电感式传感器与电感测微仪

电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现非电量电测的一种装置。利用这种转换原理测量的基本非电量是位移，因此常利用电感式传感器构成电感测微仪。

电感式传感器由于结构简单、性能稳定可靠，是工业生产与科学研究中应用较为广泛的一种传感器。除测量位移外，还可用来测量能转换成位移的其它非电量，例如测量压力、力、振动、应力、流量、比重等。

电感式传感器种类很多，根据转换原理的不同可分为自感式与互感式两类，习惯上将自感式传感器称为电感式传感器；而互感式传感器由于利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称之为差动变压器。限于篇幅，本文只介绍自感式传感器与由它构成的电感测微仪。

按照结构形式的不同，自感式传感器可以分为变气隙式、变截面式与螺管式三种。

图1为变气隙式自感传感器的结构原理图。传感器由线圈、铁芯与衔铁组成，图中点划线表示磁路。设线圈匝数为W，磁路总磁阻为Rm，磁路气隙总长度为1δ，空气导磁率为μ\(_{0}\)，气隙磁通截面积为S。由磁路基本知识可知线圈电感为：L=W\(^{2}\)／Rm。如果忽略铁芯与衔铁的磁阻，磁路磁阻可近似以气隙磁阻代替，此时磁路总磁阻为：Rm＝1δ／μ0S，于是L=W2μ\(_{0}\)S/lδ。当铁芯与衔铁的结构、材料和线圈匝数确定后，电感量L是气隙长度的单值函数，即L=f（lδ）。若衔铁与被测体相接触，当被测体产生位移时，将引起气隙长度的变化，从而使线圈的电感量发生变化。当将传感器线圈接入测量电路后，电感的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化，从而实现了位移向电量的转换。

图2为变截面式自感传感器的结构原理图。比较图1和图2，它们有着相似之处。所不同的是这里气隙磁通截面积S是变量，即电感量是气隙磁通截面积的单值函数。因此，通过测量电路同样能把衔铁的位移转换为电量。

图3为螺管式自感传感器的一种结构原理图。当衔铁伸入线圈中的长度发生变化时，将引起螺管线圈电感量的变化，通过测量电路同样能使衔铁的位移转换为电量。

比较上述三种形式，显而易见，变气隙式只适合于测量小位移，变截面式测量范围较大，螺管式可测位移最大。目前利用单个螺管线圈制成的电感式传感器，可测的最大位移已达2米。变截面式传感器在忽略边缘磁场的情况下，其输出特性在一定范围内呈线性。另两种形式都存在着不同程度的非线性。而灵敏度却以变气隙式最高，变截面式次之，螺管式最低。为了改善传感器的输出特性，事实上除了用来测量大位移的螺管式自感传感器外，上述三种形式的自感传感器通常都做成差动形式。图4为差动螺管式自感传感器的示意图。当衔铁向上移动时，线圈1的电感量增加，线圈2的电感量减小；衔铁向下移时则反之。这就如电路中的推挽形式一样。

电感测微仪是应用最普遍的一种电动测量仪，常用来测量工件的尺寸、厚度、锥度与其它形位误差，也可用于零件分选与加工中的自动检测。图5为电感测微仪的基本原理框图。图中传感器通常采用差动螺管式，以获得足够的线性范围；相敏检波电路是为判别传感器衔铁位移方向而设，使输出直流电压的极性代表衔铁位移的方向；振荡器提供电桥激励电源与相敏检波电路的参考电压。

图6为某数字式电感测微仪核心部分的原理图。图中运放A\(_{4}\)与电阻R9、R\(_{1}\)0和电容C1、C\(_{2}\)构成文氏振荡器。BG2为场效应管，起稳幅作用。振荡器的输出电压经BG\(_{1}\)功率放大后作为差动电感传感器的激励电源。当测杆做上下移动偏离零位时，测量电桥输出一个与位移量成正比的交流电压，经运放A1\(_{2}\)放大后，输送到A3进行相敏解调。相敏解调的参考电压同样由BG\(_{1}\)的输出电压通过变压器获得，以保证与传感器激励电源同频、同相。这样，A3的输出信号经阻容元件滤波后即能反映位移的大小和方向。该直流电压输入数字电压表，将实现数字显示。为了使用方便，仪器中设有调零电位器W，以实现电气调零。A\(_{2}\)反馈回路中的开关K是作量程转换用的。

电感测微仪的测量范围通常做成±200μm、±300μm、±1000μm等，分辨力为0.1μm、0.01μm等。指示形式有模拟表显示与数字显示两种。有的电感测微仪还设有模拟或数字信号输出插座。有的还设置了和差电路、多路转换电路与开关发信电路等附加电路，以适应不同使用要求。随着微处理机的普遍应用，电感测微仪中已开始采用单片微机，使测微仪朝着智能化方向发展。上海交通大学精密仪器系研制的SJ8862型高精度电感测微仪测量范围为±1mm，最高分辨力达0.01μm，由于采用了Intel8039单片微机，实现了测量功能控制、量程自动转换、测量数据平均、特性非线性校正与零位自动调节，提高了仪器的性能与操作使用的方便性。

目前，利用电感式传感器与类似于电感测微仪的电路，已制成分辨力达0.001μm的仪器，用来测量零件的表面粗糙度，LSI电路的表面轮廓、回转零件的圆度以及各种精密表面轮廓与镀层的微小厚度等。可以预料，随着传感技术与电子技术的不断发展，电感式传感器与电感测微仪将会发挥越来越大的作用。(张守愚 俞朴)