传感器与检测技术第二章磁栅精.ppt

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1、第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器传感器与检测技术课传感器与检测技术课件第二章磁栅件第二章磁栅第1页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁磁栅的外形及的外形及结构构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔第2页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁尺磁栅外观图磁头第3页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁磁栅上上录有等有等间距的磁信号，它是利用磁距的磁信号，它是利用磁带录音的原理音的原理将一定波将一定波长的的电信号信号(正弦波或矩形波正弦波或矩形波)用用录磁磁（即用（即用录音磁

2、音磁头沿沿长度方向按一定波度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩磁的形式保留在磁尺上，一周期性信号，以剩磁的形式保留在磁尺上，这样磁磁尺上尺上录上一定波上一定波长的磁信号）的磁信号）的方法的方法记录在磁性尺子或在磁性尺子或圆盘上而制上而制成的。成的。装有磁装有磁栅传感器的感器的仪器或装置工作器或装置工作时，磁，磁头相相对于磁于磁栅有一定的相有一定的相对位置，在位置，在这个个过程中，磁程中，磁头把磁把磁栅上的上的磁信号磁信号读出来，出来，这样就把被就把被测位置或位移位置或位移转换成成电信号。信号。磁磁栅式式传感器的感器的测试原理原理第4页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位

3、移传感器感器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（测量直量直线位移）位移）（测量角位移）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5页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁尺是用非导磁性材料做尺基，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定波长记录一周期性信号，以剩磁的形式保留在磁尺上，这样磁尺上录上一定波长的磁信号），磁尺的磁化图形排成SN、NS状态。磁尺磁尺第6页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁信号的波磁信号的波长（周期

4、）又称（周期）又称节距，距，用用表示。表示。磁信号的磁信号的极性是首尾相接，极性是首尾相接，在在N、N重叠重叠处为正的最正的最强，在在S、S重叠重叠处为负的最的最强。磁尺的的断面和磁化磁尺的的断面和磁化图形如下形如下图所所示。示。第7页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器大尺寸磁栅尺外形图大尺寸磁栅尺外形图第8页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁头磁头磁头磁头磁磁栅上的磁信号先由上的磁信号先由录磁磁头录好，再由好，再由读取取磁磁头读出，按出，按读取信号方式的不同，磁取信号方式的不同，磁头可分可分为静静态磁磁头动态磁磁头第9

5、页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器动态磁磁头动态磁磁头为非非调制式磁制式磁头，又称速度响，又称速度响应式磁式磁头，只有一个，只有一个绕组，当磁当磁头沿磁沿磁栅作相作相对运运动时才有信号才有信号输出。出。输出出为正弦波，在正弦波，在N N、N N重重迭迭处输出正信号最出正信号最强，在，在S S、S S重迭重迭处负信号最信号最强。（。（录音机上的磁音机上的磁头就是速度响就是速度响应式磁式磁头，只有在磁，只有在磁头和磁和磁带有相有相对运运动时才能才能检测出磁出磁信号）信号）1磁头；磁头；2磁栅；磁栅；3输出波形输出波形 动态磁头的工作原理动态磁头的工作原理 静止

6、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测量。动态测量。第10页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器静静态磁磁头静态磁头是静态磁头是调制式磁头调制式磁头，又称，又称磁通响应式磁头磁通响应式磁头。该磁头有两个绕组，一为该磁头有两个绕组，一为励磁绕组励磁绕组，另一为，另一为输出绕组。输出绕组。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，在它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之间磁头与磁栅之间

7、没有相对运动的情况下也有信号输出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11页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器静静态磁磁头的工作原理的工作原理 1磁头；磁头；2磁栅；磁栅；3输出波形输出波形N1为为励励磁磁绕绕组组，N2为为感感应应输输出出绕绕组组。在在励励磁磁绕绕组组中中通通入入高高频频的的励励磁磁电电流流，一一般般频频率率为为5kHz或或25kHz，幅幅值值约约为为200 mA。静态磁头静态磁头第12页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感

