磁柵傳感器08級(jí)待用70

1、磁柵式傳感器1磁柵是一種新型檢測(cè)元件，也是一種新型測(cè)尺。它具有精度高，制造簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝、調(diào)整方便以及對(duì)環(huán)境條件要求較低等優(yōu)點(diǎn)。它在基本運(yùn)行量測(cè)量中發(fā)揮著重要作用。磁柵是一根磁性標(biāo)尺。它以非導(dǎo)磁材料為基體，表面涂有一層均勻的磁性薄膜，并根據(jù)磁記錄原理，在磁性薄膜上記錄下高精度的磁信號(hào)，這種記錄有高精度的磁信號(hào)的標(biāo)尺就是磁柵。 以磁信號(hào)作為基準(zhǔn)通常為圓形光測(cè)、電測(cè)、磁測(cè)2磁柵按其結(jié)構(gòu)一般可分為如下幾種類型： 磁柵的種類角度位移量直線位移量平面型直線磁尺同軸型直線磁尺（圖 3）尺型（圖 1）帶型（圖 2）旋轉(zhuǎn)型磁尺（圖 4）34磁尺靜態(tài)磁頭接信號(hào)處理電路固定孔5 磁柵是基于磁記錄原理來測(cè)量長(zhǎng)

2、度和角度的測(cè)量裝置，如圖所示磁 柵磁 頭 測(cè)量電路輸 出6-1 磁柵的基本原理一、磁柵的構(gòu)造磁柵是由磁尺、磁頭以及測(cè)量線路構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)。磁尺是在尺的基面上涂上或鍍上一層磁性媒質(zhì)作為磁性薄膜，高精度地記錄上磁信號(hào)。其刻度為周期的模擬信號(hào)，因此可以用細(xì)分技術(shù)得到高分辯率、高精度測(cè)量。磁頭是檢測(cè)尺上記錄的磁信號(hào)，并將它變換成電信號(hào)的元件。測(cè)量線路是處理電信號(hào)以便把它變成合適于計(jì)算與控制的信號(hào)，有時(shí)又叫做檢測(cè)器。 6二、對(duì)磁尺的要求 1、尺基由于尺子上要長(zhǎng)期保留磁信號(hào)，并安裝在儀器或機(jī)床上使用，所以要求尺基具有如下特點(diǎn)：（1）基體材料的結(jié)構(gòu)要均勻、緊密，以防止在溫度變化時(shí)其幾何形狀發(fā)生形變，降低幾何

3、精度。（2）基體材料要求不導(dǎo)磁及具有良好的加工性和電鍍性能。實(shí)驗(yàn)證明銅和鋁能滿足上述要求。但銅重量太大且價(jià)格較貴，因此磁柵的基體材料一般多選用鋁或鋁合金。也有在一般鋼材表面電鍍一層銅以隔磁來作為基體材料的。7對(duì)磁性薄膜的要求1、良好的機(jī)械性能。材料應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。硬度和耐磨性以及受外界溫度和濕度變化影響小。2、良好的磁性能。材料應(yīng)具較有較大的剩磁和矯頑力。一般要求材料的剩磁不小于5000Gs，矯頑力不小于500Oe。一般在非導(dǎo)磁金屬基體上進(jìn)行電鍍時(shí)。多選用Ni-Co-P合金，其Br=7000-9000GS，HC=800Oe，薄膜厚度為0.015mm左右。三、磁性薄膜的電鍍8 待 鍍 園

4、盤電鍍?nèi)芤?6-2 磁柵的刻制一、刻制原理 利用與錄音技術(shù)相類似的方法，通過錄音磁頭在磁性園盤外園的磁性層上錄制整數(shù)個(gè)波長(zhǎng)嚴(yán)格相等的正弦磁波，從而使園盤外園被均分的過程稱磁刻，已磁刻好的磁性園盤稱為園形磁柵。園盤外園上的每個(gè)正弦磁波表示磁柵的一條柵紋，而其波長(zhǎng)則表示兩條柵紋間的柵距。顯然，每個(gè)柵距便代表著園形磁柵的角度（或長(zhǎng)度）的計(jì)量單位。而某一被測(cè)角度（或長(zhǎng)度）的大小，便可用與這些計(jì)量單位對(duì)應(yīng)的角度（或長(zhǎng)度）的總和來表示。當(dāng) 表示柵距， 表示磁性園盤旋轉(zhuǎn)的線速度，f表示錄磁電流的頻率時(shí)，則它們?nèi)唛g有下列關(guān)系10SSNNN 這個(gè)簡(jiǎn)單的公式，便是刻制磁柵的理論基礎(chǔ)。很明顯，要使園形磁柵獲得精確

