传感器与检测技术-3磁栅ppt课件

1、第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 一、磁栅式位移传感器一、磁栅式位移传感器磁栅式传感器的分类、组成磁栅式传感器的分类、组成 磁栅式位移传感器根据用磁栅式位移传感器根据用途可分为长磁栅和圆磁栅途可分为长磁栅和圆磁栅位移传感器，分别用于丈位移传感器，分别用于丈量线位移和角位移。量线位移和角位移。 磁栅传感器是由磁栅磁磁栅传感器是由磁栅磁尺、磁头、检测电路组尺、磁头、检测电路组成如右图所示成如右图所示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磁头磁头第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁栅的外形及构造图磁栅的外形及构造图磁

2、尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处置电去信号处置电路路固定孔固定孔第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将一定波长的电信号音的原理将一定波长的电信号( (正弦波或矩形波正弦波或矩形波) )用用录磁即用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一录磁即用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩磁的方式保管在磁尺上，这样磁周期性信号，以剩磁的方式保管在磁尺上，这样磁尺上录上一定波长的磁信号的方法

3、记录在磁性尺尺上录上一定波长的磁信号的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。子或圆盘上而制成的。 装有磁栅传感器的仪器或安装义务时，磁头相对装有磁栅传感器的仪器或安装义务时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。转换成电信号。 磁栅式传感器的测试原理磁栅式传感器的测试原理第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 1磁头磁头 2磁栅磁栅 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5软垫软垫长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅丈量直线位移丈量直线位

4、移丈量角位移丈量角位移尺形尺形带形带形同轴形同轴形磁栅的类型磁栅的类型第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁尺是用非导磁性资料做尺基，磁尺是用非导磁性资料做尺基， 在尺基的上面镀一层均在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，经过录磁即用录音磁头沿长度方向按一匀的磁性薄膜，经过录磁即用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩磁的方式保管在磁尺上，定波长记录一周期性信号，以剩磁的方式保管在磁尺上，这样磁尺上录上一定波长的磁信号，磁尺的磁化图形排这样磁尺上录上一定波长的磁信号，磁尺的磁化图形排成成SN、NS外形。外形。磁尺磁尺第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传

5、感器大位移传感器 磁信号的波长周期又称节距，磁信号的波长周期又称节距， 用用表示。表示。 磁信号的极磁信号的极性是首尾相接，性是首尾相接， 在在N、 N重叠处为正的最强，重叠处为正的最强， 在在S、S重重叠处为负的最强。叠处为负的最强。 磁尺的的断面和磁化图形如以以下图磁尺的的断面和磁化图形如以以下图所示。所示。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 大尺寸磁栅尺外形图大尺寸磁栅尺外形图第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁读取磁头读出，按读取

6、信号方式的不同，磁头可分为头可分为静态磁头静态磁头动态磁头动态磁头第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 动态磁头动态磁头动态磁头为非调制式磁头，又称速度呼应式磁头，只需一动态磁头为非调制式磁头，又称速度呼应式磁头，只需一个绕组，当磁头沿磁栅作相对运动时才有信号输出。输出个绕组，当磁头沿磁栅作相对运动时才有信号输出。输出为正弦波，在为正弦波，在N N、N N重迭处输出正信号最强，在重迭处输出正信号最强，在S S、S S重迭处重迭处负信号最强。录音机上的磁头就是速度呼应式磁头，只负信号最强。录音机上的磁头就是速度呼应式磁头，只需在磁头和磁带有相对运动时才干检测出磁信号需在磁

7、头和磁带有相对运动时才干检测出磁信号1磁头；磁头；2磁栅；磁栅；3输出波形输出波形 动态磁头的义务原理动态磁头的义务原理 静止时就没有信号静止时就没有信号输出。因此它只能用于输出。因此它只能用于动态丈量。动态丈量。 第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 静态磁头静态磁头静态磁头是调制式磁头，又称磁通呼应式磁头。静态磁头是调制式磁头，又称磁通呼应式磁头。该磁头有两个绕组，一为励磁绕组，另一为输出该磁头有两个绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组。绕组。u励磁绕组励磁绕组绕在磁路截面尺寸较小的横臂上绕在磁路截面尺寸较小的横臂上u输出绕组输出绕组绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上绕在磁

