第2章位移檢測傳感器之磁柵傳感器ppt課件

1、第三節(jié)第三節(jié) 大位移檢測傳感器大位移檢測傳感器一、磁柵位移傳感器一、磁柵位移傳感器磁柵式傳感器的分類、組成磁柵式傳感器的分類、組成n磁柵式位移傳感器根據(jù)用途可分為長磁柵磁柵式位移傳感器根據(jù)用途可分為長磁柵和圓磁柵位移傳感器，分別用于測量線位和圓磁柵位移傳感器，分別用于測量線位移和角位移。移和角位移。n磁柵傳感器是由磁柵磁尺）、磁頭、檢磁柵傳感器是由磁柵磁尺）、磁頭、檢測電路組成如下圖所示）測電路組成如下圖所示）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)磁頭去信號(hào)處理電去信號(hào)處理電路路固定孔固定孔磁尺磁尺磁柵

2、外觀圖磁柵外觀圖磁頭磁頭 磁柵上錄有等間距的磁信號(hào)，它是利用磁帶錄磁柵上錄有等間距的磁信號(hào)，它是利用磁帶錄音的原理將一定波長的電信號(hào)音的原理將一定波長的電信號(hào)( (正弦波或矩形波正弦波或矩形波) )用用錄磁即用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一錄磁即用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一周期性信號(hào)，以剩磁的形式保留在磁尺上，這樣磁周期性信號(hào)，以剩磁的形式保留在磁尺上，這樣磁尺上錄上一定波長的磁信號(hào)的方法記錄在磁性尺尺上錄上一定波長的磁信號(hào)的方法記錄在磁性尺子或圓盤上而制成的。子或圓盤上而制成的。 裝有磁柵傳感器的儀器或裝置工作時(shí)，磁頭相對裝有磁柵傳感器的儀器或裝置工作時(shí)，磁頭相對于磁柵有一定的相

3、對位置，在這個(gè)過程中，磁頭把于磁柵有一定的相對位置，在這個(gè)過程中，磁頭把磁柵上的磁信號(hào)讀出來，這樣就把被測位置或位移磁柵上的磁信號(hào)讀出來，這樣就把被測位置或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 磁柵式傳感器的測試原理磁柵式傳感器的測試原理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（一磁柵n磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基，磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基， 在尺基的上面鍍在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，經(jīng)過錄磁即用錄音磁頭一層均勻的磁性薄膜，經(jīng)過錄磁即用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一周期性信號(hào)，以剩沿長度方向按一定波長記錄一周期性信號(hào)

4、，以剩磁的形式保留在磁尺上，這樣磁尺上錄上一定波磁的形式保留在磁尺上，這樣磁尺上錄上一定波長的磁信號(hào)），磁尺的磁化圖形排成長的磁信號(hào)），磁尺的磁化圖形排成SN、NS狀狀態(tài)。態(tài)。n磁信號(hào)的波長周期又稱節(jié)距，磁信號(hào)的波長周期又稱節(jié)距， 用用表示。表示。 磁磁信號(hào)的極性是首尾相接，信號(hào)的極性是首尾相接， 在在N、 N重疊處為正的重疊處為正的最強(qiáng)，最強(qiáng)， 在在S、S重疊處為負(fù)的最強(qiáng)。重疊處為負(fù)的最強(qiáng)。 磁尺的的斷磁尺的的斷面和磁化圖形如下圖所示。面和磁化圖形如下圖所示。1磁頭磁頭 2磁柵磁柵 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5軟墊軟墊圓磁柵傳感器圓磁柵傳感器幾種常見磁柵的結(jié)構(gòu)幾種常見磁柵的結(jié)構(gòu) 大尺寸磁柵

5、尺外形圖大尺寸磁柵尺外形圖 磁柵上的磁信號(hào)先由錄磁頭錄好，磁柵上的磁信號(hào)先由錄磁頭錄好，再由讀取磁頭讀出，按讀取信號(hào)方式的再由讀取磁頭讀出，按讀取信號(hào)方式的不同，磁頭可分為不同，磁頭可分為靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭為非調(diào)制式磁頭，又稱速度響應(yīng)式磁頭，只有一動(dòng)態(tài)磁頭為非調(diào)制式磁頭，又稱速度響應(yīng)式磁頭，只有一個(gè)繞組，當(dāng)磁頭沿磁柵作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)才有信號(hào)輸出。輸出個(gè)繞組，當(dāng)磁頭沿磁柵作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)才有信號(hào)輸出。輸出為正弦波，在為正弦波，在N、N重迭處輸出正信號(hào)最強(qiáng)，在重迭處輸出正信號(hào)最強(qiáng)，在S、S重迭重迭處負(fù)信號(hào)最強(qiáng)。（錄音機(jī)上的磁頭就是速度響應(yīng)式磁頭，處負(fù)信號(hào)最強(qiáng)。（錄音機(jī)

