第十章_磁柵式傳感器

1、10.2 磁柵式傳感器磁柵式傳感器磁柵優(yōu)點：磁柵優(yōu)點：價格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；價格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長；測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長；易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強。易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強。大尺寸磁柵尺外形圖大尺寸磁柵尺外形圖一、磁柵的組成及類型一、磁柵的組成及類型 1磁柵的組成磁柵的組成 磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測電路磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測電路組成。組成。 l磁尺；磁尺；2尺基；尺基；3磁性薄膜；磁性薄膜；4鐵心；鐵心；5磁頭磁頭磁柵的外形及結(jié)構(gòu)圖磁柵的外形及結(jié)構(gòu)圖磁尺磁尺靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭

2、去信號處理電去信號處理電路路固定孔固定孔2磁柵的類型磁柵的類型長磁柵長磁柵圓磁柵圓磁柵（測量直線位移）（測量直線位移）（測量角位移）（測量角位移）尺形尺形帶形帶形同軸形同軸形1磁頭磁頭 2磁柵磁柵 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5軟墊軟墊磁尺磁尺磁柵外觀圖磁柵外觀圖磁頭磁頭德國德國SIKO 磁柵尺磁柵尺磁頭與磁頭與磁尺相磁尺相對運動對運動時的輸時的輸出波形出波形二、磁柵傳感器的工作原理二、磁柵傳感器的工作原理 1基本工作原理基本工作原理磁柵傳感器工作原理動畫演示磁柵傳感器工作原理動畫演示磁柵傳感器由磁柵（簡稱磁尺）、 磁頭和檢測電路組成。 磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基， 在尺基的上面鍍一層均勻的磁

3、性薄膜， 然后錄上一定波長的磁信號而制成的。 磁信號的波長（周期）又稱節(jié)距， 用W表示。 磁信號的極性是首尾相接， 在N、 N重疊處為正的最強， 在S、S重疊處為負的最強。 磁尺的斷面和磁化圖形如圖所示。 1基本工作原理基本工作原理圖圖5-4-1 5-4-1 磁柵傳感器示意圖磁柵傳感器示意圖這里以靜態(tài)磁頭為例，簡要說明磁柵傳感器的工作原理。 靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)如上圖所示，它有兩組繞組N1和N2。其中， N1為勵磁繞組，N2為感應(yīng)輸出繞組。在勵磁繞組中通入交變的勵磁電流，一般頻率為5 kHz或25 kHz， 幅值約為200 mA。 勵磁電流使磁芯的可飽和部分（截面較?。┰诿恐芷趦?nèi)發(fā)生兩次磁飽和。磁飽

4、和時磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。只有在勵磁電流每周兩次過零時，可飽和磁芯才能導(dǎo)磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e?？梢姼袘?yīng)電動勢的頻率為勵磁電流頻率的兩倍，而e的包絡(luò)線反映了磁頭與磁尺的位置關(guān)系，其幅值與磁柵到磁芯漏磁通的大小成正比。 式中：式中：Em感應(yīng)電勢的幅值感應(yīng)電勢的幅值 W磁柵信號的節(jié)距磁柵信號的節(jié)距 x機械位移量機械位移量 tWxEEmsin2cos 磁頭輸出的電勢信號經(jīng)檢波，保留其基波成磁頭輸出的電勢信號經(jīng)檢波，保留其基波成分，可用下式表示：分，可用下式表示：2信號處理方式信號處理方式 當兩只磁頭勵磁線圈加上同一勵磁電流時，當兩

5、只磁頭勵磁線圈加上同一勵磁電流時，兩磁頭輸出繞組的輸出信號為：兩磁頭輸出繞組的輸出信號為：tWxEEmsin2cos1tWxEEmsin2sin2Wx2xWx2式中：式中： 機械位移相角，機械位移相角， 圖圖5-4-35-4-3雙磁頭結(jié)構(gòu)雙磁頭結(jié)構(gòu) 雙磁頭是為了識別磁柵的移動方向而設(shè)置的，雙磁頭是為了識別磁柵的移動方向而設(shè)置的，其結(jié)構(gòu)如圖其結(jié)構(gòu)如圖5-4-3所示。兩磁頭按所示。兩磁頭按(m14)配置配置（m為正整數(shù)），它們的輸出電壓分別是為正整數(shù)），它們的輸出電壓分別是 為增大輸出，實際使用時常采用多間隙磁頭。為增大輸出，實際使用時常采用多間隙磁頭。多間隙磁頭的輸出是許多個間隙磁頭所取得信號的