8、器第三第三节大位移大位移传感器感器励磁励磁绕组起磁路开关作用起磁路开关作用 当励磁当励磁绕组N1N1不通不通电流流时，磁路，磁路处于不于不饱和状和状态，磁磁栅上的磁力上的磁力线通通过磁磁头铁心而心而闭合。合。如果在励磁如果在励磁绕组中通入交中通入交变电流流i=ii=i0 0sinsint t，当，当交交变电流流i i的瞬的瞬时值达到某一个幅达到某一个幅值时，横杆上的，横杆上的铁心心材料材料饱和，和，这时磁阻很大，而使磁路磁阻很大，而使磁路“断开断开”，磁，磁栅上的磁通就不能在磁上的磁通就不能在磁头铁心中通心中通过。反之，当交。反之，当交变电流流i i的瞬的瞬时值小于某一数小于某一数值时，横杆上

9、的，横杆上的铁心材料不心材料不饱和，和，这时磁阻也降低得很小，磁路被磁阻也降低得很小，磁路被“接通接通”，则磁磁栅上的剩磁通就可以在磁上的剩磁通就可以在磁头铁心中通心中通过。由此可。由此可见，励磁励磁线圈的作用相当于磁开关。圈的作用相当于磁开关。静静态磁磁头的工作原理的工作原理 第13页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁感磁感应强度决定于磁度决定于磁头与磁与磁栅的相的相对位置。位置。随着激励交随着激励交变电流的流的变化，可化，可饱和和铁心心这一磁路一磁路开关不断地开关不断地“通通”和和“断断”，进入磁入磁头的剩磁通就的剩磁通就时有有时无。无。这样，在磁，在

10、磁头铁心的心的绕组N2N2中就中就产生生感感应电势，主要与磁主要与磁头在磁在磁栅上所上所处的位置有关，而与磁的位置有关，而与磁头和磁和磁栅之之间的相的相对速度关系不大。速度关系不大。静静态磁磁头的工作原理的工作原理 第14页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器感感应电动势的的频率率为励磁励磁电流流频率的两倍率的两倍 励磁励磁电流在一个周期内两次流在一个周期内两次过零，两零，两 次出次出现峰峰值。只要只要电流幅流幅值超超过某一某一额定定值，它，它产生的正向或反向磁生的正向或反向磁场均可使磁均可使磁头的的铁心心饱和，和，这样，在它，在它变化一个周期，化一个周期，铁

11、心心饱和两次，相和两次，相应的磁开关通断两次。磁路在由通到断的的磁开关通断两次。磁路在由通到断的时间内，内，输出出线圈中的交圈中的交链磁通量由磁通量由0 0变化到化到0 0；磁路在由；磁路在由断到通的断到通的时间内，内，输出出线圈中的交圈中的交链磁通量由磁通量由0 0 变化到化到0 0 ；0 0由磁性由磁性标尺中的磁信号决定，因此尺中的磁信号决定，因此输出出线圈中圈中输出出的是一个的是一个调幅信号。幅信号。静静态磁磁头的工作原理的工作原理 第15页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器励磁励磁电压为:v当磁当磁头不不动时，输出出绕组输出一等幅的正弦或余弦出一等幅

12、的正弦或余弦电压信号，其信号，其频率仍率仍为励磁励磁电压的的频率，其幅率，其幅值与磁与磁头所所处的的位置有关。位置有关。静静态磁磁头的工作原理的工作原理 第16页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器当磁当磁头运运动时，幅，幅值随磁尺上的剩磁影响而随磁尺上的剩磁影响而变化。由于剩化。由于剩磁形成的磁磁形成的磁场强度按正弦波度按正弦波变化，从而化，从而获取取调制波，制波，输出出绕组的感的感应电动势E E输出线圈输出的感应电动势；输出线圈输出的感应电动势；U Um m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