8、路截面尺寸较大的竖杆上它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化，输出感应电动势。化，输出感应电动势。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 静态磁头的义务原理静态磁头的义务原理 1磁头；磁头；2磁栅；磁栅；3输出波形输出波形N1N1为励磁绕组，为励磁绕组，N2N2为感应输出绕组。为感应输出绕组。在励磁绕组中通入在励磁绕组中通入高频的励磁电流，高频的励磁电流，普通频率为普

9、通频率为5kHz5kHz或或25kHz25kHz， 幅值约为幅值约为200 mA200 mA。静态磁头静态磁头第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 励磁绕组起磁路开关作用励磁绕组起磁路开关作用 当励磁绕组当励磁绕组N1N1不通电流时，磁路处于不饱和外不通电流时，磁路处于不饱和外形，磁栅上的磁力线经过磁头铁心而闭合。形，磁栅上的磁力线经过磁头铁心而闭合。 假设在励磁绕组中通入交变电流假设在励磁绕组中通入交变电流i=i0sinti=i0sint，当交变电流当交变电流i i的瞬时值到达某一个幅值时，横杆上的的瞬时值到达某一个幅值时，横杆上的铁心资料饱和，这时磁阻很大，而使磁路

10、铁心资料饱和，这时磁阻很大，而使磁路“断开，断开，磁栅上的磁通就不能在磁头铁心中经过。反之，当交磁栅上的磁通就不能在磁头铁心中经过。反之，当交变电流变电流i i的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心资的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心资料不饱和，这时磁阻也降低得很小，磁路被料不饱和，这时磁阻也降低得很小，磁路被“接通，接通，那么磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中经过。由此那么磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中经过。由此可见，励磁线圈的作用相当于磁开关。可见，励磁线圈的作用相当于磁开关。静态磁头的义务原理静态磁头的义务原理 第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁感应强度决议

11、于磁头与磁栅的相对位置。磁感应强度决议于磁头与磁栅的相对位置。 随着鼓励交变电流的变化，可饱和铁心这一磁路随着鼓励交变电流的变化，可饱和铁心这一磁路开关不断地开关不断地“通和通和“断，进入磁头的剩磁通就时有时断，进入磁头的剩磁通就时有时无。这样，在磁头铁心的绕组无。这样，在磁头铁心的绕组N2N2中就产生感应电势，主中就产生感应电势，主要与磁头在磁栅上所处的位置有关，而与磁头和磁栅之要与磁头在磁栅上所处的位置有关，而与磁头和磁栅之间的相对速度关系不大。间的相对速度关系不大。静态磁头的义务原理静态磁头的义务原理 第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 感应电动势的频率为励磁电

12、流频率的两倍感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍 励磁电流在一个周期内两次过零，两励磁电流在一个周期内两次过零，两 次出现峰值。次出现峰值。只需电流幅值超越某一额定值，它产生的正向或反向磁场只需电流幅值超越某一额定值，它产生的正向或反向磁场均可使磁头的铁心饱和，这样，在它变化一个周期，铁心均可使磁头的铁心饱和，这样，在它变化一个周期，铁心饱和两次，相应的磁开关通断两次。磁路在由通到断的时饱和两次，相应的磁开关通断两次。磁路在由通到断的时间内，输出线圈中的交链磁通量由间内，输出线圈中的交链磁通量由00变化到变化到0 0；磁路在由；磁路在由断到通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由断到通的时间内，输

13、出线圈中的交链磁通量由0 0 变化到变化到0 0 ； 0 0由磁性标尺中的磁信号决议，因此输出线圈中由磁性标尺中的磁信号决议，因此输出线圈中输出的是一个调幅信号。输出的是一个调幅信号。静态磁头的义务原理静态磁头的义务原理 第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 tUUtUUiicossinmm或励磁电压为励磁电压为: :v当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置有关。与磁头所处的位置有关。静态磁头的义务原理静态磁头的义务原理