6、多間隙磁頭的輸出是許多個間隙磁頭所取得信號的平均值，有平均效應(yīng)作用，因而可提高測量精度。平均值，有平均效應(yīng)作用，因而可提高測量精度。 圖圖5-4-45-4-4雙磁頭結(jié)構(gòu)雙磁頭結(jié)構(gòu) 將第二個磁頭的電壓讀出信號移相將第二個磁頭的電壓讀出信號移相900，兩磁，兩磁頭的輸出信號則變?yōu)椋侯^的輸出信號則變?yōu)椋?將兩路輸出相加，則獲得總輸出：將兩路輸出相加，則獲得總輸出： tWxEEmsin2cos1tWxEEmcos2sin2)2sin(WxtEEm（1）鑒相方式）鑒相方式 磁尺與磁頭接觸，使用壽命磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。不如光柵，數(shù)年后易退磁。設(shè)置兩個磁頭的設(shè)置兩個磁頭的意義何在

7、？意義何在？ 利用輸出信號的幅值大小來反映磁頭的位移利用輸出信號的幅值大小來反映磁頭的位移量或與磁尺的相對位置的信號處理方式。經(jīng)檢波量或與磁尺的相對位置的信號處理方式。經(jīng)檢波器去掉高頻載波后可得器去掉高頻載波后可得 ： （2）鑒幅方式）鑒幅方式 WxEEm2cos1 WxEEm2sin2 與光柵的信號辨向、細分一致。與光柵的信號辨向、細分一致。鑒幅型磁柵傳感器的原理框圖鑒幅型磁柵傳感器的原理框圖 磁柵數(shù)顯裝置的結(jié)構(gòu)示意圖磁柵數(shù)顯裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1磁性標尺磁性標尺 2磁頭磁頭 3固定塊固定塊 4尺體安裝孔尺體安裝孔 5泡沫墊泡沫墊 6滑板安裝孔滑板安裝孔 7磁頭連接板磁頭連接板 8滑板滑板三、磁

8、柵數(shù)顯裝置三、磁柵數(shù)顯裝置 國產(chǎn)磁柵數(shù)顯裝置的國產(chǎn)磁柵數(shù)顯裝置的LSI芯片組成：芯片組成： 1磁頭放大器（磁頭放大器（SF023）2磁尺檢測專用集成芯片（磁尺檢測專用集成芯片（SF6114）主要功能：兩輸入信號的放大；通道主要功能：兩輸入信號的放大；通道B信號移相信號移相 900；通道；通道A和通道和通道B信號求和放大；補信號求和放大；補 償兩只磁頭特性所需的調(diào)整和來自數(shù)顯償兩只磁頭特性所需的調(diào)整和來自數(shù)顯 表供給兩只磁頭的勵磁信號。表供給兩只磁頭的勵磁信號。 主要功能：對磁尺勵磁信號的低通濾波和功率放大；主要功能：對磁尺勵磁信號的低通濾波和功率放大； 供給磁頭的勵磁信號；對放大器輸出信號供給

9、磁頭的勵磁信號；對放大器輸出信號 經(jīng)濾波后進行放大、限幅、整形為矩形經(jīng)濾波后進行放大、限幅、整形為矩形 波；接受反饋信號對磁尺檢出信號進行相波；接受反饋信號對磁尺檢出信號進行相 位微調(diào)。位微調(diào)。 4可逆計數(shù)芯片（可逆計數(shù)芯片（WK50395）3磁尺細分專用集成芯片（磁尺細分專用集成芯片（SIM011）主要功能：對磁尺的節(jié)距主要功能：對磁尺的節(jié)距W200m實現(xiàn)實現(xiàn)200或或40 或或20等分的電氣細分，從而獲得等分的電氣細分，從而獲得1、5、 10m的分辨力（最小顯示值）。的分辨力（最小顯示值）。 該芯片帶有比較寄存器和鎖存器的該芯片帶有比較寄存器和鎖存器的P溝道溝道MOS六位十進制同步可逆計數(shù)

10、六位十進制同步可逆計數(shù)/顯示驅(qū)動器。可以逐位顯示驅(qū)動器?？梢灾鹞挥糜肂CD碼置數(shù)，及有異步清零功能。碼置數(shù)，及有異步清零功能。 1磁柵測量系統(tǒng)磁柵測量系統(tǒng)壓板壓板磁頭磁頭磁尺磁尺四、磁柵式傳感器的應(yīng)用四、磁柵式傳感器的應(yīng)用 數(shù)顯數(shù)顯磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁尺2應(yīng)用實例應(yīng)用實例 54 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器與角度數(shù)顯表外形圖圓感應(yīng)同步器與角度數(shù)顯表外形圖（參考航天數(shù)顯中心）（參考航天數(shù)顯中心）優(yōu)點：具有精度高、抗干擾能力強、工作可靠、優(yōu)點：具有精度高、抗干擾能力強、工作可靠、對工作環(huán)境要求低、維護方便、壽命長、制造對工作環(huán)境要求低、維護方便、壽命長、制