13、剩余信号的波长（磁化信号节距）；s s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决定的决定的静静态磁磁头的工作原理的工作原理 第17页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器 根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，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。所采用的信号处理方式也不同。动态磁磁头只有一只有一组绕组，其，其输出信号

14、出信号为正弦波，信号的正弦波，信号的处理方法也比理方法也比较简单，只要将，只要将输出信号放大整形，然后由出信号放大整形，然后由计数数器器记录脉冲数脉冲数n n，就可以，就可以测量出位移量的大小。但量出位移量的大小。但这种方种方法法测量精度量精度较低，低，而且不能判而且不能判别移移动方向。方向。第18页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器 静静态磁磁头一般用两个，双磁一般用两个，双磁头是是为了了识别磁磁栅的移的移动方向方向而而设置的，二者之置的，二者之间间距距为(n土土1/4)，(其中其中n为正整数正整数,为磁信号磁信号节距距)，也就是两个磁，也就是两个磁头布置

15、成相位差布置成相位差90关系关系，即，即两者空两者空间相位差相位差90。信号信号处理方式可分理方式可分为鉴幅方式和幅方式和鉴相方式两种。相方式两种。第19页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器鉴幅法幅法 若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信号若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信号经滤除高频载波后，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：则两磁头的输出信号为则两磁头的输出信号为它是利用它是利用输出信号幅出信号幅值大小来反映磁大小来反映磁头的位移量或磁尺相的位移量或磁尺相对位置的信号位置的信号处理方式。理方式。第

16、20页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器鉴相法鉴相法 若若两两磁磁头头的的激激励励磁磁绕绕组组上上施施加加相相位位差差为为/4的的正正弦弦激激励励信信号号，则两磁头输出信号变为：则两磁头输出信号变为：将两个输出线圈差动连接，则输出电动势为上式表明：鉴相处理后，电动势E的幅值是常数，相位正比于位移量x，用电子线路判断相位角，即可获得位移量及位移的方向。它是利用它是利用输出信号的相位大小反映磁出信号的相位大小反映磁头的位移量或磁尺相的位移量或磁尺相对位位置的信号置的信号处理方式理方式第21页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器录

17、制方便，成本低廉。当制方便，成本低廉。当发现所所录磁磁栅不合适不合适时可抹去重可抹去重录。使用方便，可在使用方便，可在仪器或机床上安装后再器或机床上安装后再录制磁制磁栅，因而可，因而可避免安装避免安装误差。差。可方便地可方便地录制任意制任意节距的磁距的磁栅。例如。例如检查蜗杆杆时希望基准希望基准量中含有量中含有因子，可在因子，可在节距中考距中考虑。磁磁栅位移位移传感器有感器有较高精度，目前可以作到系高精度，目前可以作到系统精度达精度达 0.01mm/m。低于感。低于感应同步器。同步器。分辨力分辨力为15 m但磁信号的均匀性和但磁信号的均匀性和稳定性定性对磁磁栅式位移式位移测量的精度影响量的精度

18、影响较大。大。磁磁栅式式传感器特点：感器特点：第22页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器磁磁栅在磨床在磨床测长系系统中的中的应用用第23页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器1、磁栅式位移传感器可分为测量线位移的长磁栅和测量角位移（）圆磁栅圆磁栅第24页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器2、磁栅式位移传感器测量位移时，其输出电动势为磁尺剩磁信号的波磁尺剩磁信号的波长=1.0mm,试问：（1）若）若输出出电动势此时所测得的位移量s是多少？（2）在一个测量周期内此传感器所能测量的最大位移量Smax是多少？第25页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器精品课件精品课件！第26页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器精品课件精品课件！第27页，本讲稿共28页第二章 位移检测传感器第三第三节大位移大位移传感器感器（1）若输出电动势（2）在一个测量周期内此传感器所能测量的最大位移量Smax是多少？第28页，本讲稿共28页