1、主要内容：主要内容：7.1 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 7.3 7.3 磁敏传感器磁敏传感器 磁电式传感器机械能机械能电电量量磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号磁电传感器磁电传感器deNdt 0eBlN 电压灵敏度：电压灵敏度：0US由由 可得；可得；传感器灵敏度：传感器灵敏度：(常数常数)0eN Blvsv esv0SN Bl 0IISv电流灵敏度电流灵敏度:根据以上原理有两种磁电感应式传感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定恒磁通式：磁路系统恒定 磁场运动部件磁场运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。可以是线圈也可
2、以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。变磁通式变磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路恒磁通式恒磁通式 电磁式传感器通常用来做机械振动测量。电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：振动传感器结构大体分两种：动钢型（线圈与壳体固定）动钢型（线圈与壳体固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势产生于正比振
3、动速度的感应电动势 。0eBlN ev动钢型动钢型动圈型动圈型开磁路闭磁路动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器n 信号输出送测量电路信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。积分电路输出积分电路输出0111()RRUUtFdtdtU dtCCRRC 微分电路输出微分电路输出 0()()()cidU tdU tUtRiRCRCdtdt 磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要 静止的基准参考，可直接装在被测体上。静止的基准参考，可直接装在被
4、测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号速度传感器的输出电压正比于速度信号 ，便于直接放大。便于直接放大。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。uv Hall effect multiplier 实际应用中磁敏实际应用中磁敏元件主要用于检测磁元件主要用于检测磁场，而与人们相关的场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的的磁敏传感器检测的最低磁场只能到最低磁场只能到 高斯。高斯。610 磁场强
5、度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布测磁的方法：测磁的方法：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用超导效应传感器，利用超导效应传感器，SQVIDSQVID约瑟夫元件；约瑟夫元件；利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，随着半导体技术
6、的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。微型化和集成化方向发展。霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流（半导体薄片）两端通以控制电流I I，在薄片垂直，在薄片垂直方向施加磁感强度方向施加磁感强度B B的磁场，在薄片的另外两侧会的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流产生一个与控制电流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积成比例的乘积成比例的电动势的电动势 。通电的导体（半导体）放在磁场中，电流通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I I与与磁场磁场B B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动方向垂直，在导体另外
7、两侧会产生感应电动势，这种现象称势，这种现象称霍尔效应霍尔效应。HU霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片侧偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电方向的端面之间建立起霍尔电势。势。A AB BC CD D 在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：LFe BHHUEb霍尔电场霍尔电场HHFeE霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力 当
8、两作用力相等时电荷不再向两边积累，当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：达到动态平衡：HLFFHeEe BIne bd 通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度与载流子浓度n，电子运动速度电子运动速度v，薄片横截面积，薄片横截面积b*d有关：有关：HUBb霍尔电势：霍尔电势：代入后：代入后：霍尔常数霍尔常数 与材料有关与材料有关霍尔灵敏度霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关HHHIBIBUBbRK IBnedd 1HRne HHRKd讨论：讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件是都可