11、造工藝簡單。工藝簡單。用途：可用來測量直線或轉(zhuǎn)角位移。用途：可用來測量直線或轉(zhuǎn)角位移。分類：測量直線位移的稱長感應(yīng)同步器，測量分類：測量直線位移的稱長感應(yīng)同步器，測量轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應(yīng)同步器。轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應(yīng)同步器。 一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類型一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類型 圓盤式感應(yīng)同步器示意圖圓盤式感應(yīng)同步器示意圖直線式感應(yīng)同步器示意圖直線式感應(yīng)同步器示意圖1結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)定尺與滑尺繞組關(guān)系圖定尺與滑尺繞組關(guān)系圖 感應(yīng)同步器的解剖圖感應(yīng)同步器的解剖圖2類型類型直線式直線式旋轉(zhuǎn)式（圓盤式）旋轉(zhuǎn)式（圓盤式）帶型帶型 標準型標準型窄型窄型直線式感應(yīng)同步器的尺寸和精度一覽表直線式感應(yīng)同步器的尺寸和精度一覽

12、表 種種 類類定尺尺寸定尺尺寸（mmmm）滑尺尺寸滑尺尺寸（mmmm）測量周期測量周期（mmmm）精度精度(m)(m)標準型標準型250589.5100739.521.52.5窄窄 型型250309.574359.522.55帶帶 型型(2002000)19210帶型感應(yīng)同步器外形圖帶型感應(yīng)同步器外形圖（參考東方仿真）（參考東方仿真）二、感應(yīng)同步器的工作原理二、感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器原理動畫演示感應(yīng)同步器原理動畫演示 在定尺繞組上加上激勵電流，于是滑尺繞組在定尺繞組上加上激勵電流，于是滑尺繞組中便產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其值為中便產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其值為 tKUdtdiKEmcos 設(shè)感應(yīng)線圈設(shè)感應(yīng)

13、線圈 A的中心從勵磁線圈中心右移的的中心從勵磁線圈中心右移的距離為距離為x ，則感應(yīng)電動勢為，則感應(yīng)電動勢為 2sincosmxEEtW上式中：上式中：Em=K0UmK主要主要與兩繞組的相對位置等因素有關(guān)與兩繞組的相對位置等因素有關(guān)如圖滑尺繞組有如圖滑尺繞組有兩組，相差兩組，相差1/4個個周期，則有周期，則有tWxEEmScos2sintWxEEmCcos2cosF從勵磁形式來說一般可分為二大類：從勵磁形式來說一般可分為二大類：一類是以滑尺一類是以滑尺(或轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子)勵磁，由定尺勵磁，由定尺(或定子或定子)取感取感應(yīng)電動勢，應(yīng)電動勢，另一類則相反。另一類則相反。F依信號處理方式而言，一般可分為

14、鑒相型、鑒幅依信號處理方式而言，一般可分為鑒相型、鑒幅型和脈沖調(diào)寬型三種，而脈沖調(diào)寬型本質(zhì)上也是一型和脈沖調(diào)寬型三種，而脈沖調(diào)寬型本質(zhì)上也是一種鑒幅。種鑒幅。1鑒相方式鑒相方式 在滑尺的正弦、余弦繞組上供給幅值和頻在滑尺的正弦、余弦繞組上供給幅值和頻率相同、相位差率相同、相位差900的勵磁電壓的勵磁電壓us和和uc，兩個勵，兩個勵磁繞組在定尺繞組上感應(yīng)電勢分別為：磁繞組在定尺繞組上感應(yīng)電勢分別為：tWxEEmScos2sintWxEEmCsin2cos定尺上的總感應(yīng)電勢為：定尺上的總感應(yīng)電勢為：2sin()ScmxEEEEtW2鑒幅方式鑒幅方式 在滑尺的正弦、余弦繞組上供以同頻、反相，在滑尺的正弦、余弦繞組上供以同頻、反相，但幅值不等的交流勵磁電壓但幅值不等的交流勵磁電壓us和和uc，即：，即：tUuScoscostUuCcossin兩個勵磁繞組在定尺上感應(yīng)電勢分別為：兩個勵磁繞組在定尺上感應(yīng)電勢分別為：tWxUKESsin2sincos0tWxUKECsin2cossin0定尺上的總