1、10.2 磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅优点：磁栅优点：价格低于光栅价格低于光栅、制作简单、复制方便；、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；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。易安装和调整、抗干扰能力强。大尺寸磁栅尺外形图大尺寸磁栅尺外形图一、磁栅的组成及类型一、磁栅的组成及类型 1磁栅的组成磁栅的组成 磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。组成。l磁尺；磁尺；2尺基；尺基；3磁性薄膜；磁性薄膜；4铁心；铁心；5磁头磁头磁栅的外形及结构图磁栅的外形及结构图磁尺磁尺静态磁头静态磁头去
2、信号处理电去信号处理电路路固定孔固定孔2磁栅的类型磁栅的类型长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量直线位移）（测量角位移）（测量角位移）尺形尺形带形带形同轴形同轴形1磁头磁头 2磁栅磁栅 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5软垫软垫磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头德国德国SIKO 磁栅尺磁栅尺磁头与磁头与磁尺相磁尺相对运动对运动时的输时的输出波形出波形二、磁栅传感器的工作原理二、磁栅传感器的工作原理 1基本工作原理基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示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，
3、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基本工作原理基本工作原理图图5-4-1 5-4-1 磁栅传感器示意图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
4、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：式中：Em感应电势的幅值感应电势的幅值 W磁栅信号的节距磁栅信号的节距 x机械位移量机械位移量 tWxEEmsin2cos 磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成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：分，可用下式表示：2信号处理方式信号处理方式 当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两
5、磁头输出绕组的输出信号为：两磁头输出绕组的输出信号为：tWxEEmsin2cos1tWxEEmsin2sin2Wx2xWx2式中：式中：机械位移相角，机械位移相角，图图5-4-35-4-3双磁头结构双磁头结构 双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图其结构如图5-4-3所示。两磁头按所示。两磁头按(m14)配置配置（m为正整数），它们的输出电压分别是为正整数），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。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多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信
6、号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。图图5-4-45-4-4双磁头结构双磁头结构 将第二个磁头的电压读出信号移相将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁，两磁头的输出信号则变为：头的输出信号则变为：将两路输出相加，则获得总输出：将两路输出相加，则获得总输出：tWxEEmsin2cos1tWxEEmcos2sin2)2sin(WxtEEm（1）鉴相方式）鉴相方式 磁尺与磁头接触，使用寿命磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何在？意义何在？利用输出信号的幅值大小来反映磁头的
7、位移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器去掉高频载波后可得：（2）鉴幅方式）鉴幅方式 WxEEm2cos1 WxEEm2sin2 与光栅的信号辨向、细分一致。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磁栅数显装置的结构示意图1磁性标尺磁性标尺 2磁头磁头 3固定块固定块 4尺体安装孔尺体安装孔 5泡沫垫泡沫垫 6滑板安装孔滑板安装孔 7磁头连接板磁头连接板 8滑板滑板三、磁栅数显装置三、磁栅数显装置 国产磁栅数显装置的国产磁
8、栅数显装置的LSI芯片组成：芯片组成：1磁头放大器（磁头放大器（SF023）2磁尺检测专用集成芯片（磁尺检测专用集成芯片（SF6114）主要功能：两输入信号的放大；通道主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相信号移相 900；通道；通道A和通道和通道B信号求和放大；补信号求和放大；补 偿两只磁头特性所需的调整和来自数显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。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；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、
9、整形为矩形经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形 波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相 位微调。位微调。4可逆计数芯片（可逆计数芯片（WK50395）3磁尺细分专用集成芯片（磁尺细分专用集成芯片（SIM011）主要功能：对磁尺的节距主要功能：对磁尺的节距W200m实现实现200或或40 或或20等分的电气细分，从而获得等分的电气细分，从而获得1、5、10m的分辨力（最小显示值）。的分辨力（最小显示值）。该芯片带有比较寄存器和锁存器的该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道沟道MOS六位十进制同步可逆计数六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位显示驱动器。可以逐位
10、用用BCD码置数，及有异步清零功能。码置数，及有异步清零功能。1磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺四、磁栅式传感器的应用四、磁栅式传感器的应用 数显数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺2应用实例应用实例 54 感应同步器感应同步器圆感应同步器与角度数显表外形图圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航天数显中心）（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、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、制造对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。工艺简单。用途：可用来测量直线或转角位移。用途：可用来
11、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。转角位移的称圆感应同步器。一、感应同步器的结构和类型一、感应同步器的结构和类型 圆盘式感应同步器示意图圆盘式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图1结构结构定尺与滑尺绕组关系图定尺与滑尺绕组关系图 感应同步器的解剖图感应同步器的解剖图2类型类型直线式直线式旋转式（圆盘式）旋转式（圆盘式）带型带型 标准型标准型窄型窄型直线式感应同步器的尺寸和精度一览表直线式感应同步器的尺寸和精度一览表 种种 类类定尺尺寸定尺尺寸（mmmm）滑尺尺寸滑尺尺寸（mmmm
12、）测量周期测量周期（mmmm）精度精度(m)(m)标准型标准型250589.5100739.521.52.5窄窄 型型250309.574359.522.55带带 型型(2002000)19210带型感应同步器外形图带型感应同步器外形图（参考东方仿真）（参考东方仿真）二、感应同步器的工作原理二、感应同步器的工作原理感应同步器原理动画演示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，其值为中便产生感应电势，其值为 tKUdtdiKEmcos 设感应线圈设感应线圈 A的中心从励磁线圈中心右移的距的中心从励磁线圈中心右移的距离为
13、离为x，则感应电动势为，则感应电动势为 2sincosmxEEtW上式中：上式中：Em=K0UmK主要主要与两绕组的相对位置等因素有关与两绕组的相对位置等因素有关如图滑尺绕组有如图滑尺绕组有两组，相差两组，相差1/4个个周期，则有周期，则有tWxEEmScos2sintWxEEmCcos2cosF从励磁形式来说一般可分为二大类：从励磁形式来说一般可分为二大类：一类是以滑尺一类是以滑尺(或转子或转子)励磁，由定尺励磁，由定尺(或定子或定子)取感取感应电动势，应电动势，另一类则相反。另一类则相反。F依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅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
14、种，而脉冲调宽型本质上也是一型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。种鉴幅。1鉴相方式鉴相方式 在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差率相同、相位差900的励磁电压的励磁电压us和和uc，两个励，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：tWxEEmScos2sintWxEEmCsin2cos定尺上的总感应电势为：定尺上的总感应电势为：2sin()ScmxEEEEtW2鉴幅方式鉴幅方式 在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，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但幅值不等的交
15、流励磁电压us和和uc，即：，即：tUuScoscostUuCcossin两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：tWxUKESsin2sincos0tWxUKECsin2cossin0定尺上的总感应电势为：定尺上的总感应电势为：tEtUKEEEmxcSsinsin)sin(0式中：式中：)sin(20 xmxUKEWx，感应同步感应同步器数显表器数显表鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图 三、感应同步器的应用三、感应同步器的应用 1定位控制系统定位控制系统鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图 2随动控制系统随动控制系统轮廓仪外形图轮廓仪外形图参参考考威威而而信信精精密密仪仪器器有有限限公公司司
