磁栅传感器08级待用70

1、磁栅式传感器1磁栅是一种新型检测元件，也是一种新型测尺。它具有精度高，制造简单，成本低廉，安装、调整方便以及对环境条件要求较低等优点。它在基本运行量测量中发挥着重要作用。磁栅是一根磁性标尺。它以非导磁材料为基体，表面涂有一层均匀的磁性薄膜，并根据磁记录原理，在磁性薄膜上记录下高精度的磁信号，这种记录有高精度的磁信号的标尺就是磁栅。 以磁信号作为基准通常为圆形光测、电测、磁测2磁栅按其结构一般可分为如下几种类型： 磁栅的种类角度位移量直线位移量平面型直线磁尺同轴型直线磁尺（图 3）尺型（图 1）带型（图 2）旋转型磁尺（图 4）34磁尺静态磁头接信号处理电路固定孔5 磁栅是基于磁记录原理来测量长

2、度和角度的测量装置，如图所示磁 栅磁 头 测量电路输 出6-1 磁栅的基本原理一、磁栅的构造磁栅是由磁尺、磁头以及测量线路构成的测量系统。磁尺是在尺的基面上涂上或镀上一层磁性媒质作为磁性薄膜，高精度地记录上磁信号。其刻度为周期的模拟信号，因此可以用细分技术得到高分辩率、高精度测量。磁头是检测尺上记录的磁信号，并将它变换成电信号的元件。测量线路是处理电信号以便把它变成合适于计算与控制的信号，有时又叫做检测器。 6二、对磁尺的要求 1、尺基由于尺子上要长期保留磁信号，并安装在仪器或机床上使用，所以要求尺基具有如下特点：（1）基体材料的结构要均匀、紧密，以防止在温度变化时其几何形状发生形变，降低几何

3、精度。（2）基体材料要求不导磁及具有良好的加工性和电镀性能。实验证明铜和铝能满足上述要求。但铜重量太大且价格较贵，因此磁栅的基体材料一般多选用铝或铝合金。也有在一般钢材表面电镀一层铜以隔磁来作为基体材料的。7对磁性薄膜的要求1、良好的机械性能。材料应具有较高的机械强度。硬度和耐磨性以及受外界温度和湿度变化影响小。2、良好的磁性能。材料应具较有较大的剩磁和矫顽力。一般要求材料的剩磁不小于5000Gs，矫顽力不小于500Oe。一般在非导磁金属基体上进行电镀时。多选用Ni-Co-P合金，其Br=7000-9000GS，HC=800Oe，薄膜厚度为0.015mm左右。三、磁性薄膜的电镀8 待 镀 园

4、盘电镀溶液96-2 磁栅的刻制一、刻制原理 利用与录音技术相类似的方法，通过录音磁头在磁性园盘外园的磁性层上录制整数个波长严格相等的正弦磁波，从而使园盘外园被均分的过程称磁刻，已磁刻好的磁性园盘称为园形磁栅。园盘外园上的每个正弦磁波表示磁栅的一条栅纹，而其波长则表示两条栅纹间的栅距。显然，每个栅距便代表着园形磁栅的角度（或长度）的计量单位。而某一被测角度（或长度）的大小，便可用与这些计量单位对应的角度（或长度）的总和来表示。当 表示栅距， 表示磁性园盘旋转的线速度，f表示录磁电流的频率时，则它们三者间有下列关系10SSNNN 这个简单的公式，便是刻制磁栅的理论基础。很明显，要使园形磁栅获得精确

5、的刻度，必须使每个栅距（即每个磁波波长）严格相等。而要满足这个要求,必须使V和f严格地保持恒定。因此V=恒量和f=恒量便是园形磁栅实现精确刻制的充要条件。测量的基准11磁性园盘磁头信号源NSSNSNSSSNNN12NSSNSNSSSNNN磁栅栅距磁波波长 磁波数 栅纹数 由图可见，两个极性相反的相邻磁化单元正好对应于交变信号电流的一个周期，即构成一个磁波的波长（或磁栅的栅距），其值由式决定。例如磁性层经过磁头气隙的线速度 =375mm/S，信号电流的频率f=500Hz，于是得到磁波波长=375/500=0.75mm。 磁性园盘磁头信号源13 在圆形磁栅刻制过程中，当录磁信号频率为500Hz，为