9、以制造霍尔元件 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，金属材料电子浓度很高，RHRH很小，很小，UHUH很小。很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用霍尔元件多采用N N型半导体（多电子）。型半导体（多电子）。v由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 K KH H 越大，越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似所以霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米。微米。霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，两端加激励
10、两端为输出；两端加激励两端为输出；电源电源E E，控制电流，控制电流I I；负载负载RLRL，R R可调保证控制电流，可调保证控制电流，B B磁场与元件面垂直（向里）。磁场与元件面垂直（向里）。实测中可把实测中可把I I*B B作输入，作输入，也可把也可把I I或或B B单独做输入。单独做输入。通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系。成正比关系。两种霍尔元件定电压驱动电路两种霍尔元件定电压驱动电路 两种霍尔元件定电流驱动电路两种霍尔元件定电流驱动电路(1)(1)不等位电势不等位电势 当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流I I时
11、，若磁场时，若磁场B=0B=0，理论上，理论上霍尔电势霍尔电势U UH H=0,=0,但实际但实际U UH H不等于不等于0 0，这时测得的空载电，这时测得的空载电势称不等位电势势称不等位电势U U0 0。产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀半导体材料不均匀(1)(1)不等位电势不等位电势 u 不等位电势的补偿不等位电势的补偿 (2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度当温度T T变化时，载流子浓度变化时，载流子浓度n n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻
12、率，霍尔系数霍尔系数R RH H 都会变化。以下是几种补偿方法：都会变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿：恒流源补偿：由由 U UH H=K=KH HIB IB 可见恒流源供电可使可见恒流源供电可使U UH H稳定但灵敏度系数稳定但灵敏度系数 K KH H=R=RH H/d=/d/d=/d也是温度的函数：也是温度的函数：0001()1HtHHKKt tKT(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿u具体补偿方法具体补偿方法:在霍尔元件上并联一在霍尔元件上并联一RpRp分流，分流，当当T T增大时增大时RHRH增大增大U UH H 增大增大I IH H 减小减小IpIp增大增大U UH H 下降，
13、下降，Rp Rp 自动加强分流，使自动加强分流，使Ip Ip 增大增大I IH H 下降下降U UH H下降下降,补偿电阻补偿电阻RpRp可选择负温度系数可选择负温度系数.(1)(1)位移测量位移测量(2)(2)测转速测转速(3)(3)计数装置计数装置(导磁产品导磁产品)检缺口检缺口 检齿检齿磁磁场场测测量量霍尔元件符号霍尔元件符号 霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 1 1 集成霍尔元件集成霍尔元件 开关集成器件开关集成器件(测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性)B B、B B形成切换回差形成切换回差,这是位
14、置式作用传感器的特点这是位置式作用传感器的特点,作无触点开关时可防止干扰引起的误动作作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。形成切换回形成切换回差差 霍尔集成电路霍尔集成电路在一个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其在一个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其输出电压的电路输出电压的电路，而具有磁场而具有磁场-电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。霍尔集成电路的构造如图。霍尔集成电路的构造如图。依输出信号的性质不依输出信号的性质不同，霍尔集成电路可同，霍尔集成电路可分为线性型和开关性分为线性型和开关性型两类。线性型霍尔型两类。线性型霍尔集成电路可以获得与集成
15、电路可以获得与磁场强度成正比的输磁场强度成正比的输出电压。磁场灵敏度出电压。磁场灵敏度虽然可利用电路的放虽然可利用电路的放大加以调节。较典型大加以调节。较典型的线性型霍尔器件如的线性型霍尔器件如UGN3501UGN3501等。等。开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、密特触发器、OCOC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OCOC门由高阻态变门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度
