磁尺位置檢測位置

會計學(xué)1磁尺位置檢測位置旋轉(zhuǎn)變壓器定義和組成工作原理在定子上加勵磁電壓，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。應(yīng)用測量角度差、利用旋轉(zhuǎn)變壓器求反三角函數(shù)。是一種控制用的微電機，將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角成某一函數(shù)關(guān)系的電信號。由定子和轉(zhuǎn)子組成。第1頁/共52頁磁尺位置檢測裝置主要內(nèi)容磁的基礎(chǔ)知識磁性標尺和磁頭磁尺的工作原理磁柵式傳感器的組成和分類磁尺檢測的應(yīng)用磁尺的檢測電路第2頁/共52頁一、磁的基礎(chǔ)知識常見的磁現(xiàn)象磁現(xiàn)象在日常生活中往往不被人們注意。但實際上我們的生活每時每刻都和它有關(guān)。在現(xiàn)代的生產(chǎn)、科學(xué)研究和日常生活里，大到磁懸浮列車、航天探測，小到電話、收音機，無不與磁現(xiàn)象有關(guān)。軍事領(lǐng)域的磁應(yīng)用第3頁/共52頁公元19世紀，近代物理學(xué)大發(fā)展，電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)等相繼被發(fā)現(xiàn)和研究，同時磁性材料的理論出現(xiàn)，涌現(xiàn)出了象法拉第、安培、韋伯、高斯、奧斯特、麥克絲韋、赫茲等大批現(xiàn)代電磁學(xué)大師。人類很早就認識到了磁現(xiàn)象，磁學(xué)是一個歷史悠久的研究領(lǐng)域。公元前世紀，中國發(fā)明了司南。

第4頁/共52頁磁鐵總有兩個磁極，一個是N極，另一個是S極。一塊磁鐵，如果從中間鋸開，它就變成了兩塊磁鐵，它們各有一對磁極。不論把磁鐵分割得多么小，它總是有N極和S極，也就是說N極和S極總是成對出現(xiàn)，無法讓一塊磁鐵只有N極或只有S極。

磁極之間有相互作用，即同性相斥、異性相吸。也就是說，N極和S極靠近時會相互吸引，而N極和N極靠近時會互相排斥。知道了這一點，我們就明白了為什么指南針會自動指示方向。第5頁/共52頁磁性的來源物質(zhì)的磁性來源于物質(zhì)原子中的電子。電子除了繞著原子核公轉(zhuǎn)以外，自己還有自轉(zhuǎn)（叫做自旋），跟地球的情況差不多。一個原子就象一個小小的“太陽系”。在原子中，核外電子帶有負電荷，是一種帶電粒子。電子的自轉(zhuǎn)會使電子本身具有磁性，成為一個小小的磁鐵，具有N極和S極。

在一些數(shù)物質(zhì)中，具有向上自轉(zhuǎn)和向下自轉(zhuǎn)的電子數(shù)目一樣多，如下圖所示，它們產(chǎn)生的磁極會互相抵消，整個原子，以至于整個物體對外沒有磁性。只有少數(shù)物質(zhì)（例如鐵、鈷、鎳），它們的原子內(nèi)部電子在不同自轉(zhuǎn)方向上的數(shù)量不一樣，這樣，在自轉(zhuǎn)相反的電子磁極互相抵消以后，還剩余一部分電子的磁矩沒有被抵消，如下圖所示。這樣，整個原子具有總的磁矩。這些原子磁矩之間被整齊地排列起來，整個物體也就有了磁性。

第6頁/共52頁磁力線怎樣表示物質(zhì)磁性的強弱呢？為什么吸鐵石并沒有接觸鋼鐵就可以吸引它？在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，并且讓它們的S極相對。紙板上面撒一些細的鐵粉末?？磿l(fā)生什么現(xiàn)象？鐵的粉末會自動排列起來，形成一串串曲線的樣子。第7頁/共52頁磁場有了磁力線，我們就可以很方便地描述磁鐵之間的相互作用。但是必須明白，磁力線是我們?yōu)榱死斫夥奖愣傧氲?，實際上并不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質(zhì)的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道，物質(zhì)之間存在萬有引力，它是一種引力場。磁場與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力線數(shù)量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱。單位截面上穿過的磁力線數(shù)目稱為磁通量密度。第8頁/共52頁電和磁是不可分割的，它們始終交織在一起。簡單地說，就是電生磁、磁生電。如果一條直的金屬導(dǎo)線通過電流，那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場。導(dǎo)線中流過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強。磁場成圓形，圍繞導(dǎo)線周圍。磁場的方向可以根據(jù)“右手定則”來確定：將右手拇指伸出，其余四指并攏彎向掌心。這時，拇指的方向為電流方向，而其余四指的方向是磁場的方向。如果將一條長長的金屬導(dǎo)線在一個空心筒上沿一個方向纏繞起來，形成的物體我們稱為螺線管。如果使這個螺線管通電，那么會怎樣？通電以后，螺線管的每一匝都會產(chǎn)生磁場，磁場的方向如圖中的圓形箭頭所示。第9頁/共52頁電動機核喇叭的基本原理。第10頁/共52頁磁生電

