1、陕西工业职业技术学院数控工程学院磁尺位置检测装置旋转变压器定义工作原理在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通分布符合正弦规律，因此当励磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。其输出电压的大小取决于转子的角度位置，两者之间满足正余弦函数关系。一种输出电压与转子转角成一定函数关系的特种变压器。是一种位置检测装置，广泛应用于数控机床。由定子和转子组成，定子为原边，转子为副边。上节课复习组成分类正余弦旋转变压器线性旋转变压器比例式旋转变压器旋转变旋转变压器压器定义和定义和组成组成工作原工作原理理在定子上加励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。应用应用测量角度差、利测量角
2、度差、利用旋转变压器求用旋转变压器求反三角函数。反三角函数。是一种控制用的微电机，将机械转角变换成与该转角成某一函数关系的电信号。由定子和转子组成。磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置主主要要内内容容磁性标尺和磁头磁性标尺和磁头磁尺的工作原理磁尺的工作原理磁栅式传感器的组成和分类磁栅式传感器的组成和分类磁尺检测的应用磁尺检测的应用磁尺的检测电路磁尺的检测电路一、磁的基础知识 常见的磁现象磁现象在日常生活中往往不被人们注意。但实际上我们的生活每时每刻都和它有关。在现代的生产、科学研究和日常生活里，大到磁悬浮列车、航天探测，小到电话、收音机，无不与磁现象有关。军事领域的磁应用公元公元19世纪，近代物理
3、学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。人类很早就认识到了磁现象，磁学是一个历史悠久的研究领人类很早就认识到了磁现象，磁学是一个历史悠久的研究领域。公元前世纪，中国发明了司南。域。公元前世纪，中国发明了司南。磁铁总有两个磁极，一个是磁铁总有两个磁极，一个是N N极，另一个是极，另一个是S S极。一块磁铁，如果从中
4、间极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了两块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小，它锯开，它就变成了两块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小，它总是有总是有N N极和极和S S极，也就是说极，也就是说N N极和极和S S极总是成对出现，无法让一块磁铁只有极总是成对出现，无法让一块磁铁只有N N极或极或只有只有S S极。极。磁极之间有相互作用，即同性相斥、异性相吸。也就是说，磁极之间有相互作用，即同性相斥、异性相吸。也就是说，N N极和极和S S极靠近极靠近时会相互吸引，而时会相互吸引，而N N极和极和N N极靠近时会互相排斥。知道了这一点，我们就明白了极靠近时会互相排斥。
5、知道了这一点，我们就明白了为什么指南针会自动指示方向。为什么指南针会自动指示方向。磁性的来源磁性的来源物质的磁性来源于物质原子中的电子。电子除了绕着原子核物质的磁性来源于物质原子中的电子。电子除了绕着原子核公转以外，自己还有自转（叫做自旋），跟地球的情况差不多。公转以外，自己还有自转（叫做自旋），跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的一个原子就象一个小小的“太阳系太阳系”。在原子中，核外电子带有在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性，负电荷，是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有成为一个小小的磁铁，具有N N极和极和S
6、 S极。极。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多，如下图所示，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以样多，如下图所示，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性。至于整个物体对外没有磁性。只有少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在只有少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样，这样，在自转相反的电子磁极互不同自转方向上的数量不一样，这样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，如下图所示相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，如下图
7、所示。这样，整个原子具有总的磁矩。这些原子磁矩之间被整齐地排。这样，整个原子具有总的磁矩。这些原子磁矩之间被整齐地排列起来，整个物体也就有了磁性。列起来，整个物体也就有了磁性。磁力线怎样表示物质磁性的强弱呢？为什么吸铁石并没有接触怎样表示物质磁性的强弱呢？为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它？钢铁就可以吸引它？在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的S极相极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。对。纸板上面撒一些细的铁粉末。铁铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。磁场磁场有了磁力线，我们就可以很方便地描
8、述磁铁之间的相互作有了磁力线，我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白，磁力线是我们为了理解方便而假想的，用。但是必须明白，磁力线是我们为了理解方便而假想的，实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。我们知道，物质之间存在万有引力，就是通过磁场进行的。我们知道，物质之间存在万有引力，它是一种引力场。磁场与之类似，是一种布满磁极周围空间它是一种引力场。磁场与之类似，是一种布满磁极周围空间的场。磁场的
