被測(cè)位移帶動(dòng)電感器件中的導(dǎo)磁元件。相關(guān)學(xué)科的研究早已經(jīng)驗(yàn)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(shù)是可微分的光滑曲線。所以電感式傳感器從位移到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換函數(shù)，必定是可微分的光滑曲線。在曲線相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)溯源定標(biāo)后，當(dāng)傳感器滿足轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線光滑的條件時(shí)，如果在曲線上相距很近的兩點(diǎn)上測(cè)量應(yīng)用，曲線斜率帶來的測(cè)量誤差就可以隨兩個(gè)應(yīng)用點(diǎn)的無限接近而無限縮小。其縮小的比率，約等于兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)與兩個(gè)應(yīng)用點(diǎn)之間的長度比值。在實(shí)際量塊檢定工作中，較小量塊的準(zhǔn)確度要求較高。但是一定等級(jí)的量塊，較小量塊的標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測(cè)量塊之間的長度差也較小。比如，根據(jù)JJG146-2011《量塊》檢定規(guī)程，對(duì)于10mm以下的量塊，用二等量塊檢三等量塊時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測(cè)量塊的長度差值不會(huì)大于0.20μm。假設(shè)選用的電感式傳感器溯源定標(biāo)點(diǎn)的距離是20μm，如果采用二等量塊定標(biāo)，則轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線的斜率誤差不會(huì)超過（0.05+0.05）/20=0.005，即5‰。實(shí)際上兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的量塊，同時(shí)出現(xiàn)正負(fù)極限誤差的概率極小。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)，用二等量塊在20μm的距離定標(biāo)，絕大多數(shù)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(jì)算，在檢三等小量塊時(shí)，由定標(biāo)斜率誤差引起的測(cè)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(cè)量檢定量塊，傳感器本身的溯源定標(biāo)沒有任何困難。當(dāng)檢定高等小尺寸量塊時(shí)，傳感器對(duì)量塊采樣的準(zhǔn)確度（不包含標(biāo)準(zhǔn)量塊的誤差）幾乎完全取決于傳感器的示值變動(dòng)性。而傳感器的示值變動(dòng)性又是極容易驗(yàn)證的，只需要對(duì)同一塊量塊多次采樣即可。電感式傳感器的示值變動(dòng)性與其機(jī)械部件的制造精良程度和電氣部件的穩(wěn)定性有關(guān)。目前，國內(nèi)外都已經(jīng)達(dá)到幾個(gè)納米的水平。

4 結(jié)束語

在比較測(cè)量中，尤其是在塊塊比較測(cè)量中，傳感器測(cè)量應(yīng)用中兩點(diǎn)之間的距離（標(biāo)準(zhǔn)塊和測(cè)量塊的長度之間的差異）非常小。因此，當(dāng)比較測(cè)量量塊時(shí)，由可追蹤標(biāo)準(zhǔn)傳感器引起的誤差可能比可追蹤標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證一致，使用電感式傳感器來驗(yàn)證幾何儀器是一種必然趨勢(shì)。

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