6、刻制成栅距为0.75mm的磁栅，磁性圆盘旋转速度为 在圆形磁栅刻制过程中，当录磁信号频率为500Hz，为刻制成栅距为0.75mm的磁栅，磁性圆盘旋转速度为 14二、刻制装置同步电动机下飞轮上飞轮磁性园盘下图为装置的机械结构简图。15 速度 变化或者频率f变化都会带来磁波波长（磁栅栅距）的改变，从而带来测量基准的变化测量的基准16三、直线型磁栅的刻制背景磁 栅磁 头被测部件17线位移量用圆形磁栅将线位移量变成角位移量测量磁 栅磁 头18NSSNSNSSSNNN用长形磁栅直接测量线位移量19 如果将园型磁栅直线展开，并将栅纹复制在另一作同步运动的磁性尺上，便实现了磁尺栅纹的刻制，如图所示。这种方法

7、的刻制过程是：在一个工作台上，固定一根金属直尺和一根待刻制的磁性尺。在工作台近旁的轴上，一个金属基准园盘和一个园型磁栅同心安装。当基准园盘在金属直尺一侧作近于无滑动的纯滚动，这相当将基准园盘作直线展开。此时从与基准园盘同轴旋转的园型磁栅上拾取信号，并经放大后刻制在磁性直尺上，便实现了磁栅栅纹的翻刻。这种方法主要是利用了基准园盘在直尺上的滚动，并同时将园型磁栅栅纹翻刻在磁性直尺的原理。故称为基准园-直尺滚动翻刻法。 刻制方法若基准园盘的直径为D，栅纹数为N，则磁栅的栅距（即磁尺磁波的波长）为20 显然，当磁栅园盘的直径和基准园盘直径相等，而且等于磁性直尺的长度时，则翻刻在磁性直尺上的栅纹数和栅距

8、与园磁栅相同。若基准园盘的直径为D，栅纹数为N，则磁栅的栅距（即磁尺磁波的波长）为21 采用基圆一直尺滚动翻刻法刻制磁性直尺时，若磁栅圆盘直径等于基圆直径为159mm，磁栅圆盘上栅纹数为500。那么，该磁栅圆盘的栅距为 ，磁栅圆盘上有波长为 的正弦磁波 个。为了在磁性直尺上得到和磁栅圆盘相同的栅纹数及栅距，该磁性直尺的长度为 。（4x2分=8分）22 采用基圆一直尺滚动翻刻法刻制磁性直尺时，若磁栅圆盘直径等于基圆直径为159mm，磁栅圆盘上栅纹数为500。那么，该磁栅圆盘的栅距为1mm ，磁栅圆盘上有波长为1mm的正弦磁波500 个。为了在磁性直尺上得到和磁栅圆盘相同的栅纹数及栅距，该磁性直尺

9、的长度为500mm。（4x2分=8分）236-3 录磁与拾磁 在电磁学中，下述两种基本现象是众所周知的：1、当环绕于铁磁材料的线圈通电时，线圈产生的磁场将铁磁材料磁化；而线圈断电后，由于铁磁材料的“磁滞”现象使它仍保持一定大小的剩磁。2、与上述现象相反，当已磁化的铁磁材料的剩磁在空间或按时间发生变化时，在环绕它的线圈上将产生一个与磁场变化方向交链的电流。一、基本原理24 若将按一定规律变化的电流信号加至录磁磁头线圈的两端，由于磁头是一个在铁心首尾部都有气隙的电磁铁，故此时在磁头磁路中就会产生与电流信号化规律相同并与之交链的磁通，如图所示。显然在铁芯气隙处形成一个具有一定方向的磁场。若这时有一铁

10、磁材料层（如磁栅园盘或磁带）以一定线速度从磁头气隙的前端经过，则气隙附近边缘的一部份磁通和全部漏磁通便经过磁性层而闭合（因为磁性层的磁阻比气隙或空气的磁阻小得多），于是磁性层便按电流变化的规律逐次被磁化具有相应极性的磁化小单元，如图所示相对磁导率不大二、录磁原理25 对于录磁原理可作进一步说明：当信号电流流过磁头线圈时，在磁头气隙处便产生一相应大小和方向的磁场强度，而气隙的尺寸又决定了磁路的磁阻，因此经过气隙的磁性层便被那里的磁场磁化。一般这种铁磁材料都具有较强的剩磁，故磁性层被磁化的部份在离开磁头气隙后按一定的原理仍保持其磁化状态。因此在磁性层上便形成了一连串的具有相应极性的基本磁化单元。基