9、强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线的场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。的磁力线数目称为磁通量密度。电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。磁场成圆形，围绕导线周围。磁场的方向可以根据“”来确定：将右手拇指伸出，其余四指并拢弯向掌心。这时，拇指的方向为电流方向，而其余四指的方向是磁场的方向。如果将一条长长的金属导
10、线在一个空心筒上沿一个方向缠绕起来，形成的物体我们称为螺线管。如果使这个螺线管通电，那么会怎样？通电以后，螺线管的每一匝都会产生磁场，磁场的方向如图中的圆形箭头所示。电动机核喇叭的基本原理。磁生电磁生电 如果把一个螺线管两端接上检测电如果把一个螺线管两端接上检测电流的检流计，在螺线管内部放置一流的检流计，在螺线管内部放置一根磁铁。当把磁铁很快地抽出螺线根磁铁。当把磁铁很快地抽出螺线管时，可以看到检流计指针发生了管时，可以看到检流计指针发生了偏转，而且磁铁抽出的速度越快，偏转，而且磁铁抽出的速度越快，检流计指针偏转的程度越大。同样检流计指针偏转的程度越大。同样，如果把磁铁插入螺线管，检流计，如果
11、把磁铁插入螺线管，检流计也会偏转，但是偏转方向和抽出时也会偏转，但是偏转方向和抽出时相反。线圈中的感生电动势的大小相反。线圈中的感生电动势的大小与线圈内部磁通量的变化率成正比与线圈内部磁通量的变化率成正比。这称为法拉第定律。这称为法拉第定律。变化的磁场可以在线圈中感应出电变化的磁场可以在线圈中感应出电流，这就是流，这就是发电机和麦克风的基本原理。发电机和麦克风的基本原理。磁场电效应 对通以电流的铁磁体再施加磁场，铁磁体中的电位差发生变化，这种现象称为磁场电效应。其中具有代表性的有磁电阻效应和霍尔效应。磁光效应 磁性物质在外磁场作用下或磁状态变化时，对在该物质中传播或发射（吸收）的光特性发生影响
12、的现象，成为磁光效应。强磁性材料的磁光效应最为显著。磁热效应 顺磁和铁磁体在绝热条件下磁化，由外磁场引起磁化状态改变而发生的可逆温度变化现象，称为磁热效应。1磁栅测量系统压板磁头磁尺生活中的磁尺应用生活中的磁尺应用数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺2应用实例磁尺位置检测装置二、磁尺的概念及介绍也叫磁栅，是一种高精度的位置检测装置，可用于检测长度和角度。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。概念：磁栅优点磁尺位置检测装置在油污和粉尘较多的工作环境下使用具有较好的稳定性。磁尺是近年来发展起来的新型检测元件，与其他类型的检测元件相比
13、，具有精度高安装调试方便，以及对适用条件要求较低等一系列优点，因而在大型机床的数字检测中，自动化机床的自动控制以及轧压机的定位控制等方面得到广泛的应用。大尺寸磁栅尺外形图三、磁尺的组成1磁尺的结构 磁尺是由磁性标尺、磁头、检测电路组成。工作原理：利用录磁原理工作先用磁头将一定周期变化的方波、正弦波或者脉冲信号录制在磁性标尺上，作为测量基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，在送到检测电路中之后，把磁头相对于磁性标尺的位移量用数字显示出来，并传输给数控系统。磁尺的外形及结构图磁性标尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头 磁栅上的磁信号先由录磁头录好，
14、磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由读取磁头读出，按读取信号方式的再由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为不同，磁头可分为静态磁头静态磁头动态磁头动态磁头动态磁头动态磁头为动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，只有一又称速度响应式磁头，只有一个绕组，当磁头沿磁栅作相对运动时才有信号输出。输出个绕组，当磁头沿磁栅作相对运动时才有信号输出。输出为正弦波，在为正弦波，在N、N重迭处输出正信号最强，在重迭处输出正信号最强，在S、S重迭重迭处负信号最强。（录音机上的磁头就是速度响应式磁头，处负信号最强。（录音机上的磁头就是速度响应式磁头，只有在磁头和磁带有相对运动时才能检测出磁信号）只有在
15、磁头和磁带有相对运动时才能检测出磁信号）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。因此它只能用于动态测量。静态磁头静态磁头是调制式磁头调制式磁头，又称磁通响应式磁头磁通响应式磁头。该磁头有两个绕组，一为该磁头有两个绕组，一为励磁绕组励磁绕组，另一为，另一为输出输出绕组。绕组。u励磁绕组励磁绕组绕在磁路截面尺寸较小的横臂上绕在磁路截面尺寸较小的横臂上u输出绕组输出绕组绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上它与动态磁头的根本不同之处在于，在它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出栅之间没有相对运动的情况下
16、也有信号输出。当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化，输出感应电动势。化，输出感应电动势。静态磁头静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 1磁头；磁头；2磁栅；磁栅；3输出波形输出波形N1为励磁绕组，为励磁绕组，N2为感应输出绕组。为感应输出绕组。在励磁绕组中通入在励磁绕组中通入高频的励磁电流，高频的励磁电流，一般频率为一般频率为5kHz或或25kHz，幅值约为幅值约为200 mA。工作原理（静态）v励磁绕组起磁路开关作用励磁绕组起磁路开关作用 当励磁绕组当励磁绕组N1N1不通电流时，磁路处于不饱和状态，不通电流时，磁路处于不饱和状态，磁栅上的磁力线通
17、过磁头铁心而闭合。磁栅上的磁力线通过磁头铁心而闭合。如果在励磁绕组中通入交变电流如果在励磁绕组中通入交变电流i=ii=i0 0sinsint t，当，当交变电流交变电流i i的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁心材料饱和，这时磁阻很大，而使磁路心材料饱和，这时磁阻很大，而使磁路“断开断开”，磁，磁栅上的磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变栅上的磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变电流电流i i的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心材料的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心材料不饱和，这时磁阻也降低得很小，磁路被不饱和，这时磁阻也降低得很小，磁路被“接通接