6、上的磁頭就是速度響應(yīng)式磁頭，只有在磁頭和磁帶有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)才能檢測出磁信號(hào)）只有在磁頭和磁帶有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)才能檢測出磁信號(hào)）1磁頭；2磁柵；3輸出波形 動(dòng)態(tài)磁頭的工作原理 靜止時(shí)就沒有信號(hào)輸出。因此它只能用于動(dòng)態(tài)測量。 靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭是調(diào)制式磁頭，又稱磁通響應(yīng)式磁頭。該磁頭有兩個(gè)繞組，一為勵(lì)磁繞組，另一為輸出繞組。u勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上u輸出繞組輸出繞組繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上它與動(dòng)態(tài)磁頭的根本不同之處在于，在磁頭與磁它與動(dòng)態(tài)磁頭的根本不同之處在于，在磁頭與磁柵之間沒有相對運(yùn)動(dòng)的情況下也有信號(hào)輸出。柵之間

7、沒有相對運(yùn)動(dòng)的情況下也有信號(hào)輸出。當(dāng)磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變當(dāng)磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變化，輸出感應(yīng)電動(dòng)勢。化，輸出感應(yīng)電動(dòng)勢。靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭的工作原理靜態(tài)磁頭的工作原理 1磁頭；磁頭；2磁柵；磁柵；3輸出波形輸出波形N1N1為勵(lì)磁繞組，為勵(lì)磁繞組，N2N2為感應(yīng)輸出繞組。為感應(yīng)輸出繞組。在勵(lì)磁繞組中通入在勵(lì)磁繞組中通入高頻的勵(lì)磁電流，高頻的勵(lì)磁電流，一般頻率為一般頻率為5kHz5kHz或或25kHz25kHz， 幅值約為幅值約為200 mA200 mA。工作原理靜態(tài)）工作原理靜態(tài)）n勵(lì)磁繞組起磁路開關(guān)作用勵(lì)磁繞組起磁路開關(guān)作用n 當(dāng)勵(lì)磁繞組當(dāng)勵(lì)磁繞組N1N

8、1不通電流時(shí)，磁路處于不不通電流時(shí)，磁路處于不飽和狀態(tài)，磁柵上的磁力線通過磁頭鐵心而閉飽和狀態(tài)，磁柵上的磁力線通過磁頭鐵心而閉合。合。n 如果在勵(lì)磁繞組中通入交變電流如果在勵(lì)磁繞組中通入交變電流i=i0sinti=i0sint，當(dāng)交變電流，當(dāng)交變電流i i的瞬時(shí)值達(dá)到某一的瞬時(shí)值達(dá)到某一個(gè)幅值時(shí)，橫桿上的鐵心材料飽和，這時(shí)磁阻個(gè)幅值時(shí)，橫桿上的鐵心材料飽和，這時(shí)磁阻很大，而使磁路很大，而使磁路“斷開斷開”，磁柵上的磁通就不，磁柵上的磁通就不能在磁頭鐵心中通過。反之，當(dāng)交變電流能在磁頭鐵心中通過。反之，當(dāng)交變電流i i的的瞬時(shí)值小于某一數(shù)值時(shí)，橫桿上的鐵心材料不瞬時(shí)值小于某一數(shù)值時(shí)，橫桿上的鐵心

9、材料不飽和，這時(shí)磁阻也降低得很小，磁路被飽和，這時(shí)磁阻也降低得很小，磁路被“接接通通”，則磁柵上的剩磁通就可以在磁頭鐵心中，則磁柵上的剩磁通就可以在磁頭鐵心中通過。由此可見，勵(lì)磁線圈的作用相當(dāng)于磁開通過。由此可見，勵(lì)磁線圈的作用相當(dāng)于磁開關(guān)。關(guān)。工作原理靜態(tài)）工作原理靜態(tài)）n磁感應(yīng)強(qiáng)度決定于磁頭與磁柵的相對位置。磁感應(yīng)強(qiáng)度決定于磁頭與磁柵的相對位置。 隨著激勵(lì)交變電流的變化，可飽和鐵心這一磁隨著激勵(lì)交變電流的變化，可飽和鐵心這一磁路開關(guān)不斷地路開關(guān)不斷地“通通和和“斷斷”，進(jìn)入磁頭的剩磁通，進(jìn)入磁頭的剩磁通就時(shí)有時(shí)無。這樣，在磁頭鐵心的繞組就時(shí)有時(shí)無。這樣，在磁頭鐵心的繞組N2中就產(chǎn)中就產(chǎn)生感