5、的刻度，必須使每個(gè)柵距（即每個(gè)磁波波長(zhǎng)）嚴(yán)格相等。而要滿足這個(gè)要求,必須使V和f嚴(yán)格地保持恒定。因此V=恒量和f=恒量便是園形磁柵實(shí)現(xiàn)精確刻制的充要條件。測(cè)量的基準(zhǔn)11磁性園盤磁頭信號(hào)源NSSNSNSSSNNN12NSSNSNSSSNNN磁柵柵距磁波波長(zhǎng) 磁波數(shù) 柵紋數(shù) 由圖可見，兩個(gè)極性相反的相鄰磁化單元正好對(duì)應(yīng)于交變信號(hào)電流的一個(gè)周期，即構(gòu)成一個(gè)磁波的波長(zhǎng)（或磁柵的柵距），其值由式?jīng)Q定。例如磁性層經(jīng)過磁頭氣隙的線速度 =375mm/S，信號(hào)電流的頻率f=500Hz，于是得到磁波波長(zhǎng)=375/500=0.75mm。 磁性園盤磁頭信號(hào)源13 在圓形磁柵刻制過程中，當(dāng)錄磁信號(hào)頻率為500Hz，為

6、刻制成柵距為0.75mm的磁柵，磁性圓盤旋轉(zhuǎn)速度為 在圓形磁柵刻制過程中，當(dāng)錄磁信號(hào)頻率為500Hz，為刻制成柵距為0.75mm的磁柵，磁性圓盤旋轉(zhuǎn)速度為 14二、刻制裝置同步電動(dòng)機(jī)下飛輪上飛輪磁性園盤下圖為裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。15 速度 變化或者頻率f變化都會(huì)帶來磁波波長(zhǎng)（磁柵柵距）的改變，從而帶來測(cè)量基準(zhǔn)的變化測(cè)量的基準(zhǔn)16三、直線型磁柵的刻制背景磁 柵磁 頭被測(cè)部件17線位移量用圓形磁柵將線位移量變成角位移量測(cè)量磁 柵磁 頭18NSSNSNSSSNNN用長(zhǎng)形磁柵直接測(cè)量線位移量19 如果將園型磁柵直線展開，并將柵紋復(fù)制在另一作同步運(yùn)動(dòng)的磁性尺上，便實(shí)現(xiàn)了磁尺柵紋的刻制，如圖所示。這種方法

7、的刻制過程是：在一個(gè)工作臺(tái)上，固定一根金屬直尺和一根待刻制的磁性尺。在工作臺(tái)近旁的軸上，一個(gè)金屬基準(zhǔn)園盤和一個(gè)園型磁柵同心安裝。當(dāng)基準(zhǔn)園盤在金屬直尺一側(cè)作近于無滑動(dòng)的純滾動(dòng)，這相當(dāng)將基準(zhǔn)園盤作直線展開。此時(shí)從與基準(zhǔn)園盤同軸旋轉(zhuǎn)的園型磁柵上拾取信號(hào)，并經(jīng)放大后刻制在磁性直尺上，便實(shí)現(xiàn)了磁柵柵紋的翻刻。這種方法主要是利用了基準(zhǔn)園盤在直尺上的滾動(dòng)，并同時(shí)將園型磁柵柵紋翻刻在磁性直尺的原理。故稱為基準(zhǔn)園-直尺滾動(dòng)翻刻法。 刻制方法若基準(zhǔn)園盤的直徑為D，柵紋數(shù)為N，則磁柵的柵距（即磁尺磁波的波長(zhǎng)）為20 顯然，當(dāng)磁柵園盤的直徑和基準(zhǔn)園盤直徑相等，而且等于磁性直尺的長(zhǎng)度時(shí)，則翻刻在磁性直尺上的柵紋數(shù)和柵距

8、與園磁柵相同。若基準(zhǔn)園盤的直徑為D，柵紋數(shù)為N，則磁柵的柵距（即磁尺磁波的波長(zhǎng)）為21 采用基圓一直尺滾動(dòng)翻刻法刻制磁性直尺時(shí)，若磁柵圓盤直徑等于基圓直徑為159mm，磁柵圓盤上柵紋數(shù)為500。那么，該磁柵圓盤的柵距為 ，磁柵圓盤上有波長(zhǎng)為 的正弦磁波 個(gè)。為了在磁性直尺上得到和磁柵圓盤相同的柵紋數(shù)及柵距，該磁性直尺的長(zhǎng)度為 。（4x2分=8分）22 采用基圓一直尺滾動(dòng)翻刻法刻制磁性直尺時(shí)，若磁柵圓盤直徑等于基圓直徑為159mm，磁柵圓盤上柵紋數(shù)為500。那么，該磁柵圓盤的柵距為1mm ，磁柵圓盤上有波長(zhǎng)為1mm的正弦磁波500 個(gè)。為了在磁性直尺上得到和磁柵圓盤相同的柵紋數(shù)及柵距，該磁性直尺