11、本磁化单元的长度和磁化强度，主要取决于流过磁头磁路的磁通大小和变化规律，亦即取决于流过磁头线圈的电流的频率和振幅。此时已形成的基本磁化单元对外显示一定大小和方向的磁场，其磁力线的分布如图所示。26磁头磁带运动方向工作缝隙磁带剩 磁磁性层记录波长： = v / f27 如已磁化的磁性层经拾磁头的气隙而运动，则磁性层上磁化单元的磁场将按空间不同的位置发生变化。由于磁头的铁心是极好的导磁材料，故磁化单元的磁通很容易经它而闭合。但是不同的极性的磁化单元在铁心里产生磁通的方向是不同的，故当载有若干磁化单元的磁性层在拾磁头的气隙下运动时，通过铁心磁通也随之不断发生相应的变化，并在磁头线圈中产生如下式所示的

12、感生电势： 三、拾磁原理28 从磁路分析的角度还可以这样理解：由于基本磁化单元是有一确定的大小和方向的磁场强度，可以把它看成有一磁势。当磁化层经拾磁磁头气隙运动时，在磁头气隙处可表示成一定大小和方向的磁势，而磁头的铁心则表示磁路的等效磁阻，故有一相应大小的磁通通过磁路，于是便在线圈中产生感生电动势。如果用Fm表示磁势、Rm表示磁阻，则流过磁路的磁通为29四、磁头的结构和工作原理（一）磁头结构 磁头是一个在铁心上绕有线圈的电磁铁。铁心由两组形状相同的半环形软磁合金薄片重叠而成，在这两个半环形的铁心上绕有两个匝数相等的线圈，在铁心对合时，前后两端都留有一狭窄的气隙，前端称为工作气隙,后端称为辅助气

13、隙。录磁和拾磁实际上就是电场能转换为磁场能及其逆过程，而磁头就是实现这两种转换的电磁变换器。工作气隙辅助气隙速度响应磁头30速度响应磁头（二）铁心的作用和要求 在磁头中铁心的作用是导磁，因此铁心用导磁率很好的软磁材料作成。这样录磁时能在相同的磁化电流下，产生较大的磁通，从而提高录磁效率；而拾磁时，磁性层上的磁化单元的磁通亦容易通过它而闭合，从而提高了拾磁的灵敏度。此外还要求铁心材料的矫顽力要小，以保证流过铁心的磁通能跟随录磁电流的变化而变化，因而可以实现高频录磁。31速度响应磁头32磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示33五、磁通响应磁头 动态测量与静态测量最主要的区别在于磁头与磁栅间的相对速度

14、。前者的相对速度一般具有一个大小且恒定均匀，而后者则无此要求，甚至磁头和磁栅间的相对速度为零即处静止状态也能拾取信号。显然一般的速度响应磁头不能满足这一要求，而必须采用一种结构原理特殊的磁通响应磁头。 34 图表示磁通响应磁头（即静态磁头）的结构及拾讯原理图。这种磁头的铁心包括磁极铁心和可饱和铁心。这相当于在速度响应磁头的磁极铁心回路中串联了一个可饱和铁心，可饱和铁心是一段截面积很小的软磁性材料。在磁极铁心上绕有信号线圈W2，而在可饱和铁心上绕有激磁线圈W1，在激磁线圈内通入适当强度的高频电流，使截面积小的铁心部份在每周内两次达到饱和。这时铁心的磁阻很大，磁栅漏磁通不能在磁头的铁心中通过。显然

