位移检测传感器之磁栅传感器1

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1、第三节大位移检测传感器一、磁栅位移传感器1磁栅式传感器的分类、组成磁栅式位移传感器根据用途可分为长磁栅和圆磁栅位移传感器，分别用于测量线位移和角位移。磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成（如下图所示）2l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－铁心；5－磁头3磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔4磁尺磁栅外观图磁头5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(正弦波或矩形波)用录磁（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

2、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。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，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。磁栅式传感器的测试原理6长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形（一）磁栅7磁尺是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，经过录磁（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），磁尺的

3、磁化图形排成SN、NS状态。（一）磁栅8磁信号的波长（周期）又称节距，用λ表示。磁信号的极性是首尾相接，在N、N重叠处为正的最强，在S、S重叠处为负的最强。磁尺的的断面和磁化图形如下图所示。91－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5－软垫圆磁栅传感器几种常见磁栅的结构10大尺寸磁栅尺外形图11（二）磁头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，磁头可分为静态磁头动态磁头12动态磁头动态磁头为非调制式磁头，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

4、出。输出为正弦波，在N、N重迭处输出正信号最强，在S、S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静态磁头静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。——该磁头有两个绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组。励磁绕组——绕在磁路截面尺寸较小的横臂上输出绕组——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，在磁头与磁栅之间没有相对运

5、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化，输出感应电动势。14静态磁头静态磁头的工作原理1—磁头；2—磁栅；3—输出波形N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入高频的励磁电流，一般频率为5kHz或25kHz，幅值约为200mA。15工作原理（静态）励磁绕组起磁路开关作用当励磁绕组N1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。如果在励磁绕组中通入交变电流i=i0sinωt，当交变电流i的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁心材料饱和，

6、这时磁阻很大，而使磁路“断开”，磁栅上的磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变电流i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“接通”，则磁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。16工作原理（静态）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，可饱和铁心这一磁路开关不断地“通”和“断”，进入磁头的剩磁通就时有时无。这样，在磁头铁心的绕组N2中就产生感应电势，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

7、的相对速度关系不大。17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次出现峰值。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，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，输出线圈中的交链磁通量由Φ0变化到0；磁路在由断到通的时间内，输出线圈中的交链磁通量由0变化到Φ0；Φ0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。18励磁电压为:当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频

8、率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置有关。19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，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E—输出线圈输出的感应电动势；Um—输出线圈输出的感应电动势峰值；λ—磁尺剩余信号的波长（磁化信号节距）；s—磁头对磁性标尺的位移量；ω—输出线圈感应电动势的频率，是激磁电流I的频率的2倍。E和磁性标尺与磁头相对速度无关，而是由位移量S决定的20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