第十章磁栅式传感器.

10.2磁栅式传感器磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。大尺寸磁栅尺外形图一、磁栅的组成及类型1．磁栅的组成磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－铁心；5－磁头磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔2．磁栅的类型长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形1－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5－软垫磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO磁栅尺磁头与磁尺相对运动时的输出波形二、磁栅传感器的工作原理1．基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示磁栅传感器由磁栅（简称磁尺）、磁头和检测电路组成。磁尺是用非导磁性材料做尺基，在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，然后录上一定波长的磁信号而制成的。磁信号的波长（周期）又称节距，用W表示。磁信号的极性是首尾相接，在N、N重叠处为正的最强，在S、S重叠处为负的最强。磁尺的断面和磁化图形如图所示。1．基本工作原理图5-4-1磁栅传感器示意图这里以静态磁头为例，简要说明磁栅传感器的工作原理。静态磁头的结构如上图所示，它有两组绕组N1和N2。其中，N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率为5kHz或25kHz，幅值约为200mA。励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，输出绕组不产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯才能导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势e。可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而e的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。式中：Em－感应电势的幅值W－磁栅信号的节距x－机械位移量tWxEEmsin2cos磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：2．信号处理方式当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：tWxEEmsin2cos1tWxEEmsin2sin2Wx2xWx2式中：－机械位移相角，图5-4-3双磁头结构双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图5-4-3所示。两磁头按(m±1／4)λ配置（m为正整数），它们的输出电压分别是为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。图5-4-4双磁头结构将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头的输出信号则变为：将两路输出相加，则获得总输出：tWxEEmsin2cos'1＝tWxEEmcos2sin'2)2sin(WxtEEm＝（1）鉴相方式磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的意义何在？利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。经检波器去掉高频载波后可得：（2）鉴幅方式WxEEm2cos1＝WxEEm2sin2与光栅的信号辨向、细分一致。鉴幅型磁栅传感器的原理框图磁栅数显装置的结构示意图1－磁性标尺2－磁头3－固定块4－尺体安装孔5－泡沫垫6－滑板安装孔7－磁头连接板8－滑板三、磁栅数显装置国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：1．磁头放大器（SF023）2．磁尺检测专用集成芯片（SF6114）主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相900；通道A和通道B信号求和放大；补偿两只磁头特性所需的调整和来自数显表供给两只磁头的励磁信号。主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相位微调。4．可逆计数芯片（WK50395）3．磁尺细分专用集成芯片（SIM－011）主要功能：对磁尺的节距W＝200μm实现200或40或20等分的电气细分，从而获得1、5、10μm的分辨力（最小显示值）。该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道MOS六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位用BCD码置数，及有异步清零功能。1．磁栅测量系统压板磁头磁尺四、磁栅式传感器的应用数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺2．应用实例§5－4感应同步器圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航天数显中心）优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。用途：可用来测量直线或转角位移。分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。一、感应同步器的结构和类型圆盘式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图1．结构定尺与滑尺绕组关系图感应同步器的解剖图2．类型直线式旋转式（圆盘式）带型标准型窄型直线式感应同步器的尺寸和精度一览表种类定尺尺寸（mm）滑尺尺寸（mm）测量周期（mm）精度(μm)标准型250×58×9.5100×73×9.521.5～2.5窄型250×30×9.574×35×9.522.5～5带型(200～2000)×19－210带型感应同步器外形图（参考东方仿真）二、感应同步器的工作原理感应同步器原理动画演示在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为tKUdtdiKEmcos设感应线圈A的中心从励磁线圈中心右移的距离为x，则感应电动势为2sincosmxEEtW上式中：Em=K0UmωK－主要与两绕组的相对位置等因素有关如图滑尺绕组有两组，相差1/4个周期，则有tWxEEmScos2sintWxEEmCcos2cos从励磁形式来说一般可分为二大类：一类是以滑尺(或转子)励磁，由定尺(或定子)取感应电动势，另一类则相反。依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。1．鉴相方式在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差900的励磁电压us和uc，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：tWxEEmScos2sintWxEEmCsin2cos定尺上的总感应电势为：2sin()ScmxEEEEtW2．鉴幅方式在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，但幅值不等的交流励磁电压us和uc，即：tUuScoscostUuCcossin两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：tWxUKESsin2sincos0－tWxUKECsin2cossin0定尺上的总感应电势为：tEtUKEEEmxcSsinsin)sin(0＝－式中：)sin(20xmxUKEWx，感应同步器数显表鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图三、感应同步器的应用1．定位控制系统鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图2．随动控制系统轮廓仪外形图参考威而信精密仪器有限公司