10、應(yīng)電勢，主要與磁頭在磁柵上所處的位置有關(guān)，生感應(yīng)電勢，主要與磁頭在磁柵上所處的位置有關(guān)，而與磁頭和磁柵之間的相對速度關(guān)系不大。而與磁頭和磁柵之間的相對速度關(guān)系不大。n感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率為勵(lì)磁電流頻率的兩倍感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率為勵(lì)磁電流頻率的兩倍n 勵(lì)磁電流在一個(gè)周期內(nèi)兩次過零，勵(lì)磁電流在一個(gè)周期內(nèi)兩次過零，兩兩 次出現(xiàn)峰值。只要電流幅值超過某一額次出現(xiàn)峰值。只要電流幅值超過某一額定值，它產(chǎn)生的正向或反向磁場均可使磁定值，它產(chǎn)生的正向或反向磁場均可使磁頭的鐵心飽和，這樣，在它變化一個(gè)周期，頭的鐵心飽和，這樣，在它變化一個(gè)周期，鐵心飽和兩次，相應(yīng)的磁開關(guān)通斷兩次。鐵心飽和兩次，相應(yīng)的磁開關(guān)通斷兩次。磁路

11、在由通到斷的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中的磁路在由通到斷的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中的交鏈磁通量由交鏈磁通量由0變化到變化到0；磁路在由斷到；磁路在由斷到通的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中的交鏈磁通量由通的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中的交鏈磁通量由0 變化到變化到0 ； 0由磁性標(biāo)尺中的磁信號(hào)決由磁性標(biāo)尺中的磁信號(hào)決定，因此輸出線圈中輸出的是一個(gè)調(diào)幅信定，因此輸出線圈中輸出的是一個(gè)調(diào)幅信號(hào)。號(hào)。tUUtUUiicossinmm或勵(lì)磁電壓為勵(lì)磁電壓為: :v當(dāng)磁頭不動(dòng)時(shí)，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余當(dāng)磁頭不動(dòng)時(shí)，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余弦電壓信號(hào)，其頻率仍為勵(lì)磁電壓的頻率，其幅值弦電壓信號(hào)，其頻率仍為勵(lì)磁電壓的頻率，其幅值與磁頭所

12、處的位置有關(guān)。與磁頭所處的位置有關(guān)。n當(dāng)磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變當(dāng)磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變化。由于剩磁形成的磁場強(qiáng)度按正弦波變化，化。由于剩磁形成的磁場強(qiáng)度按正弦波變化，從而獲取調(diào)制波，輸出繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢從而獲取調(diào)制波，輸出繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢靜態(tài)磁頭的工作原理靜態(tài)磁頭的工作原理 tsUEsin2sinm1EE輸出線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢；輸出線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢；UmUm輸出線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢峰值；輸出線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢峰值；磁尺剩余信號(hào)的波長磁化信號(hào)節(jié)距）；磁尺剩余信號(hào)的波長磁化信號(hào)節(jié)距）；ss磁頭對磁性標(biāo)尺的位移量；磁頭對磁性標(biāo)尺的位移量；輸出線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的頻

13、率，是激磁電流輸出線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率，是激磁電流I I的頻率的的頻率的2 2倍。倍。 E和磁性標(biāo)尺與磁頭相對速度無關(guān)，而是由位移量和磁性標(biāo)尺與磁頭相對速度無關(guān)，而是由位移量S決定的決定的 根據(jù)磁柵和磁頭相對移動(dòng)讀出磁柵上的信號(hào)的不同，所根據(jù)磁柵和磁頭相對移動(dòng)讀出磁柵上的信號(hào)的不同，所采用的信號(hào)處理方式也不同。采用的信號(hào)處理方式也不同。 動(dòng)態(tài)磁頭只有一組繞組，其輸出信號(hào)為正弦波，信號(hào)的處理方法也比較簡單，只要將輸出信號(hào)放大整形，然后由計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)n，就可以測量出位移量的大小。但這種方法測量精度較低，而且不能判別移動(dòng)方向。 ns 靜態(tài)磁頭一般用兩個(gè)，雙磁頭是為了識(shí)別靜態(tài)磁頭一般用兩個(gè)，雙磁頭