16、低于释放点时，为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OCOC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如如UGN3020UGN3020等。等。.开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 OC OC门门施密特触施密特触发电路发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc开关型霍尔集成电路（开关型霍尔集成电路（OC门输出）的与继电器的连接门输出）的与继电器的连接2 2 应用应用 ：无触点开关：无触点开关2023-5-21n=60f4(r/min)软铁分流
17、翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T霍尔接式近开关 直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。其工作原理示于图。霍尔开关电路用在直流无刷电机中霍尔开关电路用在直流无刷电机中2023-5-2153无刷直流电动机的无刷直流电动机的外外转子采用
18、高性能钕铁硼转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、具有效率高、无火花、可靠性强等特点。可靠性强等特点。无刷电动机在电动自行车上的应用 2023-5-215455光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式无刷电动机 2 2 应用应用 ：天然气点火电路：天然气点火电路2023-5-2157霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置
19、 采用霍尔式采用霍尔式无触点电子点火无触点电子点火装置能较好地克装置能较好地克服汽车合金触点服汽车合金触点点火时间不准确点火时间不准确、触点易烧坏、触点易烧坏、高速时动力不足高速时动力不足等缺点。等缺点。汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头霍尔元件可作为乘法器 n 磁敏元件也是基于磁电转换原理磁敏元件也是基于磁电转换原理,60,60年代西门年代西门子公司研制了第一个磁敏元件子公司研制了第一个磁敏元件,68,68年索尼公司研年索尼公司研制成磁敏二极管制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏电阻；磁敏二极管；磁
20、敏二极管；磁敏三极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。霍尔式磁敏传感器。磁阻效应：磁阻效应：220(10.273)BB 由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大磁阻效应被大大减弱大减弱,但仍然存在。磁阻元件的电阻与形状有关：但仍然存在。磁阻元件的电阻与形状有关：长方形样品长方形样品扁条状长形扁条状长形圆盘样品圆盘样品v 磁敏电阻磁敏电阻与与霍尔元件霍尔元件属同一类属同一类,都是磁电转换都是磁电转换元件元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只只有与辅助材料有与辅助材料(磁铁磁铁)并用才具有识别磁极的能力并用才具有识别磁极的
21、能力.磁敏电阻的输出特性磁敏电阻的输出特性 无偏置磁场时无偏置磁场时,检测检测磁场不能判别磁性；磁场不能判别磁性；外加偏置磁场时，外加偏置磁场时，相当在检测磁场外加相当在检测磁场外加了偏置磁场，工作点了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表也作为电阻值变化表现出来。现出来。磁图形识别传感器磁图形识别传感器BS05A1HFAA,BS05A1HFAA,检测电路，工作检测电路，工作电压电压5V5V，输出，输出0.30.30.8v0.8v，被测物体，被测物体3mm3mm，可测磁性，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别
22、有机磁性（自动售货机）。性（自动售货机）。磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用（1 1）磁敏二极管（）磁敏二极管（锗管锗管2ACM,硅管硅管2DCM）特点：长特点：长“基区基区”PiNPiN型二极管，型二极管，PIPI为掺杂区，为掺杂区，本征区本征区I I长度较长，构成高阻半导体；长度较长，构成高阻半导体；工作过程：工作过程：磁敏二极管在长磁敏二极管在长“基区基区”的一侧面设置了复合区的一侧面设置了复合区r r，r r面是个粗糙面截流子复合速度非常高，面是个粗糙面截流子复合速度非常高，r r区对面区对面 是复合率很小的光滑面。是复合率很小的光滑面。（2 2）磁敏三极管）磁敏三极管以锗管以锗管NPNNP
23、N型为例：型为例：磁敏三极管也是以长基磁敏三极管也是以长基区为特征，有两个区为特征，有两个PNPN结，结，发射极与基极之间的发射极与基极之间的PN PN 结由长基区二极管构成，结由长基区二极管构成，有一个高复合区，集电有一个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。极电流大小与磁场有关。7.4 7.4 磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅上录有等距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距磁栅上录有等距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号（正弦波或方波）用录磁的方法记录在磁性的周期变化的电信号（正弦波或方波）用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成。尺子或圆盘上而制成。磁栅式传感器主要由