15、，可饱和铁心好象一个“磁路开关”，随着激磁电流的变化不断的“通”“断”，使穿过磁头铁心的磁通时有时无，于是信号线圈上便感应出电动势，使之有信号电压输出。磁极铁心可饱和铁心35磁栅漏磁通 气隙磁阻 铁芯磁阻36 由于激磁电流在正负半周的绝对值都可以导致可饱和铁心饱和，使磁路实现一次“通”“断”，故在激磁信号一周内，磁头信号线圈内产生的感生电势为两周，即磁头信号线圈内产生的感生电势的频率为激磁信号电流频率的两倍。因此磁通响应磁头又称为“二次谐波调制型磁头”。磁头输出信号电压的幅值仅与进入磁头铁心的漏磁通大小有关，而与磁头和磁栅间的相对速度大小无关，因此它能在低速甚至静态情况下工作，故磁通响应磁头也

16、可叫做“静态磁头”。如果磁尺上剩磁磁场强度的分布规律为37录磁电流磁盘上剩磁信号38则磁头输出电压为39406-4 磁栅传感器的检测电路一、触发式相位计放 大放 大 整 形 整 形 微 分 微 分下图表示触发式相位计的原理框图。图中u1和u2是两个待测的比相信号，其相位差为 。信号经放大、限幅、整形、微分后变换为两路单向尖脉冲。这时变换为两路脉冲信号的时差。经双稳态触发器鉴别后，又变换为触发器两输出端分别对地或两输出端的平均电压U0或 。41放 大 整 形 微 分 微 分 整 形放 大42放 大放 大 整 形 整 形 微 分 微 分43如两个待测信号分别为UH和UL分别表示触发器的截止和饱和电

17、压。使E=UH-UL，则E即为触发器输出电压的幅度。由图可见。4445-EE0 单端对地输出46二、细分技术利用磁栅进行测量时，当运动零件移动一个栅距，输出一个周期的交变信号，也即产生一个脉冲间隔。那么每个脉冲间隔代表移动一个栅距，即分辩率或说脉冲当量为一个栅距。例如每毫米250条栅纹的长磁栅，栅距为4m，那么其分辩率（脉冲当量）为4m。随着对测量精度要求提高，分辩率为4m是不够的，希望提高到1m、0.1m或更高。如果以磁栅栅距直接作计量单位，这意味着栅线密度要达到每毫米千条线到万条线。就目前工艺水平来看，要实现如此高的栅线密度是很困难甚至无法实现。因此人们广为采用的方法是，在选择合适的磁栅栅

18、距的前提下，对磁栅进行测微电子学中称“细分”来得到所需的最小读数值。471、直接细分484950 整形 微分 前沿5152 对于1mm长范围内有10条栅纹的磁栅，其测量长度的分辨率为 ，若要将其分辨率提高到1m，需要进行 细分。（2x2分=4分）53 对于1mm长范围内有10条栅纹的磁栅，其测量长度的分辨率为0.1mm，若要将其分辨率提高到1m，需要进行100细分。（2x2分=4分）54磁栅上磁波信号表式为 ，为获得两个相位相差90度的信号，应在相距 处放置两个磁头。 55磁栅上磁波信号表式为 ，为获得两个相位相差90度的信号，应在相距 处放置两个磁头。 562、电位器电桥（电阻链）细分电路如

19、图所示令依据叠加定律，有57若则有上式说明给电位器两端加两个相位差 的信号，即可在输出端得到上式形式的信号。58如果我们用 个电位器，使它们电刷两边的电阻比分别为将正交信号 和 同时加到这 个电位器两端，我们就可以从这 个电位器的电刷端得到 个彼此相位差的正弦信号 59将四个相位依次相差90度的正弦信号加到如下图所示的电位器桥细分电路使图中第个 电位器两边比值为我们即可以获得48个相位差 的信号，这样即达到了48细分的目的。 电阻电桥48细分电路6061三、辨向原理在实际应用中，大部份被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个磁头接收一固定点磁化单元信号，只能判别磁通大小变化而不能判别被测物体的运动方向，以致不能正确测量位移。计数脉冲62超前计数脉冲加减控制触发器置1（）超前加减控制触发器置0（）63一，磁栅数显角度检测装置 磁栅旋转体 磁通响应磁头放大器计数显示 峰值 电压表6-5 磁栅传感器的应用64磁尺65 这里的360表示磁栅园盘园周的度数。在旋转体旋转过程中，磁通响应磁头将拾磁信号送入检测装置，经