如果把一個螺線管兩端接上檢測電流的檢流計，在螺線管內(nèi)部放置一根磁鐵。當(dāng)把磁鐵很快地抽出螺線管時，可以看到檢流計指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而且磁鐵抽出的速度越快，檢流計指針偏轉(zhuǎn)的程度越大。同樣，如果把磁鐵插入螺線管，檢流計也會偏轉(zhuǎn)，但是偏轉(zhuǎn)方向和抽出時相反。線圈中的感生電動勢的大小與線圈內(nèi)部磁通量的變化率成正比。這稱為法拉第定律。

變化的磁場可以在線圈中感應(yīng)出電流，這就是發(fā)電機和麥克風(fēng)的基本原理。第11頁/共52頁磁的各種物理效應(yīng)

磁場電效應(yīng)

對通以電流的鐵磁體再施加磁場，鐵磁體中的電位差發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁場電效應(yīng)。其中具有代表性的有磁電阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)。

磁光效應(yīng)

磁性物質(zhì)在外磁場作用下或磁狀態(tài)變化時，對在該物質(zhì)中傳播或發(fā)射（吸收）的光特性發(fā)生影響的現(xiàn)象，成為磁光效應(yīng)。強磁性材料的磁光效應(yīng)最為顯著。

磁熱效應(yīng)

順磁和鐵磁體在絕熱條件下磁化，由外磁場引起磁化狀態(tài)改變而發(fā)生的可逆溫度變化現(xiàn)象，稱為磁熱效應(yīng)。第12頁/共52頁1．磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺生活中的磁尺應(yīng)用數(shù)顯第13頁/共52頁磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺2．應(yīng)用實例第14頁/共52頁磁尺位置檢測裝置二、磁尺的概念及介紹也叫磁柵，是一種高精度的位置檢測裝置，可用于檢測長度和角度。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；易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強。概念：磁柵優(yōu)點第15頁/共52頁磁尺位置檢測裝置在油污和粉塵較多的工作環(huán)境下使用具有較好的穩(wěn)定性。磁尺是近年來發(fā)展起來的新型檢測元件，與其他類型的檢測元件相比，具有精度高安裝調(diào)試方便，以及對適用條件要求較低等一系列優(yōu)點，因而在大型機床的數(shù)字檢測中，自動化機床的自動控制以及軋壓機的定位控制等方面得到廣泛的應(yīng)用。第16頁/共52頁大尺寸磁柵尺外形圖第17頁/共52頁三、磁尺的組成1．磁尺的結(jié)構(gòu)磁尺是由磁性標尺、磁頭、檢測電路組成。第18頁/共52頁工作原理：

利用錄磁原理工作——先用磁頭將一定周期變化的方波、正弦波或者脈沖信號錄制在磁性標尺上，作為測量基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉(zhuǎn)化成電信號，在送到檢測電路中之后，把磁頭相對于磁性標尺的位移量用數(shù)字顯示出來，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。第19頁/共52頁磁尺的外形及結(jié)構(gòu)圖磁性標尺靜態(tài)磁頭去信號處理電路固定孔第20頁/共52頁磁尺磁柵外觀圖磁頭第21頁/共52頁（二）磁頭

磁柵上的磁信號先由錄磁頭錄好，再由讀取磁頭讀出，按讀取信號方式的不同，磁頭可分為靜態(tài)磁頭動態(tài)磁頭第22頁/共52頁動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭為非調(diào)制式磁頭，又稱速度響應(yīng)式磁頭，只有一個繞組，當(dāng)磁頭沿磁柵作相對運動時才有信號輸出。輸出為正弦波，在N、N重迭處輸出正信號最強，在S、S重迭處負信號最強。（錄音機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動時才能檢測出磁信號）1—磁頭；2—磁柵；3—輸出波形

動態(tài)磁頭的工作原理

靜止時就沒有信號輸出。因此它只能用于動態(tài)測量。

第23頁/共52頁靜態(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。——該磁頭有兩個繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組。勵磁繞組——繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上輸出繞組——繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上——它與動態(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動的情況下也有信號輸出?！?dāng)磁頭運動時，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變化，輸出感應(yīng)電動勢。第24頁/共52頁靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭的工作原理

1—磁頭；2—磁柵；3—輸出波形

N1為勵磁繞組，N2為感應(yīng)輸出繞組。在勵磁繞組中通入高頻的勵磁電流，一般頻率為5kHz或25kHz，

幅值約為200mA。第25頁/共52頁工作原理（靜態(tài)）勵磁繞組起磁路開關(guān)作用當(dāng)勵磁繞組N1不通電流時，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合。如果在勵磁繞組中通入交變電流i=i0sinωt，當(dāng)交變電流i的瞬時值達到某一個幅值時，橫桿上的鐵心材料飽和，這時磁阻很大，而使磁路“斷開”，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i的瞬時值小于某一數(shù)值時，橫桿上的鐵心材料不飽和，這時磁阻也降低得很小，磁路被“接通”，則磁柵上的剩磁通就可以在磁頭鐵心中通過。由此可見，勵磁線圈的作用相當(dāng)于磁開關(guān)。第26頁/共52頁工作原理（靜態(tài)）磁感應(yīng)強度決定于磁頭與磁柵的相對位置。