14、是為了識(shí)別磁柵的移動(dòng)方向而設(shè)置的，二者之間間距為磁柵的移動(dòng)方向而設(shè)置的，二者之間間距為(n(n土土1/4)1/4)，( (其中其中n n為正整數(shù)為正整數(shù), , 為磁信號(hào)為磁信號(hào)節(jié)距節(jié)距) )，也就是兩個(gè)磁頭布置成相位差，也就是兩個(gè)磁頭布置成相位差9090關(guān)關(guān)系，即兩者空間相位差系，即兩者空間相位差9090。 信號(hào)處理方式可分為鑒幅方式和鑒信號(hào)處理方式可分為鑒幅方式和鑒相方式兩種。相方式兩種。鑒幅法鑒幅法 若兩磁頭的激勵(lì)磁繞組加上同相的正弦激勵(lì)磁信號(hào)若兩磁頭的激勵(lì)磁繞組加上同相的正弦激勵(lì)磁信號(hào)tsUEsin2sinm1tsUEsin2cosm2sUE2sinm1sUE2cosm2經(jīng)濾除高頻載波后

15、，得到與位移量經(jīng)濾除高頻載波后，得到與位移量S S成比例的信號(hào)為：成比例的信號(hào)為：tUUisinm1則兩磁頭的輸出信號(hào)為則兩磁頭的輸出信號(hào)為它是利用輸出信號(hào)幅值大小來反映磁頭的位移量或磁尺相對位置的信號(hào)處理方式。它是利用輸出信號(hào)幅值大小來反映磁頭的位移量或磁尺相對位置的信號(hào)處理方式。鑒相法鑒相法 若兩磁頭的激勵(lì)磁繞組上施加相位差為若兩磁頭的激勵(lì)磁繞組上施加相位差為/4的正弦激勵(lì)信的正弦激勵(lì)信號(hào)，則兩磁頭輸出信號(hào)變?yōu)椋禾?hào)，則兩磁頭輸出信號(hào)變?yōu)椋簍sUEcos2sinm1tsUEsin2cosm2tsUEEE2sinm21n將兩個(gè)輸出線圈差動(dòng)連接，則輸出電動(dòng)勢為將兩個(gè)輸出線圈差動(dòng)連接，則輸出電動(dòng)勢

16、為 上式表明：鑒相處理后，電動(dòng)勢上式表明：鑒相處理后，電動(dòng)勢E的幅值是常數(shù)，相位的幅值是常數(shù)，相位正比于位移量正比于位移量x，用電子線路判斷相位角，即可獲得位，用電子線路判斷相位角，即可獲得位移量及位移的方向。移量及位移的方向。它是利用輸出信號(hào)的相位大小反映磁頭的位移量或磁尺相對位置的信號(hào)處理方式它是利用輸出信號(hào)的相位大小反映磁頭的位移量或磁尺相對位置的信號(hào)處理方式磁柵式傳感器特點(diǎn)：磁柵式傳感器特點(diǎn)：磁柵位移傳感器有較高精度，目前可以作到系統(tǒng)磁柵位移傳感器有較高精度，目前可以作到系統(tǒng)精度達(dá)精度達(dá)0.01mm/m0.01mm/m分辨力為分辨力為1 15 5m m但磁信號(hào)的均勻性和穩(wěn)定性對磁柵式位移測量的但磁信號(hào)的均勻性和穩(wěn)定性對磁柵式位移測量的精度影響較大。精度影響較大。18、磁柵式位移傳感器可分為測量線位移的、磁柵式位移傳感器可分為測量線位移的長磁柵和測量角位移（長磁柵和測量角位移（ ）（單一）（單一）18、磁柵式位移傳感器可分為測量線位移的、磁柵式位移傳感器可分為測量線位移的長磁柵和測量角位移圓磁柵）長磁柵和測量角位移圓磁柵）31、磁柵式位移傳感器測量位移時(shí)，其輸出、磁柵式位移傳感器測量位移時(shí)，其輸出電動(dòng)勢為模擬二）電動(dòng)勢為模擬二）),2si