9、的長(zhǎng)度為500mm。（4x2分=8分）236-3 錄磁與拾磁 在電磁學(xué)中，下述兩種基本現(xiàn)象是眾所周知的：1、當(dāng)環(huán)繞于鐵磁材料的線圈通電時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將鐵磁材料磁化；而線圈斷電后，由于鐵磁材料的“磁滯”現(xiàn)象使它仍保持一定大小的剩磁。2、與上述現(xiàn)象相反，當(dāng)已磁化的鐵磁材料的剩磁在空間或按時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，在環(huán)繞它的線圈上將產(chǎn)生一個(gè)與磁場(chǎng)變化方向交鏈的電流。一、基本原理24 若將按一定規(guī)律變化的電流信號(hào)加至錄磁磁頭線圈的兩端，由于磁頭是一個(gè)在鐵心首尾部都有氣隙的電磁鐵，故此時(shí)在磁頭磁路中就會(huì)產(chǎn)生與電流信號(hào)化規(guī)律相同并與之交鏈的磁通，如圖所示。顯然在鐵芯氣隙處形成一個(gè)具有一定方向的磁場(chǎng)。若這時(shí)有一鐵

10、磁材料層（如磁柵園盤或磁帶）以一定線速度從磁頭氣隙的前端經(jīng)過，則氣隙附近邊緣的一部份磁通和全部漏磁通便經(jīng)過磁性層而閉合（因?yàn)榇判詫拥拇抛璞葰庀痘蚩諝獾拇抛栊〉枚啵?，于是磁性層便按電流變化的?guī)律逐次被磁化具有相應(yīng)極性的磁化小單元，如圖所示相對(duì)磁導(dǎo)率不大二、錄磁原理25 對(duì)于錄磁原理可作進(jìn)一步說明：當(dāng)信號(hào)電流流過磁頭線圈時(shí)，在磁頭氣隙處便產(chǎn)生一相應(yīng)大小和方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而氣隙的尺寸又決定了磁路的磁阻，因此經(jīng)過氣隙的磁性層便被那里的磁場(chǎng)磁化。一般這種鐵磁材料都具有較強(qiáng)的剩磁，故磁性層被磁化的部份在離開磁頭氣隙后按一定的原理仍保持其磁化狀態(tài)。因此在磁性層上便形成了一連串的具有相應(yīng)極性的基本磁化單元?；?/p>

11、本磁化單元的長(zhǎng)度和磁化強(qiáng)度，主要取決于流過磁頭磁路的磁通大小和變化規(guī)律，亦即取決于流過磁頭線圈的電流的頻率和振幅。此時(shí)已形成的基本磁化單元對(duì)外顯示一定大小和方向的磁場(chǎng)，其磁力線的分布如圖所示。26磁頭磁帶運(yùn)動(dòng)方向工作縫隙磁帶剩 磁磁性層記錄波長(zhǎng)： = v / f27 如已磁化的磁性層經(jīng)拾磁頭的氣隙而運(yùn)動(dòng)，則磁性層上磁化單元的磁場(chǎng)將按空間不同的位置發(fā)生變化。由于磁頭的鐵心是極好的導(dǎo)磁材料，故磁化單元的磁通很容易經(jīng)它而閉合。但是不同的極性的磁化單元在鐵心里產(chǎn)生磁通的方向是不同的，故當(dāng)載有若干磁化單元的磁性層在拾磁頭的氣隙下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過鐵心磁通也隨之不斷發(fā)生相應(yīng)的變化，并在磁頭線圈中產(chǎn)生如下式所示的

12、感生電勢(shì)： 三、拾磁原理28 從磁路分析的角度還可以這樣理解：由于基本磁化單元是有一確定的大小和方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以把它看成有一磁勢(shì)。當(dāng)磁化層經(jīng)拾磁磁頭氣隙運(yùn)動(dòng)時(shí)，在磁頭氣隙處可表示成一定大小和方向的磁勢(shì)，而磁頭的鐵心則表示磁路的等效磁阻，故有一相應(yīng)大小的磁通通過磁路，于是便在線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。如果用Fm表示磁勢(shì)、Rm表示磁阻，則流過磁路的磁通為29四、磁頭的結(jié)構(gòu)和工作原理（一）磁頭結(jié)構(gòu) 磁頭是一個(gè)在鐵心上繞有線圈的電磁鐵。鐵心由兩組形狀相同的半環(huán)形軟磁合金薄片重疊而成，在這兩個(gè)半環(huán)形的鐵心上繞有兩個(gè)匝數(shù)相等的線圈，在鐵心對(duì)合時(shí)，前后兩端都留有一狹窄的氣隙，前端稱為工作氣隙,后端稱為輔助氣

