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1、传感器3.4 磁栅传感器及应用3.4.1 磁栅传感器的类型1.动态磁栅和静态磁栅 2.线位移磁栅和角位移磁栅 角位移磁栅又称磁栅盘，测量角位移。线位移磁栅应用最广，简称磁栅。（1）实体型磁栅 精度高，成本较高，长度有定限制。（2）带型磁栅 主要用于大型机床，有效长度可达30m，甚至更长。 （3）线型磁栅 磁栅尺和磁头组装在一起，安装使用方便，长3m以内，应用很广。 其它分类：精度等级：高精度和粗刻度；是否带绝对零点：增量式和绝对式。 3.4.2 磁栅传感器的原理【组成】由磁头、磁栅尺和检测电路组成。两个磁头间隔（m1/4）W位置上。【磁尺】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
2、，然后录上一定波长的磁信号。【磁头】分动态磁头（速度响应式）和静磁头（磁通响应式）。【静态磁头】有两组绕组N1和N2，N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。【励磁电流】一般频率为5kHz或25kHz，幅值约200mA。【输出感应电动势】励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和输出绕组不产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，输出绕组才产生感应电动势e。由于磁头的铁心是非线性的，因此磁头直接输出的感应电动势为脉冲状波形，其频率为励磁电流频率的两倍，如图3-20所示。感应电动势e的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与漏磁通的大小成正比，经带通滤波器后的输出信
3、号波形如图3-21所示。感应电动势e的数学表达为： 。 【多间隙磁头】各磁头两线圈可分别串联或并联。有平均效应，输出大、精度高。3.4.3 磁栅传感器的结构【带型磁栅尺】基体是带材，磁头的工作面压在磁带上，是接触式测量。【线型磁栅尺】基体是线材，用带孔的磁头套在线材上，是非接触式测量。【线型磁栅尺结构】有双端固定式和单端固定式两种。双端固定式又分为不带导向机构和带导向机构的两种。其中，不带导向机构的双端固定式线型磁栅应用最广。3.4.4 磁栅传感器的组装1.带型磁栅尺的张紧力调整及磁头压入深度2.线型磁栅尺的张紧力调整3.组装磁栅尺的安装平行度要求组装磁栅尺的安装平行度要求如图3-25所示，磁
4、栅盒体安装面A、B及磁头滑块安装面C的平行度应保持在一定公差范围内。3.5 容栅传感器容栅传感器是一种新型大位移数字式传感器，是一种增量型变面积电容式传感器。与光栅、磁栅、感应同步器等大位移传感器相比，精度稍差，但体积小、造价低、耗电省和环境适用性强，广泛用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪和机床行程的测量中。 3.5.1 容栅传感器的结构及工作原理【结构类型】直线型、圆形和圆筒形。直线型容栅传感器结构如图3-26a所示。容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙，如图3-26b所示。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺上有多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极（接地）。一组发
5、射电极的长度为一个节距W，一个反射电极对应于一组发射电极。在图3-35中，若发射电极有48个，分成6组，则每组有8个发射电极。每隔8个接在一起，组成一个激励相，在每组相同序号的发射电极上加一个幅值、频率和相位相同的激励信号，相邻序号电极上激励信号的相位差是45（360/8）。通过反射电极与发射电极和反射电极间的电容耦合作用，实现电荷从发射电极到接收电极的信号传递，使得接收电极上的输出信号随发射电极与反射电极的位置变化而变化。当动尺向右移动x距离时，在接收电极上累积的电荷Q为 ：Q=Csin(t+x)。 式中，C为电荷系数；为激励信号频率；x为由位移x引起的相位角。相位角x与发射极节距W的关系为
6、：x=arctan（2x/W）。 可见，相位角x与位移量x间存在一定的非线性。一般用于数显卡尺的容栅的极距W=0.635mm，最小分辨率为0.0lmm，非线性误差小于0.0lmm。3.5.2 容栅传感器的测量电路容栅传感器的测量电路有多种形式，图3-27所示为其中一种测量电路框图。图3-27 容栅传感器的测量电路框图由激励信号编码器产生的八路相移驱动信号送到发射电极上，接收电极输出位移调相信号经解调、放大和整形，再送入鉴相器，以检出相位变化。经运算器处理，然后进行公/英制转换和BCD码转换，再经译码、驱动，送液晶显示单元。3.5.3 容栅传感器的特点线性好、结构紧凑、简单、易于屏蔽、能耗小。
7、3.6 球同步器（球栅）球同步器也可译为球感尺，是利用变压器原理进行转换的。3.6.1 球同步器的特点开发球同步器是基于光栅尺不能适恶劣环境及玻璃基光栅尺存在精度受温度的影响。1.球同步器的优点图3-30 球同步器的工作原理示意图采用全密封型结构，尺体为金属结构、保护良好，壳体刚性强、密封好，温度特性好，抗干扰能力强，安装方便。2.球同步器的技术指标3.6.2 球同步器的外形和结构1.球同步器组装尺的外形和结构外形和结构如图3-28所示，防磁钢套、钢球、输入和输出线圈。钢球的直径即为球同步器的测量周期，增加球的数量可以增大量程，只要装钢球的冷拉不锈钢管（采用不导磁的材料）足够长，量程便不受其他
8、因素的限制。2.球同步器数显表3.6.3 球同步器的基本工作原理1.球同步器的基本工作原理图3-32 球同步器的输出信号与球的截面大小相关如图3-30a所示，类似电源变压器原理，输入线圈和输出线圈之间经钢球耦合，当线圈随运动部件位移时，耦合的钢球直径变化了，输出电压就发生了变化。2.球同步器的位置测量原理如图3-31所示，在不导磁的钢管内依次放入多个钢球，在钢管外配置输入线圈和输出线圈，给输入线圈加激磁信号，输出线圈的电压信号由微机数显表处理给出位置的数值。位置的测量是以球的直径为周期，连续测量时累加进行。在一个周期内输出信号电压值决定于球在不同位置的截面大小。如图3-41所示，设R为球半径，则球的任意截面半径r为： r，该截面面积为：sr2(2Rx-x2)，与位置x建立了关系。第 4 页 共 4 页
