电感式传感器原理及在量块检定中的应用趋势
吉林省白山市计量检定测试所孟庆斌
测量工具通常按用途分为通用测量工具、专类测量工具和专用测量工具三类；通用测量工具是指可以测量多种类型工件的长度或角度的测量工具。这类测量工具的品种规格最多，使用也最广泛，有量块、角度量块、多面棱体、正弦规、卡尺千分尺、百分表、多齿分度台、比较仪、激光干涉仪、工具显微镜、三坐标测量机等。一、测量工具的发展历史
最早在机械制造中使用的是一些机械式测量工具，例如角尺、卡钳等。16世纪，在火炮制造中已开始使用光滑量规；1772年和1805年，英国的瓦特和莫兹利等，先后制造出利用螺纹副原理测长的瓦特千分尺和校准用测长机。19世纪中叶以后，又出现了类似于现代机械式外径千分尺和游标卡尺的测量工具。19世纪末期，出现了成套量块。
继机械测量工具之后出现的是一批光学测量工具。19世纪末，首先出现立式测长仪。20世纪初，出现测长机。到20年代，已经在机械制造中应用投影仪、工具显微镜、光学测微仪等进行测量。1928年出现气动量仪，它是一种适合在大批量生产中使用的测量工具。
电学测量工具是30年代出现的。最初的是利用电感式长度传感器制成的界限量规和轮廓仪。50年代后期，出现了以数字显示测量结果的坐标测量机。60年代中期，在机械制造中已应用带有电子计算机辅助测量的坐标测量机。至70年代初，又出现计算机数字控制的齿轮量仪。至此，测量工具进入应用电子计算机的阶段。二、电感式传感器的工作原理
电感式传感器（inductancetypetransducer）是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
（一）电感式传感器具有以下特点：
1、结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。
2、灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。
3、线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%-0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
（二）电感式传感器种类
电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。
本文介绍的是自感式传感器。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
（三）电感式位移传感器的特点
①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。
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，这三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。
变间隙型电感传感器这种传感器的气隙δ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毫米之间。
变面积型电感传感器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。
螺管插铁型电感传感器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。三、量块检定采用电感式传感器是必然的主流量块检定数据量很大。一般每检一套量块都需要处理几百个数据。过去用光学仪器检量块，需要人工处理这些数据。不但费工时，还很容易出错。所以智能化的电动仪器出现后很快就被广泛应用于量块检定工作了。为什么说电感式传感器是主流呢？因为除了发生长度标准外，一般的量块检定工作(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，但精度要求极高。电感式位移传感器在量块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。这样电感器件的磁路中的空气部分的长度，就会随被测位移而变化。所以电感器件的电感值就会随被测位移发生变化，也就是说已经把位移的变化转换成了电信号的变化。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。众所周知，当传感器溯源所用的标准器不确定度可信范围一定时(比如用二等量块)，在转换函数曲线上相距较远的两个点上溯源定标，就可以使标准器的误差对被校准的函数曲线的斜率影响较小。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。在实际的检量块工作中，较小量块的精度要求较高。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JJGl46—2003《量块检定规程》，对于10mm以下量块，用二等量块检三等量块时，标准和被测量块的长度差值不会大于0.32μm。假设我们选用的电感式传感器溯源定标点的距离是20μm，如果采用二等量块定标，则转换函数曲线的斜率误差不会超过(0.05+0.05)/20=0.005。即千分之五。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(两个3σ外概率之乘积)。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0.005X0.32=0.0016μm。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精度(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。因此在量块比较测量过程中，特别是在高等量块的比较测量中，传感器测量应用的两个点间的距离(标准量块和被测量块之间的长度差)极小。所以，在比较测量量块时，电感式传感器由溯源标准器带来的误差，可以比溯源标准器本身的不确定度小很多倍。正是由于电感式传感器的上述特点与检定量块工作的特点吻合，势必将广泛应用于智能化量块比较仪，量块检定采用电感式传感器是必然趋势。