基于电感测微仪电感传感器的研究及设计

李亚钊 鲁世浩

(平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

近年来，随着先进制造领域内新设备、新工艺的快速发展及制造精度的不断提高，对测量仪器的测量精度提出了更高的要求[1]。电感式测微仪是一种测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成。主要用于接触测量，现在发展到非接触测量。

在精密和超精密测量中配以相应的测量装置，可以实现(深度、高度等)测量、形状(圆度、直线度等)测量等。因分辨率高、寿命长、结果简单、使用方便等特点被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业的精密长度测量中。

1 电感测微仪测量电路

电感测微仪测量电路主要包括正弦波发生电路、变压器电桥、振荡电路及相敏检波电路、带通放大器和微处理器组成。电感测微仪测量电路原理框图如下图1所示。

图1 电感测微仪测量电路原理框图

正弦波发生器为电感式传感器和相敏检波器提供频率和幅值稳定的激励电压，正弦波发生电路输出地信号加到变压器电桥上。变压器电桥将传感器侧头中电感的变化转换为交流电压幅值的变化输出，其制造工艺要求较高。

本设计采用的传感器为差动变压器式电感传感器。其结构及工作原理如图2(a)所示。传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1－e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度，输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。输出特性如图2(b)所示。随着上下线圈电感量的变化，交流阻抗相应变化，电桥失去平衡，输出一个幅值与位移成正比的调制信号[3]。

图2 差动变压器的工作原理和输出特性

值得注意的是:差动变压器式传感器输出的电压是交流信号，且由于制作及温漂等因素的影响，电压输出存在一定的零点残余电压。所以对电感传感器设计和制造时，要采取一定的补偿措施。

2 零点残余电压产生的原因

2.1 基波分量

由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数(互感M及损耗电阻R)不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。

2.2 高次谐波

高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。

3 零点残余电压的消除

本设计采用补偿线路，用试探法对差动变压器进行设计和改进。电路如图3所示。引入电阻R对电感线圈分流，改变磁化曲线上的工作点，让其工作在线性阶段，以降低谐波分量，同时调节电位器，将高次谐波减至最小。

图3 R补偿电路

4 电路抗干扰设计

电路抗干扰能力设计对提高测量精度和可靠性尤为重要。整个电路采用“模块化”设计，以芯片为核心，其他元器件布局周边，进而减少了各元器件间的电磁干扰。同时各个模块分别接地，构成独立回路，再将各单元模块的接地块与电源模块连接。即保证了每一个功能电源电路中地线电流不会流到其他模块回路，避免模块间的干扰。

5 实验对比

将测量电路与电感侧头配合，配合数据采集与处理软件组成电感测微系统，进行实验，实验结果与德国Mahr公司生产的Millitron.No 1234IC电感测微仪进行对比。Millitron电感测微仪量程分:±20μm和 ±200μm，对应分辨率为0.01μm 和0.1μm。由设计的测量电路进行位移测量，电感测微仪有1～2mV变动量，而Millitron电感测微仪示值无变化。由此可得，设计的测微系统分辨率高于0.01μm。

在稳定的环境下，在零点处对传感器进行30分钟采样，观察数据波动量，传感器的零点稳定度为11nm/30min。通过实验可得，设计的测量电路具有较高的测量精度，性能稳定，可配合精密电感侧头应用于精密测量领域。

6 结论

通过实验可得，采取以上措施后，零点残余电压得到补偿，抗干扰能力较强。电感传感器具有精度高、测量范围大、稳定性好的特点，对精密测量和加工有重大意义。且调整方便，是一种比较理想的微位移测量传感器。

[1]洪小丽，提高电感测微仪测量电路精度的关键技术[J].制造业自动化，2009，8(31):45 ～47.

[2]戚新波，范峥，陈学广.高精度电感测微仪电路的设计[J].华北水利水电学院学报，20054(26):31 ～33.