24、磁栅和磁头组成。磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。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距离，磁头相对磁栅作横向运动，在这个过程中，磁头线圈中的距离，磁头相对磁栅作横向运动，在这个过程中，磁头线圈中产生感应电压，即磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测产生感应电压，即磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测物的相对位置或位移转换成电信号。物的相对位置或位移转换成电信号。NNSNSSNSN NS SNN磁栅式传感器的结构磁栅式传感器的结构磁栅基体磁性薄膜磁头磁头磁磁栅栅 2)2)磁栅的类型磁栅的类型磁栅分为长磁栅和圆磁栅两
25、大类，分别用于测量直线位移和角磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，分别用于测量直线位移和角位移。位移。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。磁栅式传感器实物图磁栅式传感器实物图一、磁栅一、磁栅磁栅的结构磁栅的结构磁栅结构如图所示。磁栅由磁栅基体和磁性薄膜组成。磁栅结构如图所示。磁栅由磁栅基体和磁性薄膜组成。磁栅基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄磁栅基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜，经过录磁，其录磁信号排列情况如图所示，要求录磁信号膜，经过录磁，其录磁信号排列情况如图所示，要求录磁信号幅度均匀，幅度变化应小于幅度均匀，幅度变化应小于
26、10%，节距均匀。，节距均匀。目前长磁栅常用的磁信号节距为目前长磁栅常用的磁信号节距为0.02mm0.05mm。圆磁栅的角节距一般为几角分至几十角分。圆磁栅的角节距一般为几角分至几十角分。NNSNSSNSN NS SNN磁栅式的结构磁栅式的结构磁栅基体磁性薄膜磁磁栅栅要有良好的加工性能和电镀性能要有良好的加工性能和电镀性能其线膨胀系数应与被测件接近其线膨胀系数应与被测件接近工作面平直度误差范围：工作面平直度误差范围：0.0050.01mm/m剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br要大、矫顽力要大、矫顽力Hc要高、电器综合性能稳定、要高、电器综合性能稳定、磁性材料（电）镀层均匀磁性材料（电）镀层均匀如
27、：镍钴铝磷合金如：镍钴铝磷合金磁感应强度磁感应强度Br=0.70.8T矫顽力矫顽力Hc=6.37104A/m薄膜厚度在薄膜厚度在0.100.20mm磁栅分为长磁栅和圆磁栅磁栅分为长磁栅和圆磁栅长磁栅又分为尺型、带型、同轴型长磁栅又分为尺型、带型、同轴型磁栅基体磁栅基体磁性薄膜磁性薄膜磁栅的类型磁栅的类型圆盘结构录磁剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br（RemanentMagneticInduction）矫顽力矫顽力Hc（CoerciveForce）铁磁质材料磁化后，当撤去外磁场铁磁质材料磁化后，当撤去外磁场H时，介质中仍能保持一时，介质中仍能保持一定的磁感应强度定的磁感应强度Br。这时的磁感应强度
28、称为剩余磁感应强度。这时的磁感应强度称为剩余磁感应强度。为了使磁化后的铁磁质完全退磁所需要加的与磁化方向相反的为了使磁化后的铁磁质完全退磁所需要加的与磁化方向相反的磁场强度。磁场强度。矫顽力与铁磁材料性质、铁磁质原磁感应强度有关矫顽力与铁磁材料性质、铁磁质原磁感应强度有关二、磁头二、磁头磁头用于读取磁栅上的磁信号磁头用于读取磁栅上的磁信号按读取方式分为：动态磁头和静态磁头按读取方式分为：动态磁头和静态磁头1 1、动态磁头、动态磁头动态磁头结构动态磁头结构动态磁头结构如图所示。它由铁心和线圈组成。动态磁头结构如图所示。它由铁心和线圈组成。铁心铁心铁心材料为铁镍合金（镍铁心材料为铁镍合金（镍80%
29、）铁心每片厚度铁心每片厚度0.2mm，叠成厚度，叠成厚度318mm线圈线圈线径线径d=0.05mm，匝数，匝数N=10001200匝匝电感量为电感量为L=4.5mHNNSNSSNSN NS SNN动态磁头读出信号动态磁头读出信号磁栅基体磁性薄膜磁头动态磁头的工作原理动态磁头的工作原理当磁头与磁栅之间以一定的速度相对平行移动时，由于磁性薄膜当磁头与磁栅之间以一定的速度相对平行移动时，由于磁性薄膜上录有永久磁信号，因此在磁头感应线圈中产生感应电动势。上录有永久磁信号，因此在磁头感应线圈中产生感应电动势。磁头与磁栅相对静止时，磁头感应线圈中没有感应信号输出磁头与磁栅相对静止时，磁头感应线圈中没有感应
30、信号输出。因此它因此它不适合用于静止长度测量不适合用于静止长度测量。磁头中感应电动势的大小取决于磁头与磁栅相对平行位移的速度；磁头中感应电动势的大小取决于磁头与磁栅相对平行位移的速度；当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时，输出感应电动势的大当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时，输出感应电动势的大小也不同；小也不同；动态磁头的工作原理动态磁头的工作原理磁头读出信号如图所示。磁头读出信号如图所示。读出信号为正弦信号（是距离的正弦函数）读出信号为正弦信号（是距离的正弦函数），在在N处为正的最强，处为正的最强，S处为负的最强。处为负的最强。W为磁信号节距。为磁信号节距。NNSNSSNSN NS SNN
31、动态磁头读出信号动态磁头读出信号磁栅基体磁性薄膜磁头N磁磁栅栅2 2、静态磁头、静态磁头静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。静态磁头与动静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。静态磁头与动态磁头的根本不同在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况态磁头的根本不同在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。下也有信号输出。ue0132SNNSSNNSSNNS0静态磁头读出原理静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈静态磁头的组成静态磁头的组成励磁线圈励磁线圈产生激磁磁通产生激磁磁通1感应线圈感应线圈产生感应电压产生感应电压e0铁心铁心磁栅的外形及结构图磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信
