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1、第三章 位移传感器第二节第二节 感应同步器感应同步器感应同步器：是用感应同步器：是用电磁感应电磁感应原理原理来测量直线位移和角位来测量直线位移和角位移的一种精密传感器。移的一种精密传感器。 直线式感应同步器直线式感应同步器的的结构特点结构特点： 由定尺和滑尺两部分组成，在定尺由定尺和滑尺两部分组成，在定尺和滑尺上腐蚀成印刷电路绕组和滑尺上腐蚀成印刷电路绕组 。 工作原理工作原理：一般情况下，首先一般情况下，首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕
2、组称为这种绕组称为印制电路绕组印制电路绕组。 定尺和滑尺上的绕组分布是不定尺和滑尺上的绕组分布是不相同的。在定尺上的是连续绕组，在相同的。在定尺上的是连续绕组，在滑尺上的则是分段绕组。分段绕组分滑尺上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差相角，又为两组，布置成在空间相差相角，又称为正、余弦绕组。称为正、余弦绕组。 感应同步器的分段绕组和连续感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。作。 安装时，定尺和滑尺上的平面绕安装时，定尺和滑尺上的平面绕组面对面地放置。工作时，如
3、果在其组面对面地放置。工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势。感应电动势。 该电动势随定尺与滑尺的相对位该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的检测处理，便可测量出过对此信号的检测处理，便可测量出直线的位移量。直线的位移量。 鉴幅方式：（特征是用输出感应电动势的鉴幅方式：（特征是用输出感应电动势的幅值来进行处理信号幅值来进行处理信号 ） 在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、相位差为
4、同、相位差为90的交流电压励磁，即正弦的交流电压励磁，即正弦绕组励磁电压绕组励磁电压us、余弦绕组励磁电压、余弦绕组励磁电压uc 。两。两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，其值分别为势，其值分别为es、 ec。按叠加原理求得定尺总感应电动势为按叠加原理求得定尺总感应电动势为 e= es+ ec 称为感应电动势的相位角。称为感应电动势的相位角。 表示电表示电磁耦合系数。实际中设计了一个这样的电磁耦合系数。实际中设计了一个这样的电路系统，每当位移路系统，每当位移 超过一定值（例如）超过一定值（例如），就使的幅值超过某一预先调定的门槛电，就使的幅值超过某一预
5、先调定的门槛电平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自动地改变励磁电压幅值动地改变励磁电压幅值 和和 ，使新的，使新的 跟上新的跟上新的 ，这样便把位移量转换成数字，这样便把位移量转换成数字量，从而实现了对位移的数字显示。量，从而实现了对位移的数字显示。 第四节 磁栅传感器 磁栅价格低于光栅，且录磁方便、磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可易于安装，测量范围宽可超过十几米超过十几米，抗干扰能力强。磁栅可分为抗干扰能力强。磁栅可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁量，圆
6、磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。理电路组成。 磁栅上录有等间距的磁信号，它是磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号变化的电信号(正弦波或矩形波正弦波或矩形波)用录用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而磁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，磁头相对于磁栅有一定的置工作时，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，这样就把被测栅上的磁
7、信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。位置或位移转换成电信号。 一、磁栅结构一、磁栅结构一、磁栅结构一、磁栅结构（一）磁尺（一）磁尺（一）磁尺（一）磁尺 磁栅基体是用不导磁材料做成的，上面镀一磁栅基体是用不导磁材料做成的，上面镀一磁栅基体是用不导磁材料做成的，上面镀一磁栅基体是用不导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜，经过录磁，其磁信号排列情层均匀的磁性薄膜，经过录磁，其磁信号排列情层均匀的磁性薄膜，经过录磁，其磁信号排列情层均匀的磁性薄膜，经过录磁，其磁信号排列情况如图中所示，要求录磁信号幅度均匀，幅度变况如图中所示，要求录磁信号幅度均匀，幅度变况如图中所示，要求录磁信号幅度均
8、匀，幅度变况如图中所示，要求录磁信号幅度均匀，幅度变化应小于化应小于化应小于化应小于1010，节距均匀。目前长磁栅常用的磁，节距均匀。目前长磁栅常用的磁，节距均匀。目前长磁栅常用的磁，节距均匀。目前长磁栅常用的磁信号节距信号节距信号节距信号节距WW一般为和两种。一般为和两种。一般为和两种。一般为和两种。 （二）磁头（二）磁头（二）磁头（二）磁头 磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头号方式的不同，磁
9、头可分为动态磁头与静态磁头号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头两种。两种。两种。两种。（1）动态磁头）动态磁头 动态磁头为非调制式磁头，又称速度动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，它只有一组线圈。当磁头与响应式磁头，它只有一组线圈。当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，由于磁栅之间以一定的速度相对移动时，由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电动势。电磁感应将在磁头线圈中产生感应电动势。当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时,输出感应电动势的大小也不同输出感应电动势的大小也不同, 静止时，就静止时，就没有信号输出。因此它不适合用于长度测没有信号输出
10、。因此它不适合用于长度测量。量。 读出信号为正弦信号，在读出信号为正弦信号，在N处为正的处为正的最强，最强，S处为负的最强。处为负的最强。 （2）静态磁头）静态磁头 静态磁头是调制式磁头，又称磁通响静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。它与动态磁头的根本不同之处应式磁头。它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。情况下也有信号输出。 由此可见，静态磁头的磁栅是利用它由此可见，静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通变化来产生感应电动势的。静态的漏磁通变化来产生感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两磁头输出信号
11、的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦（或余弦）关系。移成正弦（或余弦）关系。 静态磁头一般总是成对使用，静态磁头一般总是成对使用，即用两个间距为（即用两个间距为（n1/4）W的磁的磁头，其中头，其中n为正整数，为正整数，W为磁信号为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空节距，也就是两个磁头布置成在空间相差间相差90。 磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示鉴相型磁栅数显表的原理框图 磁尺与磁头接触，使用寿命磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何在？意义何在？磁栅的外形及结构磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理电路去信号处理电路固定孔固定孔磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺
