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1、第三节第三节 大位移检测传感器大位移检测传感器一、磁栅位移传感器一、磁栅位移传感器1磁栅式传感器的分类、组成磁栅式传感器的分类、组成n磁栅式位移传感器根据用途可分为磁栅式位移传感器根据用途可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅位移传感器，分别用于测量位移传感器，分别用于测量线位线位移移和和角位移角位移。n磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成（如下图所示）测电路组成（如下图所示）2l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3磁栅的外形及结构图磁栅的外形及结构图磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理电去信号处理电路路固定孔固定孔
2、4磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头5 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)用用录磁录磁（即（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，这样磁尺上式保留在磁尺上，这样磁尺上录上一定波长的磁信号）录上一定波长的磁信号）的方法记录在的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于
3、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6长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量直线位移）（测量角位移）（测量角位移）尺形尺形带形带形同轴形同轴形（一）磁栅（一）磁栅7n磁尺是用非导磁性材料做尺基，磁尺是用非导磁性材料做尺基，在尺基的上面镀在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，经过录磁（即一层均匀的磁性薄膜，经过录磁（即用录音磁头用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩沿长度
4、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，这样磁尺上磁的形式保留在磁尺上，这样磁尺上录上一定波录上一定波长的磁信号），长的磁信号），磁尺的磁化图形排成磁尺的磁化图形排成SN、NS状状态。态。（一）磁栅（一）磁栅（一）磁栅（一）磁栅8n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。磁磁信号的极性是首尾相接，信号的极性是首尾相接，在在N、N重叠处为正的重叠处为正的最强，最强，在在S、S重叠处为负的最强。重叠处为负的最强。磁尺的的断磁尺的的断面和磁化图形如下图所示。面和磁化图形如下图所示。91磁头磁头 2磁栅磁栅 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5软垫软垫圆
5、磁栅传感器圆磁栅传感器几种常见磁栅的结构几种常见磁栅的结构 10大尺寸磁栅尺外形图大尺寸磁栅尺外形图11（二）磁头（二）磁头（二）磁头（二）磁头 磁栅上的磁信号先由录磁头录好，磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由读取磁头读出，按读取信号方式的再由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为不同，磁头可分为静态磁头静态磁头动态磁头动态磁头12动态磁头动态磁头动态磁头为动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，只有一又称速度响应式磁头，只有一个绕组，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重迭处输出正信号最强，在重
6、迭处输出正信号最强，在S、S重迭重迭处负信号最强。（录音机上的磁头就是速度响应式磁头，处负信号最强。（录音机上的磁头就是速度响应式磁头，只有在磁头和磁带有相对运动时才能检测出磁信号）只有在磁头和磁带有相对运动时才能检测出磁信号）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。因此它只能用于动态测量。13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。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
7、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。14静态磁头静态磁头静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 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25kH
8、z，幅幅值值约约为为200 mA。15工作原理（静态）工作原理（静态）n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，磁路处于不饱和状态，不通电流时，磁路处于不饱和状态，磁栅上的磁力线通过磁头铁心而闭合。磁栅上的磁力线通过磁头铁心而闭合。如果在励磁绕组中通入交变电流如果在励磁绕组中通入交变电流i=ii=i0 0sinsintt，当，当交变电流交变电流i i的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁心的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁心材料饱和，这时磁阻很大，而使磁路材料饱和，这时磁阻很大，而使磁路“断开断开”，磁栅，磁栅上的磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，
9、当交变电上的磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变电流流i i的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心材料不饱的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心材料不饱和，这时磁阻也降低得很小，磁路被和，这时磁阻也降低得很小，磁路被“接通接通”，则磁，则磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。由此可见，栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。由此可见，励磁线圈的作用相当于磁开关。励磁线圈的作用相当于磁开关。16工作原理（静态）工作原理（静态）n磁感应强度决定于磁头与磁栅的相对位置。磁感应强度决定于磁头与磁栅的相对位置。随着激励交变电流的变化，可饱和铁心这一磁随着激励交变电流的变化，可饱和铁心这一磁路开关不断地路开关
10、不断地“通通”和和“断断”，进入磁头的剩磁通，进入磁头的剩磁通就时有时无。这样，在磁头铁心的绕组就时有时无。这样，在磁头铁心的绕组N2中就产生中就产生感应电势感应电势，主要与磁头在磁栅上所处的位置有关，主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。而与磁头和磁栅之间的相对速度关系不大。17n感应电动势的频率为励磁电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 次出现次出现峰值。只要电流幅值超过某一额定值，它产生的峰值。只要电流幅值超过某一额定值，它产生的正向或反向磁场均可使磁头的铁心饱和，这样，正向
11、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，铁心饱和两次，相应的磁开在它变化一个周期，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间内，输出线关通断两次。磁路在由通到断的时间内，输出线圈中的交链磁通量由圈中的交链磁通量由0 0变化到变化到0；磁路在由断到；磁路在由断到通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由0 变化变化到到0 0；0 0由磁性标尺中的磁信号决定，因此由磁性标尺中的磁信号决定，因此输出线圈中输出的是一个调幅信号。输出线圈中输出的是一个调幅信号。18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，
12、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。19n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。由于剩磁形成的磁场强度按正弦波变化，化。由于剩磁形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从而获取调制波，输出绕组的感应电动势静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 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）
13、；磁尺剩余信号的波长（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20 根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的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。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，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信号的处理方法也
14、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形，然后由计数器记录脉冲数n n，就可以测量出位移，就可以测量出位移量的大小。但这种方法测量精度较低，量的大小。但这种方法测量精度较低，而且不能判别而且不能判别移动方向。移动方向。21 静态磁头静态磁头一般用两个，一般用两个，双磁头是为了识别磁栅双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，的移动方向而设置的，二者之间间距为二者之间间距为(n土土1/4)，(其中其中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，也就是两个磁头布置成相位差磁头布置成相位差90关系关系，即两者空间相位差，即两者空间相位差90。信号处理方式可分为鉴幅方式
15、和鉴相方式两种。信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。22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理方式。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理方式。23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
16、信号变为：n将两个输出线圈差动连接，则输出电动势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，电动势上式表明：鉴相处理后，电动势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，用电子线路判断相位角，即可获得位，用电子线路判断相位角，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置的信号处理方式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置的信号处理方式24磁栅式传感器特点：磁栅式传感器特点：n磁栅位移传感器有较高精度，目前可以作到系磁栅位移传感器有较高精度，目前可以作到系统精度达统精度达 n分辨
17、力为分辨力为15 mn但磁信号的均匀性和稳定性对磁栅式位移测量但磁信号的均匀性和稳定性对磁栅式位移测量的精度影响较大。的精度影响较大。2518、磁栅式位移传感器可分为测量线位移的、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（长磁栅和测量角位移（）（单一）（单一）2618、磁栅式位移传感器可分为测量线位移的、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）长磁栅和测量角位移（圆磁栅）2731、磁栅式位移传感器测量位移时，其输出、磁栅式位移传感器测量位移时，其输出电动势为（模拟二）电动势为（模拟二）磁尺剩磁信号的波长磁尺剩磁信号的波长=1.0mm,试问试问：（1）若）若输输出出电动势电动势此时所测得的位移量此时所测得的位移量s是多少？是多少？（2）在一个测量周期内此传感器所能测量的）在一个测量周期内此传感器所能测量的最大位移量最大位移量Smax是多少？是多少？28（1）若）若输出出电动势（2）在一个测量周期内此传感器所能测量的）在一个测量周期内此传感器所能测量的最大位移量最大位移量Smax是多少？是多少？29