位移檢測傳感器之磁柵傳感器

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1、1 第 三 節(jié) 大 位 移 檢 測 傳 感 器一 、 磁 柵 位 移 傳 感 器 2 磁 柵 式 傳 感 器 的 分 類 、 組 成n 磁 柵 式 位 移 傳 感 器 根 據(jù) 用 途 可 分 為 長 磁 柵和 圓 磁 柵 位 移 傳 感 器 ， 分 別 用 于 測 量 線 位移 和 角 位 移 。n 磁 柵 傳 感 器 是 由 磁 柵 （ 磁 尺 ） 、 磁 頭 、 檢測 電 路 組 成 （ 如 下 圖 所 示 ） 3 l 磁 尺 ；2 尺 基 ；3 磁 性 薄 膜 ；4 鐵 心 ；5 磁 頭 4磁 柵 的 外 形 及 結(jié) 構(gòu) 圖 磁 尺靜 態(tài) 磁 頭 去 信 號 處 理 電路固 定 孔 5

2、磁 尺磁 柵 外 觀 圖 磁 頭 6 磁 柵 上 錄 有 等 間 距 的 磁 信 號 ， 它 是 利 用 磁 帶 錄音 的 原 理 將 一 定 波 長 的 電 信 號 (正 弦 波 或 矩 形 波 )用錄 磁 （ 即 用 錄 音 磁 頭 沿 長 度 方 向 按 一 定 波 長 記 錄 一 周 期 性 信 號 ， 以 剩 磁 的 形式 保 留 在 磁 尺 上 ， 這 樣 磁 尺 上 錄 上 一 定 波 長 的 磁 信 號 ） 的 方 法 記 錄 在磁 性 尺 子 或 圓 盤 上 而 制 成 的 。 裝 有 磁 柵 傳 感 器 的 儀 器 或 裝 置 工 作 時(shí) ， 磁 頭 相 對于 磁 柵 有

3、一 定 的 相 對 位 置 ， 在 這 個(gè) 過 程 中 ， 磁 頭 把磁 柵 上 的 磁 信 號 讀 出 來 ， 這 樣 就 把 被 測 位 置 或 位 移轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號 。 磁 柵 式 傳 感 器 的 測 試 原 理 7 長 磁 柵圓 磁 柵（ 測 量 直 線 位 移 ）（ 測 量 角 位 移 ） 尺 形帶 形同 軸 形（ 一 ） 磁 柵 8 n 磁 尺 是 用 非 導(dǎo) 磁 性 材 料 做 尺 基 ， 在 尺 基 的 上 面 鍍一 層 均 勻 的 磁 性 薄 膜 ， 經(jīng) 過 錄 磁 （ 即 用 錄 音 磁 頭沿 長 度 方 向 按 一 定 波 長 記 錄 一 周 期 性 信 號 ，

4、以 剩磁 的 形 式 保 留 在 磁 尺 上 ， 這 樣 磁 尺 上 錄 上 一 定 波長 的 磁 信 號 ） ， 磁 尺 的 磁 化 圖 形 排 成 SN、 NS狀態(tài) 。 9 n 磁 信 號 的 波 長 （ 周 期 ） 又 稱 節(jié) 距 ， 用 表 示 。 磁信 號 的 極 性 是 首 尾 相 接 ， 在 N、 N重 疊 處 為 正 的最 強(qiáng) ， 在 S、 S重 疊 處 為 負(fù) 的 最 強(qiáng) 。 磁 尺 的 的 斷面 和 磁 化 圖 形 如 下 圖 所 示 。 10 1 磁 頭 2 磁 柵 3 屏 蔽 罩 4 基 座 5 軟 墊圓 磁 柵 傳 感 器幾 種 常 見 磁 柵 的 結(jié) 構(gòu) 11大 尺

