傳感器與檢測技術第二章磁柵

1、傳感器與檢測技術課件第二章磁柵第1頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日磁柵的外形及結構圖磁尺靜態(tài)磁頭去信號處理電路固定孔第2頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日磁尺磁柵外觀圖磁頭第3頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日 磁柵上錄有等間距的磁信號，它是利用磁帶錄音的原理將一定波長的電信號(正弦波或矩形波)用錄磁（即用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一周期性信號，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）的方法記錄在磁性尺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，磁頭相對于磁柵有一定的相對位置，在這個過

2、程中，磁頭把磁柵上的磁信號讀出來，這樣就把被測位置或位移轉換成電信號。 磁柵式傳感器的測試原理第4頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日1磁頭 2磁柵 3屏蔽罩 4基座 5軟墊長磁柵圓磁柵（測量直線位移）（測量角位移）尺形帶形同軸形磁柵的類型第5頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日磁尺是用非導磁性材料做尺基， 在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，經(jīng)過錄磁（即用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一周期性信號，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），磁尺的磁化圖形排成SN、NS狀態(tài)。磁尺第6頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分

3、，星期日磁信號的波長（周期）又稱節(jié)距， 用表示。 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。 磁尺的的斷面和磁化圖形如下圖所示。第7頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日大尺寸磁柵尺外形圖第8頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日磁頭 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9頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭為非調制式磁頭，又稱速度響應式磁頭，只有一個繞組，當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

4、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10頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭是調制式磁頭，又稱磁通響應式磁頭。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。當磁頭運動時，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變化，輸出感應電動勢

5、。第11頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日靜態(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200 mA。靜態(tài)磁頭第12頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日勵磁繞組起磁路開關作用 當勵磁繞組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=i0sint，當交變電流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，當交變

6、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于磁開關。靜態(tài)磁頭的工作原理 第13頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日磁感應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)生感應電勢，主要與磁頭在磁柵上所處的位置有關，而與磁頭和磁柵之間的相對速度關系不大。靜態(tài)磁頭的工作原理 第14頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日感應電動勢

7、的頻率為勵磁電流頻率的兩倍 勵磁電流在一個周期內兩次過零，兩 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，相應的磁開關通斷兩次。磁路在由通到斷的時間內，輸出線圈中的交鏈磁通量由0變化到0；磁路在由斷到通的時間內，輸出線圈中的交鏈磁通量由0 變化到0 ； 0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幅信號。靜態(tài)磁頭的工作原理 第15頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日勵磁電壓為:當磁頭不動時，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。

8、靜態(tài)磁頭的工作原理 第16頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日當磁頭運動時，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，從而獲取調制波，輸出繞組的感應電動勢E輸出線圈輸出的感應電動勢；Um輸出線圈輸出的感應電動勢峰值；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；輸出線圈感應電動勢的頻率，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，而是由位移量S決定的靜態(tài)磁頭的工作原理 第17頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日 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

9、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18頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日 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19頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日鑒幅法 若兩磁頭的激勵磁繞組加上同相的正弦激勵磁信號經(jīng)濾除

10、高頻載波后，得到與位移量S成比例的信號為：則兩磁頭的輸出信號為它是利用輸出信號幅值大小來反映磁頭的位移量或磁尺相對位置的信號處理方式。第20頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日鑒相法 若兩磁頭的激勵磁繞組上施加相位差為/4的正弦激勵信號，則兩磁頭輸出信號變?yōu)椋簩蓚€輸出線圈差動連接，則輸出電動勢為 上式表明：鑒相處理后，電動勢E的幅值是常數(shù)，相位正比于位移量x，用電子線路判斷相位角，即可獲得位移量及位移的方向。它是利用輸出信號的相位大小反映磁頭的位移量或磁尺相對位置的信號處理方式第21頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日錄制方便，成本低廉。當發(fā)現(xiàn)所錄

11、磁柵不合適時可抹去重錄。使用方便，可在儀器或機床上安裝后再錄制磁柵，因而可避免安裝誤差。可方便地錄制任意節(jié)距的磁柵。例如檢查蝸桿時希望基準量中含有因子，可在節(jié)距中考慮。磁柵位移傳感器有較高精度，目前可以作到系統(tǒng)精度達0.01mm/m。低于感應同步器。分辨力為15m但磁信號的均勻性和穩(wěn)定性對磁柵式位移測量的精度影響較大。磁柵式傳感器特點：第22頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應用第23頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日1、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（ ）圓磁柵第24頁，共28頁，2022年，5月20日，16點24分，星期日2、磁柵式位移傳感器測量位移時，其輸出電動勢為磁尺剩磁信號的波長=1.0mm,試問：（1）若輸出電動勢此時所測得的位移量s是多少？（2）在一個測量周期內此傳感器所能測量的最大位移量Smax是多少？第