32、号处理电路固定孔磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO 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静态磁头静态磁头读出原理读出原理静态磁头对磁栅信号的读出原理如图所示。静态磁头对磁栅信号的读出原理如图所示。磁栅漏磁通磁栅漏磁通0经过磁头分为经过磁头分为2、3：式中:R 气隙磁阻RT 铁心磁阻)/(02TRRRue0132SNNSSNNSSNNS0静态磁头读出原理静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈2从气隙通过磁头铁心从气隙通过磁头铁心（进入铁心）（进入铁心）3从磁头铁心通过气隙从磁头铁心通过气隙（回到磁栅）（回到磁栅）磁
33、栅传感器示意图一般情况下（磁栅与磁头相对位置静止）一般情况下（磁栅与磁头相对位置静止）气隙磁阻气隙磁阻R（磁头与磁栅的垂直的相对位置不变）可以认为不变（磁头与磁栅的垂直的相对位置不变）可以认为不变磁头铁心磁阻磁头铁心磁阻RT的大小则与励磁线圈所产生的励磁磁通的大小则与励磁线圈所产生的励磁磁通1有关有关)sin(22002taa式中：a0、a2 与磁头结构参数有关的常数 励磁电源的角频率上式为铁心磁通非饱和铁心铁心P、Q两段的截面积很小，在励磁电压两段的截面积很小，在励磁电压u变化的一个周期内，变化的一个周期内，铁心被励磁电流所产生的磁通铁心被励磁电流所产生的磁通1饱和两次，饱和两次，RT变化两
34、个周期。变化两个周期。（设计时使励磁磁通在励磁电压的波峰时铁心工作在磁饱和区）设计时使励磁磁通在励磁电压的波峰时铁心工作在磁饱和区）由于磁头铁心饱和时其由于磁头铁心饱和时其磁阻磁阻RT很大，很大，2不能通不能通过，因此在励磁电压过，因此在励磁电压u的的一个周期内，一个周期内，2也变化一也变化一个周期，可近似认为：个周期，可近似认为：0=2+1PQue0132SNNSSNNSSNNS0静态磁头读出原理静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈在磁栅相对磁头不动的情况下在磁栅相对磁头不动的情况下0为一个常量，输出绕组中产生的感应电动势为一个常量，输出绕组中产生的感应电动势e0为为tktaWdtdWe22co
35、scos2)/(0202220式中:W2 （输出）感应绕组匝数 k 常数，k=2W2a2 在磁栅相对磁头移动的情况下在磁栅相对磁头移动的情况下漏磁通漏磁通0是磁栅位置的周期函数是磁栅位置的周期函数当磁栅与磁头相对移动一个节距当磁栅与磁头相对移动一个节距W时，时，0就变化一个周期。因就变化一个周期。因此此0可近似为可近似为)/sin(20WxmtWxkem22cos)/sin(0于是可得于是可得式中：x 磁栅与磁头之间的相对位移m 漏磁通的峰值 W 为磁信号节距PQue0132SNNSSNNSSNNS0静态磁头读出原理静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈tWxkem22cos)/sin(0由式可见由
36、式可见静态磁头是利用磁栅的漏磁通静态磁头是利用磁栅的漏磁通0变化和励磁磁通变化和励磁磁通1激励作用激励作用产生变化磁通，从而在感应线圈中产生感应电动势产生变化磁通，从而在感应线圈中产生感应电动势e0静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍感应电动势感应电动势e0与磁栅、磁头之间的相对位移与磁栅、磁头之间的相对位移x成正弦（或余成正弦（或余弦）关系弦）关系磁栅式传感器的信号处理方法磁栅式传感器的信号处理方法动态磁头只有一个磁头和一组线圈，利用磁栅与磁头间以一定动态磁头只有一个磁头和一组线圈，利用磁栅与磁头间以一定速度的相对移动读出磁栅上的信号，将此信号
37、进行处理后使用。速度的相对移动读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。检测电路也较为简单。检测电路也较为简单。静态磁头在实际应用中总是成对使用，即用两个间距为的磁头，静态磁头在实际应用中总是成对使用，即用两个间距为的磁头，其中其中n n为正整数，为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间为正整数，为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间相差相差9090。其信号处理方式分为鉴幅和鉴相型两种，其中鉴相。其信号处理方式分为鉴幅和鉴相型两种，其中鉴相型信号处理方式应用广泛，型信号处理方式应用广泛，将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相4545(或把其输出信号移相或把其输出信号移相9090)，
38、则两磁头输出电压分别为则两磁头输出电压分别为1msin(2/)cos2eUx Wt2mcos(2/)sin2eUx Wt两电压相加得总输出电压为两电压相加得总输出电压为 012msin(2/2)eeeUx Wt输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。7.5 7.5 感应同步器感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测装置，在伺服系统中，用于检测机械角位移或直线位移（被测部件偏移基准点的角度和位置），并将其转换成测量电信号。旋转式：用于测量角度；