隨著激勵交變電流的變化，可飽和鐵心這一磁路開關(guān)不斷地“通”和“斷”，進入磁頭的剩磁通就時有時無。這樣，在磁頭鐵心的繞組N2中就產(chǎn)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。第27頁/共52頁感應(yīng)電動勢的頻率為勵磁電流頻率的兩倍勵磁電流在一個周期內(nèi)兩次過零，兩次出現(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頭的鐵心飽和，這樣，在它變化一個周期，鐵心飽和兩次，相應(yīng)的磁開關(guān)通斷兩次。磁路在由通到斷的時間內(nèi)，輸出線圈中的交鏈磁通量由Φ0變化到0；磁路在由斷到通的時間內(nèi)，輸出線圈中的交鏈磁通量由0變化到Φ0；Φ0由磁性標尺中的磁信號決定，因此輸出線圈中輸出的是一個調(diào)幅信號。第28頁/共52頁勵磁電壓為:當(dāng)磁頭不動時，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余弦電壓信號，其頻率仍為勵磁電壓的頻率，其幅值與磁頭所處的位置有關(guān)。第29頁/共52頁當(dāng)磁頭運動時，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變化。由于剩磁形成的磁場強度按正弦波變化，從而獲取調(diào)制波，輸出繞組的感應(yīng)電動勢靜態(tài)磁頭的工作原理

E—輸出線圈輸出的感應(yīng)電動勢；Um—輸出線圈輸出的感應(yīng)電動勢峰值；λ—磁尺剩余信號的波長（磁化信號節(jié)距）；s—磁頭對磁性標尺的位移量；ω—輸出線圈感應(yīng)電動勢的頻率，是激磁電流I的頻率的2倍。E和磁性標尺與磁頭相對速度無關(guān)，而是由位移量S決定的第30頁/共52頁

根據(jù)磁柵和磁頭相對移動讀出磁柵上的信號的不同，所采用的信號處理方式也不同。

動態(tài)磁頭只有一組繞組，其輸出信號為正弦波，信號的處理方法也比較簡單，只要將輸出信號放大整形，然后由計數(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，而且不能判別移動方向。

第31頁/共52頁

靜態(tài)磁頭一般用兩個，雙磁頭是為了識別磁柵的移動方向而設(shè)置的，二者之間間距為(n土1/4)，(其中n為正整數(shù),為磁信號節(jié)距)，也就是兩個磁頭布置成相位差90°關(guān)系，即兩者空間相位差90。

信號處理方式可分為鑒幅方式和鑒相方式兩種。第32頁/共52頁2．磁柵的類型長磁柵圓磁柵（測量直線位移）（測量角位移）尺形帶形同軸形第33頁/共52頁1－磁頭2－磁柵3－屏蔽罩4－基座5－軟墊第34頁/共52頁德國SIKO

磁柵尺第35頁/共52頁磁頭與磁尺相對運動時的輸出波形二、磁柵傳感器的工作原理1．基本工作原理磁柵傳感器工作原理動畫演示第36頁/共52頁磁柵傳感器由磁柵（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．基本工作原理第37頁/共52頁

1—磁頭；2—磁柵；3—輸出波形第38頁/共52頁這里以靜態(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5kHz或25kHz，

幅值約為200mA。

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。可見感應(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。

第39頁/共52頁式中：Em－感應(yīng)電勢的幅值W－磁柵信號的節(jié)距x－機械位移量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：第40頁/共52頁2．信號處理方式當(dāng)兩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：式中：－機械位移相角，第41頁/共52頁圖5-4-3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，其結(jié)構(gòu)如圖5-4-3所示。兩磁頭按(m±1／4)λ配置（m為正整數(shù)），它們的輸出電壓分別是第42頁/共52頁為增大輸出，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平均值，有平均效應(yīng)作用，因而可提高測量精度。

圖5-4-4雙磁頭結(jié)構(gòu)第43頁/共52頁將第二個磁頭的電壓讀出信號移相900，兩磁頭的輸出信號則變?yōu)椋簩陕份敵鱿嗉樱瑒t獲得總輸出：（1）鑒相方式第44頁/共52頁磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。設(shè)置兩個磁頭的意義何在？第45頁/共52頁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)檢波器去掉高頻載波后可得：（2）鑒幅方式與光柵的信號辨向、細分一致。第46頁/共52頁鑒幅型磁柵傳感器的原理框圖第47頁/共52頁磁柵數(shù)顯裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1－磁性標尺2－磁頭3－固定塊4－尺體安裝孔5－泡沫墊6－滑板安裝孔7－磁頭連接板8－滑板三、磁柵數(shù)顯裝置第48頁/共52頁國產(chǎn)磁柵數(shù)顯裝置的LSI芯片組成：1．磁頭放大器（SF023）2．磁尺檢測專用集成芯片（