13、隙。錄磁和拾磁實(shí)際上就是電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能及其逆過程，而磁頭就是實(shí)現(xiàn)這兩種轉(zhuǎn)換的電磁變換器。工作氣隙輔助氣隙速度響應(yīng)磁頭30速度響應(yīng)磁頭（二）鐵心的作用和要求 在磁頭中鐵心的作用是導(dǎo)磁，因此鐵心用導(dǎo)磁率很好的軟磁材料作成。這樣錄磁時(shí)能在相同的磁化電流下，產(chǎn)生較大的磁通，從而提高錄磁效率；而拾磁時(shí)，磁性層上的磁化單元的磁通亦容易通過它而閉合，從而提高了拾磁的靈敏度。此外還要求鐵心材料的矯頑力要小，以保證流過鐵心的磁通能跟隨錄磁電流的變化而變化，因而可以實(shí)現(xiàn)高頻錄磁。31速度響應(yīng)磁頭32磁頭與磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出波形演示33五、磁通響應(yīng)磁頭 動(dòng)態(tài)測(cè)量與靜態(tài)測(cè)量最主要的區(qū)別在于磁頭與磁柵間的相對(duì)速度

14、。前者的相對(duì)速度一般具有一個(gè)大小且恒定均勻，而后者則無此要求，甚至磁頭和磁柵間的相對(duì)速度為零即處靜止?fàn)顟B(tài)也能拾取信號(hào)。顯然一般的速度響應(yīng)磁頭不能滿足這一要求，而必須采用一種結(jié)構(gòu)原理特殊的磁通響應(yīng)磁頭。 34 圖表示磁通響應(yīng)磁頭（即靜態(tài)磁頭）的結(jié)構(gòu)及拾訊原理圖。這種磁頭的鐵心包括磁極鐵心和可飽和鐵心。這相當(dāng)于在速度響應(yīng)磁頭的磁極鐵心回路中串聯(lián)了一個(gè)可飽和鐵心，可飽和鐵心是一段截面積很小的軟磁性材料。在磁極鐵心上繞有信號(hào)線圈W2，而在可飽和鐵心上繞有激磁線圈W1，在激磁線圈內(nèi)通入適當(dāng)強(qiáng)度的高頻電流，使截面積小的鐵心部份在每周內(nèi)兩次達(dá)到飽和。這時(shí)鐵心的磁阻很大，磁柵漏磁通不能在磁頭的鐵心中通過。顯然

15、，可飽和鐵心好象一個(gè)“磁路開關(guān)”，隨著激磁電流的變化不斷的“通”“斷”，使穿過磁頭鐵心的磁通時(shí)有時(shí)無，于是信號(hào)線圈上便感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，使之有信號(hào)電壓輸出。磁極鐵心可飽和鐵心35磁柵漏磁通 氣隙磁阻 鐵芯磁阻36 由于激磁電流在正負(fù)半周的絕對(duì)值都可以導(dǎo)致可飽和鐵心飽和，使磁路實(shí)現(xiàn)一次“通”“斷”，故在激磁信號(hào)一周內(nèi)，磁頭信號(hào)線圈內(nèi)產(chǎn)生的感生電勢(shì)為兩周，即磁頭信號(hào)線圈內(nèi)產(chǎn)生的感生電勢(shì)的頻率為激磁信號(hào)電流頻率的兩倍。因此磁通響應(yīng)磁頭又稱為“二次諧波調(diào)制型磁頭”。磁頭輸出信號(hào)電壓的幅值僅與進(jìn)入磁頭鐵心的漏磁通大小有關(guān)，而與磁頭和磁柵間的相對(duì)速度大小無關(guān)，因此它能在低速甚至靜態(tài)情況下工作，故磁通響應(yīng)磁頭也

