传感器和检测工作技术应用第十一讲

1、传感器和检测工作技术应用第十一讲磁栅传感器的结构和工作原理v组成组成v测量原理测量原理v磁栅结构、原理、对磁栅的要求磁栅结构、原理、对磁栅的要求v磁头结构、原理、种类磁头结构、原理、种类 磁栅式传感器主要由磁栅、磁头和检测电路组成。 磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号(正弦波或矩形波)用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。 组成组成：测量原理测量原理: 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转换成电信号。 （一）磁栅 磁栅结构如图所示，磁栅基体磁栅结构如图所

2、示，磁栅基体1 1是用不导磁材是用不导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜2 2，经过录，经过录磁，其磁信号排列情况如图中所示，磁，其磁信号排列情况如图中所示，要求录磁信要求录磁信号幅度均匀号幅度均匀，幅度变化应小于幅度变化应小于1010，节距均匀节距均匀。目前长磁栅常用的磁信号节距一般为目前长磁栅常用的磁信号节距一般为0.050.05mmmm和和0.020.02mmmm两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十分。分。具体使用时对磁栅还有如下的要求： 磁栅的基尺（磁尺）要求不导磁，线膨胀系数磁栅的基尺（磁尺）要求不导磁，线膨胀

3、系数应与仪器或机床的相应部分相近似。由于在基应与仪器或机床的相应部分相近似。由于在基尺上要镀一层磁性薄膜，所以要求基尺有良好尺上要镀一层磁性薄膜，所以要求基尺有良好的加工和电镀性能。的加工和电镀性能。 为了使磁尺上录的磁信号能长时期保存，并希为了使磁尺上录的磁信号能长时期保存，并希望产生较大的输出信号，要求磁性薄膜剩磁感望产生较大的输出信号，要求磁性薄膜剩磁感应要大，矫顽力要高，电镀要均匀，目前常用应要大，矫顽力要高，电镀要均匀，目前常用Ni-Co-P合金。合金。 对磁尺表面要求长磁栅平直度为（对磁尺表面要求长磁栅平直度为（0.0050.01）mm/m，圆磁栅的不圆度为圆磁栅的不圆度为0.00

4、50.01mm，表表面粗糙度要小。面粗糙度要小。 要求所录磁信号幅度均匀，幅度变化小于要求所录磁信号幅度均匀，幅度变化小于10%，节距均匀，满足一定精度要求。节距均匀，满足一定精度要求。几种常见磁栅的结构 （二）磁头 磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取 信号方式的不同，磁头可分为静态磁头动态磁头动态磁头 动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头 它只有一组线圈 1磁头；2磁栅；3输出波形 动态磁头的工作原理 静止时就没有信号输出。因此它不适合用于长度测量 静态磁头静态磁头静态磁头是调制式磁头调制式磁头，又称磁通响应式磁头磁通响应式磁头。 它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头磁头与磁栅之间

5、没有相对运动的情况下也有信号输与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出出。 静态磁头的工作原理 1磁头；2磁栅；3输出波形 铁心的磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁头，因而输出绕组无感应电势输出。只有当激励磁信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅上的信号磁通才能通过输出绕组的铁心而产生感应电势。 静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通漏磁通变化来产生产生感应电动势感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦（或余弦）关系。 tWxUU2sin2sinm0 幅值系数；磁头与磁栅的相对位移；磁栅的节距；激励磁信号的角频率 mUxW磁栅传感器的数字测量原理

6、：磁栅传感器的数字测量原理： 根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，所采用的信号处理方式也不同。 动态磁头动态磁头只有一组绕组，其输出信号为正弦波，信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号放大整形，然后由计数器记录脉冲数n，就可以测量出位移量的大小（ ）。但这种方法测量精度较低，而且不能判别移动方向。 nWs 静态磁头静态磁头一般用两个磁头，两个磁头间距为一般用两个磁头，两个磁头间距为n W/4，其其中中n为正整数，为正整数，W为磁信号节距，也就是两个磁头布置成为磁信号节距，也就是两个磁头布置成相位差相位差90关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和

7、鉴相方式两种。方式两种。 鉴幅法鉴幅法 若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信号，则两磁头的输出信号为： tWxUU2sin2sinm1tWxUU2sin2cosm2WxUU2sinm1WxUU2cosm2经滤除高频载波后，得到与位移量 成比例的信号为： x鉴相法鉴相法 若两磁头的激励磁绕组上施加相位差为/4的正弦激励信号，或将输出信号移相/2，则两磁头输出信号变为：tWxUU2cos2sinm1tWxUU2sin2cosm2将两个磁头的输出用求和电路相加，则获得总输出为：txUUUU22sinm21结论：结论：输出信号的幅值不变，但相位与磁头、磁栅相对输出信号的幅值不变，但相位与磁头、磁

8、栅相对位移量位移量有关。有关。 磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，其精度略低于感应同步器。器相似，其精度略低于感应同步器。 磁栅传感器的特点磁栅传感器的特点： 录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录；适时可抹去重录； 使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因而可避免安装误差；磁栅，因而可避免安装误差； 可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准量中含有杆时希望基准量中含有因子，可在节距中考虑。因子，可在节距中考虑。磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两项：项： 影响零位误差的主要因素有影响零位误差的主要因素有：磁栅的节距误磁栅的节距误差；磁栅的安装与变形误差；磁栅剩磁变化差；磁栅的安装与变形误差；磁栅剩磁变化所引起的零位漂移；外界电磁场干扰等。所引起的零位漂移；外界电磁场干扰等。 影响细分误差的主要因素有影响细分误差的主要因素有：由于磁膜不均由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；两个磁头间距偏离两个磁头间距偏离1/41/4节距较远；