18、通”，则磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。由此可则磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。由此可见，励磁线圈的作用相当于磁开关。见，励磁线圈的作用相当于磁开关。工作原理（静态）v 磁感应强度决定于磁头与磁栅的相对位置。磁感应强度决定于磁头与磁栅的相对位置。随着激励交变电流的变化，可饱和铁心这一随着激励交变电流的变化，可饱和铁心这一磁路开关不断地磁路开关不断地“通通”和和“断断”，进入磁头的剩磁，进入磁头的剩磁通就时有时无。这样，在磁头铁心的绕组通就时有时无。这样，在磁头铁心的绕组N2中就中就产生产生感应电势感应电势，主要与磁头在磁栅上所处的位置有，主要与磁头在磁栅上所处的位置有关，而与磁头和
19、磁栅之间的相对速度关系不大。关，而与磁头和磁栅之间的相对速度关系不大。v 感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍 励磁电流在一个周期内两次过零，两励磁电流在一个周期内两次过零，两 次出次出现峰值。只要电流幅值超过某一额定值，它产生现峰值。只要电流幅值超过某一额定值，它产生的正向或反向磁场均可使磁头的铁心饱和，这样，的正向或反向磁场均可使磁头的铁心饱和，这样，在它变化一个周期，铁心饱和两次，相应的磁开在它变化一个周期，铁心饱和两次，相应的磁开关通断两次。磁路在由通到断的时间内，输出线关通断两次。磁路在由通到断的时间内，输出线圈中的交链磁通量由圈中的交链磁通量由0
20、 0变化到变化到0；磁路在由断到；磁路在由断到通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由0 变化变化到到0 0；0 0由磁性标尺中的磁信号决定，因此输由磁性标尺中的磁信号决定，因此输出线圈中输出的是一个调幅信号。出线圈中输出的是一个调幅信号。tUUtUUiicossinmm或励磁电压为励磁电压为:v当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置有关。与磁头所处的位置有关。v 当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。由于剩
21、磁形成的磁场强度按正弦波变化，从而获取调制波，输出绕组的感应电动势静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 tsUEsin2sinm1E E输出线圈输出的感应电动势；输出线圈输出的感应电动势；U Um m输出线圈输出的感应电动势峰值；输出线圈输出的感应电动势峰值；磁尺剩余信号的波长（磁化信号节距）；磁尺剩余信号的波长（磁化信号节距）；s s磁头对磁性标尺的位移量；磁头对磁性标尺的位移量；输出线圈感应电动势的频率，是激磁电流输出线圈感应电动势的频率，是激磁电流I I的频率的的频率的2 2倍。倍。E和磁性标尺与磁头相对速度无关，而是由位移量和磁性标尺与磁头相对速度无关，而是由位移量S决定的决定的 根据
22、磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的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。不同，所采用的信号处理方式也不同。动态磁头动态磁头只有一组绕组，其输出信号为正弦波，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形，然后由计数器记录脉冲数n n，就可以测量出位移，就可以测量出位移量的大小。但这种方法测量精度较低，量的大小。但这种方法测量精度较低，而且不能判别而且不能判别移动方向。移动方向。ns 静态磁头一般用两个，双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，二者之间
23、间距为(n土1/4)，(其中n为正整数,为磁信号节距)，也就是两个磁头布置成相位差90关系，即两者空间相位差90。信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。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
24、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 1磁头；磁头；2磁栅；磁栅；3输出波形输出波形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5 kHz或25 kHz，幅值约为200 mA。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。
25、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 tWxEEmsin2cos 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：tWxEEmsin2cos1tWxEEmsin2sin2Wx2xWx2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(m14)配置（m为正整数），它们的输出电压分别是 为增大输出，实际
26、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：tWxEEmsin2cos1tWxEEmcos2sin2)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 WxEEm2cos1 WxEEm2sin2 与光栅的信号辨向、细分一致。鉴幅型磁栅传感
27、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（SIM011）主要功能：对磁尺的节距W200m实现200或40 或20等分的电气细分，从而获得1、5、10m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。本节课小结磁尺磁尺定义和定义和组成组成工作原工作原理理拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，再传输给数控系统。是一种高精度位置检测装置，可用于长度和角度的测量。由磁性标尺、磁头和检测电路等组成。
