传感器与检测技术第十一讲

磁 栅 数 字 式 传 感 器 磁 栅 的 结 构 和 工 作 原 理磁 栅 传 感 器 的 数 字 测 量 原 理磁 栅 传 感 器 的 应 用 磁 栅 传 感 器 的 结 构 和 工 作 原 理v组 成v测 量 原 理v磁 栅 结 构 、 原 理 、 对 磁 栅 的 要 求v磁 头 结 构 、 原 理 、 种 类 磁 栅 式 传 感 器 主 要 由 磁 栅 、 磁 头 和 检 测 电 路组 成 。 磁 栅 上 录 有 等 间 距 的 磁 信 号 ， 它 是 利 用 磁 带 录音 的 原 理 将 等 节 距 的 周 期 变 化 的 电 信 号 (正 弦 波 或矩 形 波 )用 录 磁 的 方 法 记 录 在 磁 性 尺 子 或 圆 盘 上 而制 成 的 。 组 成 ：测 量 原 理 : 装 有 磁 栅 传 感 器 的 仪 器 或 装 置 工 作 时 ， 磁 头 相对 于 磁 栅 有 一 定 的 相 对 位 置 ， 在 这 个 过 程 中 ， 磁 头把 磁 栅 上 的 磁 信 号 读 出 来 ， 这 样 就 把 被 测 位 置 或 位移 转 换 成 电 信 号 。 （ 一 ） 磁 栅 磁 栅 结 构 如 图 所 示 ， 磁 栅 基 体 1是 用 不 导 磁 材料 做 成 的 ， 上 面 镀 一 层 均 匀 的 磁 性 薄 膜 2， 经 过 录磁 ， 其 磁 信 号 排 列 情 况 如 图 中 所 示 ， 要 求 录 磁 信号 幅 度 均 匀 ， 幅 度 变 化 应 小 于 10 ， 节 距 均 匀 。目 前 长 磁 栅 常 用 的 磁 信 号 节 距 一 般 为 0.05mm和0.02mm两 种 ， 圆 磁 栅 的 角 节 距 一 般 为 几 分 至 几 十分 。 具 体 使 用 时 对 磁 栅 还 有 如 下 的 要 求 ： 磁 栅 的 基 尺 （ 磁 尺 ） 要 求 不 导 磁 ， 线 膨 胀 系 数应 与 仪 器 或 机 床 的 相 应 部 分 相 近 似 。 由 于 在 基尺 上 要 镀 一 层 磁 性 薄 膜 ， 所 以 要 求 基 尺 有 良 好的 加 工 和 电 镀 性 能 。 为 了 使 磁 尺 上 录 的 磁 信 号 能 长 时 期 保 存 ， 并 希望 产 生 较 大 的 输 出 信 号 ， 要 求 磁 性 薄 膜 剩 磁 感应 要 大 ， 矫 顽 力 要 高 ， 电 镀 要 均 匀 ， 目 前 常 用Ni -Co-P合 金 。 对 磁 尺 表 面 要 求 长 磁 栅 平 直 度 为 （ 0.005 0.01）mm/m， 圆 磁 栅 的 不 圆 度 为 0.005 0.01mm， 表面 粗 糙 度 要 小 。 要 求 所 录 磁 信 号 幅 度 均 匀 ， 幅 度 变 化 小 于 10%，节 距 均 匀 ， 满 足 一 定 精 度 要 求 。 几 种 常 见 磁 栅 的 结 构 （ 二 ） 磁 头 磁 栅 上 的 磁 信 号 由 读 取 磁 头 读 出 ， 按 读 取 信 号 方 式 的 不 同 ， 磁 头 可 分 为 静 态 磁 头动 态 磁 头 动 态 磁 头 动 态 磁 头 为 非 调 制 式 磁 头 ， 又 称 速 度 响 应式 磁 头 它 只 有 一 组 线 圈 1 磁 头 ； 2 磁 栅 ； 3 输 出 波 形 动 态 磁 头 的 工 作 原 理 静 止 时 就 没 有 信号 输 出 。 因 此 它 不适 合 用 于 长 度 测 量 静 态 磁 头静 态 磁 头 是 调 制 式 磁 头 ， 又 称 磁 通 响 应 式 磁 头 。 它 与 动 态 磁 头 的 根 本 不 同 之 处 在 于 ， 在 磁 头与 磁 栅 之 间 没 有 相 对 运 动 的 情 况 下 也 有 信 号 输出 。 静 态 磁 头 的 工 作 原 理 1磁 头 ； 2磁 栅 ； 3输 出 波 形 铁 心 的 磁 阻 很 大 ， 磁栅 上 的 信 号 磁 通 不 能 通 过磁 头 ， 因 而 输 出 绕 组 无 感应 电 势 输 出 。 只 有 当 激 励磁 信 号 两 次 过 零 时 ， 铁 心不 饱 和 ， 磁 栅 上 的 信 号 磁通 才 能 通 过 输 出 绕 组 的 铁心 而 产 生 感 应 电 势 。 