39、直线式：用于测量长度；有标准型、窄型、带型和三速式。直线感应同步器：定尺：表面制有连续平面绕组，绕组节距为p 滑尺：表面制有两段分段绕组，分别为正弦绕组和余弦绕组，它们相对于定尺绕组在空间错开1/4节距（1/p）。直线感应同步器感应同步器的工作原理感应同步器原理动画演示定尺绕组产生感应电动势原理图定尺绕组产生感应电动势原理图感应同步器工作原理：感应同步器实际上是多极旋转变压器的展开形式，其工作原理与旋转变压器基本一致。在滑尺绕组中通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺绕组中产生感应电动势，其幅值与相位取决于定尺和滑尺的相对位置。1、鉴相方式 给滑尺的sin绕组和cos绕组分别通以幅值相等
40、、频率相等，相位相差90度的交流电压。tUUtUUmcmscossin)sin(0tKUUm则在定尺和滑尺有相对位置差时，定尺绕组中产生感应电势为：px2 可见在一个节距p内，与x是一一对应的，通过测量定尺感应电动势相位差，即可测得定尺和滑尺的位移x当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sint，感应电势为 sincos tUkems式中，k为耦合系数。当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc=Umcost）,感应电势为 sincos tUkemc按叠加原理求得定尺上总感应电动势为)sin(cossinsincostUktUktUkeeemmmcs式中的=2x/称为感应电动势的相位角，它在一个
41、节距W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系，每经过一个节距，变化一个周期（2）。2.鉴幅方式鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量，称为鉴幅型。加到滑尺两绕组的交流励磁电压为 tUutUuccsscoscos式中 Us=Um sin；Uc=Um cos；Um激励电压幅值；给定的电相角。它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为 es=-kUs sint sinec=-kUc sint cos定尺的总感应电势为 e=es+ec=-kUs sint sin+kUc sint cos=-kUm sint(cos cos+sinsin
42、)=-kUm sint cos(+)式中把感应同步器两尺的相对位移x=2/和感应电势的幅值kUm cos(-)联系了起来。感应同步器的特点：精度高精度高：感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。而定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度可以做得很高。工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强：在感应同步器绕组的每个周期内，测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系，不受干扰影响。维护简单，寿命长维护简单，寿命长：定尺和滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单，使用时需加防护
43、罩。测量长度长测量长度长：当测量长度大于250毫米时，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。对环境的适应性较强对环境的适应性较强：因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，还能获得较高的重复精度，另外它是利用电磁感应产生信号，对尺面防护要求较低。成本低，易于生产成本低，易于生产。输出信号较弱输出信号较弱：与旋转变压器相比，感应同步器的输出信号比较微弱，需要一个放大倍数很高的前置放大器。感应同步器位移测量系统感应同步器位移测量系统 图为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。脉冲发生器输出频率一定的
44、脉冲序列，经过脉冲相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波0和指令信号方波1。参考信号方波0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相位差为90的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组激磁。感应同步器定尺绕组中产生的感应电压，经放大和整形后成为反馈信号方波2。指令信号1和反馈信号2同时送给鉴相器，鉴相器既判断2和1相位差的大小，又判断指令信号1的相位超前还是滞后于反馈信号2的相位。鉴相测量方式数字位移测量装置方框图 脉 冲发生器脉冲相位变换激 磁供电线路鉴相器门译码显示可逆计数器放大整形参考信号0sincos感应同步器指令信号1误差信号反馈信号2 假定开始时1=2，当感应同步器的滑尺
45、相对定尺平行移动时，将使定尺绕组中的感应电压的相位2（即反馈信号的相位）发生变化。此时12，由鉴相器判别之后，将有相位差=2-1作为误差信号，由鉴相器输出给门电路。此误差信号控制门电路“开门”的时间，使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过。通过门电路的脉冲，一方面送给可逆计数器去计数并显示出来；另一方面作为脉冲相位变换器的输入脉冲。在此脉冲作用下，脉冲相位变换器将修改指令信号的相位1，使1随2而变化。当1再次与2相等时，误差信号=0，从而门被关闭。当滑尺相对定尺继续移动时，又有=2-1作为误差信号去控制门电路的开启，门电路又有脉冲输出，供可逆计数器去计数和显示，并继续修改指令信号的相位1，使1和2在新的基础上达到1=2。因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中，就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来。