16、可叫做“靜態(tài)磁頭”。如果磁尺上剩磁磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律為37錄磁電流磁盤上剩磁信號(hào)38則磁頭輸出電壓為39406-4 磁柵傳感器的檢測(cè)電路一、觸發(fā)式相位計(jì)放 大放 大 整 形 整 形 微 分 微 分下圖表示觸發(fā)式相位計(jì)的原理框圖。圖中u1和u2是兩個(gè)待測(cè)的比相信號(hào)，其相位差為 。信號(hào)經(jīng)放大、限幅、整形、微分后變換為兩路單向尖脈沖。這時(shí)變換為兩路脈沖信號(hào)的時(shí)差。經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器鑒別后，又變換為觸發(fā)器兩輸出端分別對(duì)地或兩輸出端的平均電壓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如兩個(gè)待測(cè)信號(hào)分別為UH和UL分別表示觸發(fā)器的截止和飽和電

17、壓。使E=UH-UL，則E即為觸發(fā)器輸出電壓的幅度。由圖可見。4445-EE0 單端對(duì)地輸出46二、細(xì)分技術(shù)利用磁柵進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)零件移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出一個(gè)周期的交變信號(hào)，也即產(chǎn)生一個(gè)脈沖間隔。那么每個(gè)脈沖間隔代表移動(dòng)一個(gè)柵距，即分辯率或說脈沖當(dāng)量為一個(gè)柵距。例如每毫米250條柵紋的長(zhǎng)磁柵，柵距為4m，那么其分辯率（脈沖當(dāng)量）為4m。隨著對(duì)測(cè)量精度要求提高，分辯率為4m是不夠的，希望提高到1m、0.1m或更高。如果以磁柵柵距直接作計(jì)量單位，這意味著柵線密度要達(dá)到每毫米千條線到萬條線。就目前工藝水平來看，要實(shí)現(xiàn)如此高的柵線密度是很困難甚至無法實(shí)現(xiàn)。因此人們廣為采用的方法是，在選擇合適的磁柵柵

18、距的前提下，對(duì)磁柵進(jìn)行測(cè)微電子學(xué)中稱“細(xì)分”來得到所需的最小讀數(shù)值。471、直接細(xì)分484950 整形 微分 前沿5152 對(duì)于1mm長(zhǎng)范圍內(nèi)有10條柵紋的磁柵，其測(cè)量長(zhǎng)度的分辨率為 ，若要將其分辨率提高到1m，需要進(jìn)行 細(xì)分。（2x2分=4分）53 對(duì)于1mm長(zhǎng)范圍內(nèi)有10條柵紋的磁柵，其測(cè)量長(zhǎng)度的分辨率為0.1mm，若要將其分辨率提高到1m，需要進(jìn)行100細(xì)分。（2x2分=4分）54磁柵上磁波信號(hào)表式為 ，為獲得兩個(gè)相位相差90度的信號(hào)，應(yīng)在相距 處放置兩個(gè)磁頭。 55磁柵上磁波信號(hào)表式為 ，為獲得兩個(gè)相位相差90度的信號(hào)，應(yīng)在相距 處放置兩個(gè)磁頭。 562、電位器電橋（電阻鏈）細(xì)分電路如

19、圖所示令依據(jù)疊加定律，有57若則有上式說明給電位器兩端加兩個(gè)相位差 的信號(hào)，即可在輸出端得到上式形式的信號(hào)。58如果我們用 個(gè)電位器，使它們電刷兩邊的電阻比分別為將正交信號(hào) 和 同時(shí)加到這 個(gè)電位器兩端，我們就可以從這 個(gè)電位器的電刷端得到 個(gè)彼此相位差的正弦信號(hào) 59將四個(gè)相位依次相差90度的正弦信號(hào)加到如下圖所示的電位器橋細(xì)分電路使圖中第個(gè) 電位器兩邊比值為我們即可以獲得48個(gè)相位差 的信號(hào)，這樣即達(dá)到了48細(xì)分的目的。 電阻電橋48細(xì)分電路6061三、辨向原理在實(shí)際應(yīng)用中，大部份被測(cè)物體的移動(dòng)往往不是單向的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)。單個(gè)磁頭接收一固定點(diǎn)磁化單元信號(hào)，只能判別磁通大小變化而不能判別被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測(cè)量位移。計(jì)數(shù)脈沖62超前計(jì)數(shù)脈沖加減控制觸發(fā)器置1（）超前加減控制觸發(fā)器置0（）63一，磁柵數(shù)顯角度檢測(cè)裝置 磁柵旋轉(zhuǎn)體 磁通響應(yīng)磁頭放大器計(jì)數(shù)顯示 峰值 電壓表6-5 磁柵傳感器的應(yīng)用64磁尺65 這里的360表示磁柵園盤園周的度數(shù)。在旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)過程中，磁通響應(yīng)磁頭將拾磁信號(hào)送入檢測(cè)裝置，經(jīng)