静 态 磁 头 的 磁 栅 是 利 用 它 的 漏 磁 通 变 化 来 产 生感 应 电 动 势 的 。 静 态 磁 头 输 出 信 号 的 频 率 为 励 磁 电源 频 率 的 两 倍 ， 其 幅 值 则 与 磁 栅 与 磁 头 之 间 的 相 对位 移 成 正 弦 （ 或 余 弦 ） 关 系 。 tWxUU 2sin2sin m0 幅 值 系 数 ；磁 头 与 磁 栅 的 相 对 位 移 ；磁 栅 的 节 距 ； 激 励 磁 信 号 的 角 频 率 mUxW 磁 栅 传 感 器 的 数 字 测 量 原 理 ： 根 据 磁 栅 和 磁 头 相 对 移 动 读 出 磁 栅 上 的 信 号 的不 同 ， 所 采 用 的 信 号 处 理 方 式 也 不 同 。 动 态 磁 头 只 有 一 组 绕 组 ， 其 输 出 信 号 为 正 弦 波 ， 信 号 的 处 理方 法 也 比 较 简 单 ， 只 要 将 输 出 信 号 放 大 整 形 ， 然 后 由 计 数 器 记 录 脉冲 数 n， 就 可 以 测 量 出 位 移 量 的 大 小 （ ） 。 但 这 种 方 法 测 量精 度 较 低 ， 而 且 不 能 判 别 移 动 方 向 。 nWs 静 态 磁 头 一 般 用 两 个 磁 头 ， 两 个 磁 头 间 距 为 nW/4， 其中 n为 正 整 数 ， W为 磁 信 号 节 距 ， 也 就 是 两 个 磁 头 布 置 成相 位 差 90 关 系 。 其 信 号 处 理 方 式 可 分 为 鉴 幅 方 式 和 鉴 相方 式 两 种 。 鉴 幅 法 若 两 磁 头 的 激 励 磁 绕 组 加 上 同 相 的 正 弦 激 励 磁 信号 ， 则 两 磁 头 的 输 出 信 号 为 ： tWxUU 2sin2sinm1 tWxUU 2sin2cosm2 WxUU 2sinm1 WxUU 2cosm2经 滤 除 高 频 载 波 后 ， 得 到 与 位 移 量 成 比 例 的 信 号 为 ： x 鉴 相 法 若 两 磁 头 的 激 励 磁 绕 组 上 施 加 相 位 差 为 / 4的 正 弦 激 励 信 号 ，或 将 输 出 信 号 移 相 / 2， 则 两 磁 头 输 出 信 号 变 为 ：tWxUU 2cos2sinm1 tWxUU 2sin2cosm2 将 两 个 磁 头 的 输 出 用 求 和 电 路 相 加 ， 则 获 得 总 输 出 为 ： txUUUU 22sin m21结 论 ： 输 出 信 号 的 幅 值 不 变 ， 但 相 位 与 磁 头 、 磁 栅 相 对位 移 量 有 关 。 磁 栅 传 感 器 的 优 缺 点 及 使 用 范 围 与 感 应 同 步器 相 似 ， 其 精 度 略 低 于 感 应 同 步 器 。 磁 栅 传 感 器 的 特 点 ： 录 制 方 便 ， 成 本 低 廉 。 当 发 现 所 录 磁 栅 不 合适 时 可 抹 去 重 录 ； 使 用 方 便 ， 可 在 仪 器 或 机 床 上 安 装 后 再 录 制磁 栅 ， 因 而 可 避 免 安 装 误 差 ； 可 方 便 地 录 制 任 意 节 距 的 磁 栅 。 例 如 检 查 蜗杆 时 希 望 基 准 量 中 含 有 因 子 ， 可 在 节 距 中 考 虑 。 磁 栅 传 感 器 的 误 差 也 包 括 零 位 误 差 与 细 分 误 差 两项 ： 影 响 零 位 误 差 的 主 要 因 素 有 ： 磁 栅 的 节 距 误差 ； 磁 栅 的 安 装 与 变 形 误 差 ； 磁 栅 剩 磁 变 化所 引 起 的 零 位 漂 移 ； 外 界 电 磁 场 干 扰 等 。 影 响 细 分 误 差 的 主 要 因 素 有 ： 由 于 磁 膜 不 均匀 或 录 磁 过 程 不 完 善 造 成 磁 栅 上 信 号 幅 度 不 相 等 ； 两 个 磁 头 间 距 偏 离 1/4节 距 较 远 ； 两 个 磁 头 参数 不 对 称 引 起 的 误 差 ； 磁 场 高 次 谐 波 分 量 和 感应 电 动 势 高 次 谐 波 分 量 的 影 响 。 应 用 ： 鉴 相 型 磁 栅 数 字 式 位 移 显 示 装 置 （ 简 称 为 磁 栅 数 显 表 ） ：