14、第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。由于剩当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。由于剩磁构成的磁场强度按正弦波变化，从而获取调制波，输出磁构成的磁场强度按正弦波变化，从而获取调制波，输出绕组的感应电动势绕组的感应电动势tsUEsin2sinm1EE输出线圈输出的感应电动势；输出线圈输出的感应电动势；UmUm输出线圈输出的感应电动势峰值；输出线圈输出的感应电动势峰值；磁尺剩余信号的波长磁化信号节距；磁尺剩余信号的波长磁化信号节距；ss磁头对磁性标尺的位移量；磁头对磁性标尺的位移量；输出线圈感应电动势的频率，是激磁电流输出

15、线圈感应电动势的频率，是激磁电流I I的频率的的频率的2 2倍。倍。 E和磁性标尺与磁头相对速度无关，而是由位移量和磁性标尺与磁头相对速度无关，而是由位移量S决议的决议的静态磁头的义务原理静态磁头的义务原理 第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 根据磁栅和磁头相对挪动读出磁栅上的信号的不同，所根据磁栅和磁头相对挪动读出磁栅上的信号的不同，所采用的信号处置方式也不同。采用的信号处置方式也不同。 动态磁头只需一组绕组，其输出信号为正弦波，信号的处置方法也比较简单，只需将输出信号放大整形，然后由计数器记录脉冲数n，就可以丈量出位移量的大小。但这种方法丈量精度较低，而且不能判别

16、挪动方向。 ns 第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 静态磁头普通用两个，双磁头是为了识别磁栅的挪动方向静态磁头普通用两个，双磁头是为了识别磁栅的挪动方向而设置的，二者之间间距为而设置的，二者之间间距为(n(n土土1/4)1/4) ，( (其中其中n n为正整数为正整数, , 为磁信号节距为磁信号节距) )，也就是两个磁头布置成相位差，也就是两个磁头布置成相位差9090关系，关系，即两者空间相位差即两者空间相位差9090。 信号处置方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。信号处置方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器

17、鉴幅法鉴幅法 假设两磁头的鼓励磁绕组加上同相的正弦鼓励磁信假设两磁头的鼓励磁绕组加上同相的正弦鼓励磁信号号tsUEsin2sinm1tsUEsin2cosm2sUE2sinm1sUE2cosm2经滤除高频载波后，得到与位移量经滤除高频载波后，得到与位移量S S成比例的信号为：成比例的信号为：tUUisinm1那么两磁头的输出信号为那么两磁头的输出信号为它是利用输出信号幅值大小来反映磁头的位移量或磁尺相对它是利用输出信号幅值大小来反映磁头的位移量或磁尺相对位置的信号处置方式。位置的信号处置方式。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 鉴相法鉴相法 假设两磁头的鼓励磁绕组上施

18、加相位差为假设两磁头的鼓励磁绕组上施加相位差为/4的正弦鼓励的正弦鼓励信号，那么两磁头输出信号变为：信号，那么两磁头输出信号变为：tsUEcos2sinm1tsUEsin2cosm2tsUEEE2sinm21 将两个输出线圈差动衔接，那么输出电动势为将两个输出线圈差动衔接，那么输出电动势为 上式阐明：鉴相处置后，电动势上式阐明：鉴相处置后，电动势E E的幅值是常数，相位的幅值是常数，相位正比于位移量正比于位移量x x，用电子线路判别相位角，即可获得位，用电子线路判别相位角，即可获得位移量及位移的方向。移量及位移的方向。它是利用输出信号的相位大小反映磁头的位移量或磁尺相对位它是利用输出信号的相位

19、大小反映磁头的位移量或磁尺相对位置的信号处置方式置的信号处置方式第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 录制方便，本钱低廉。当发现所录磁栅不适宜时可抹去重录制方便，本钱低廉。当发现所录磁栅不适宜时可抹去重录。录。 运用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因此可运用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因此可防止安装误差。防止安装误差。 可方便地录制恣意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准可方便地录制恣意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准量中含有量中含有因子，可在节距中思索。因子，可在节距中思索。 磁栅位移传感器有较高精度，目前可以作到系统精度达磁栅位移传感器有较高精度，目前可以作到系统精度达0.0