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1、第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 传感器与检测技术传感器与检测技术课件第二章磁栅课件第二章磁栅第1页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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第2页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头第3页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁
2、带录音的原理将一定波长的电信号将一定波长的电信号(正弦波或矩形波正弦波或矩形波)用录磁用录磁（即用录音磁头沿长度（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）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）的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。的方法记录在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，磁头相对于磁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
3、测位置或位移转换成电信号。磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。磁磁栅式式传感器的感器的测试原理原理第4页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁尺是用非磁尺是用非导磁性材料做尺基，磁性材料做尺基，在尺基的上面在尺基的上面镀一一层均匀的磁均匀的磁性薄膜，性薄膜，经过录磁（即用
4、磁（即用录音磁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，这样磁尺上磁尺上录上上一定波一定波长的磁信号），磁尺的磁化的磁信号），磁尺的磁化图形排成形排成SN、NS状状态。磁尺磁尺第6页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁信号的波磁信号的波长（周期）又称（周期）又称节距，距，用用表示。表示。磁信号的极性是磁信号的极性是首尾相接，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示。所
5、示。第7页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 大尺寸磁栅尺外形图大尺寸磁栅尺外形图第8页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁头磁头磁头磁头 磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由读磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为可分为静态磁头静态磁头动态磁头动态磁头第9页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 动态磁头动态磁头动态磁头为动态磁头为非调制式磁头非调制式磁头，又称速度响应式磁头，只有一个绕
6、组，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。输出为正弦波，在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N N、N N重迭处输出正信号最强，在重迭处输出正信号最强，在S S、S S重迭处负信号最强。（录重迭处负信号最强。（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）运动时才能检测出磁信号）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。
7、第10页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 静态磁头静态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，在磁头与磁栅之间没磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出有相对运动的情况下也有信号输出。当磁头运
8、动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化，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。输出感应电动势。第11页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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25kHz，幅幅 值值 约约 为为200 mA。静态磁头静态磁头第12页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 励磁励磁绕
9、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，横杆上的，横杆上的铁心材料不心材料不饱和，和，这时
10、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。静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 第13页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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开关不断地一磁路开关不断地“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，在磁在磁头铁心的心的绕组N2N2中就中
11、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速度关系不大。系不大。静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 第14页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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，铁心心饱和两次，
12、相和两次，相应的磁的磁开关通断两次。磁路在由通到断的开关通断两次。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磁通量由通量由0 0变化到化到0 0；磁路在由断到通的；磁路在由断到通的时间内，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的是一个出的是一个调幅信号。幅信号。静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 第15页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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弦电当磁头不
13、动时，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，其幅值与磁头所压信号，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。处的位置有关。静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 第16页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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
14、感应电动势峰值；磁尺剩余信号的波长（磁化信号节距）；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决定的决定的静态磁头的工作原理静态磁头的工作原理 第17页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不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。同，所采
15、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，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然后由计数器记录脉冲数n n，就可以测量出位移量的大小。，就可以测量出位移量的大小。但这种方法测量精度较低，但这种方法测量精度较低，而且不能判别移动方向。而且不能判别移动方向。第18页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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
16、，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，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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
17、利用输出信号幅值大小来反映磁头的位移量或磁尺相对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。位置的信号处理方式。第20页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 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，则则两两磁头输出信号变为：磁头输出信号变为：将两个将两个输出出线圈差圈差动连接，接，则输出出电动势为 上式表明：上式表明：鉴相相处理后，理后，电动势E E的幅的幅值是常数，相位正比于位是常数，相位正比于位移量移量x x，用，用电子子线路判断相位角，即可路判
18、断相位角，即可获得位移量及位移的方向。得位移量及位移的方向。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置的信号处理方式第21页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 录制方便，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
19、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影响较大。大。磁栅式传感器特点：磁栅式传感器特点：第22页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用第23页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 1、磁、磁栅式位移式位移传感器可
20、分感器可分为测量量线位移的位移的长磁磁栅和和测量角位量角位移（移（）圆磁栅圆磁栅第24页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 2、磁、磁栅式位移式位移传感器感器测量位移量位移时，其，其输出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）若输出出电动势此此时所所测得的位移量得的位移量s是多少？是多少？（2）在一个）在一个测量周期内此量周期内此传感器所能感器所能测量的最大位移量量的最大位移量Smax是多少？是多少？第25页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 精品课件精品课件！第26页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 精品课件精品课件！第27页，此课件共28页哦第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 （1）若）若输出出电动势（2）在一个）在一个测量周期内此量周期内此传感器所能感器所能测量的最大位移量量的最大位移量Smax是多是多少？少？第28页，此课件共28页哦