5、 寸 磁 柵 尺 外 形 圖 12 磁 柵 上 的 磁 信 號 先 由 錄 磁 頭 錄 好 ，再 由 讀 取 磁 頭 讀 出 ， 按 讀 取 信 號 方 式 的不 同 ， 磁 頭 可 分 為靜 態(tài) 磁 頭動(dòng) 態(tài) 磁 頭 13 動(dòng) 態(tài) 磁 頭動(dòng) 態(tài) 磁 頭 為 非 調(diào) 制 式 磁 頭 ， 又 稱 速 度 響 應(yīng) 式 磁 頭 ， 只 有 一個(gè) 繞 組 ， 當(dāng) 磁 頭 沿 磁 柵 作 相 對 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 才 有 信 號 輸 出 。 輸 出為 正 弦 波 ， 在 N、 N重 迭 處 輸 出 正 信 號 最 強(qiáng) ， 在 S、 S重 迭處 負(fù) 信 號 最 強(qiáng) 。 （ 錄 音 機(jī) 上 的 磁 頭 就 是 速

6、 度 響 應(yīng) 式 磁 頭 ，只 有 在 磁 頭 和 磁 帶 有 相 對 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 才 能 檢 測 出 磁 信 號 ） 1磁 頭 ； 2磁 柵 ； 3輸 出 波 形 動(dòng) 態(tài) 磁 頭 的 工 作 原 理 靜 止 時(shí) 就 沒 有 信號 輸 出 。 因 此 它 只能 用 于 動(dòng) 態(tài) 測 量 。 14 靜 態(tài) 磁 頭靜 態(tài) 磁 頭 是 調(diào) 制 式 磁 頭 ， 又 稱 磁 通 響 應(yīng) 式 磁 頭 。該 磁 頭 有 兩 個(gè) 繞 組 ， 一 為 勵(lì) 磁 繞 組 ， 另 一 為 輸 出繞 組 。u勵(lì) 磁 繞 組 繞 在 磁 路 截 面 尺 寸 較 小 的 橫 臂 上u輸 出 繞 組 繞 在 磁 路 截 面 尺

7、 寸 較 大 的 豎 桿 上它 與 動(dòng) 態(tài) 磁 頭 的 根 本 不 同 之 處 在 于 ， 在 磁 頭 與 磁柵 之 間 沒 有 相 對 運(yùn) 動(dòng) 的 情 況 下 也 有 信 號 輸 出 。當(dāng) 磁 頭 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 幅 值 隨 磁 尺 上 的 剩 磁 影 響 而 變化 ， 輸 出 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 。 15 靜 態(tài) 磁 頭 靜 態(tài) 磁 頭 的 工 作 原 理 1磁 頭 ； 2磁 柵 ； 3輸 出 波 形 N1為 勵(lì) 磁 繞 組 ，N2為 感 應(yīng) 輸 出 繞 組 。在 勵(lì) 磁 繞 組 中 通 入高 頻 的 勵(lì) 磁 電 流 ，一 般 頻 率 為 5kH z或25kH z， 幅 值 約 為200

8、mA。 16 工 作 原 理 （ 靜 態(tài) ）n 勵(lì) 磁 繞 組 起 磁 路 開 關(guān) 作 用 當(dāng) 勵(lì) 磁 繞 組 N1不 通 電 流 時(shí) ， 磁 路 處 于 不 飽 和 狀 態(tài) ，磁 柵 上 的 磁 力 線 通 過 磁 頭 鐵 心 而 閉 合 。 如 果 在 勵(lì) 磁 繞 組 中 通 入 交 變 電 流 i=i0sin t， 當(dāng)交 變 電 流 i的 瞬 時(shí) 值 達(dá) 到 某 一 個(gè) 幅 值 時(shí) ， 橫 桿 上 的 鐵心 材 料 飽 和 ， 這 時(shí) 磁 阻 很 大 ， 而 使 磁 路 “ 斷 開 ” ， 磁柵 上 的 磁 通 就 不 能 在 磁 頭 鐵 心 中 通 過 。 反 之 ， 當(dāng) 交 變電 流

9、 i的 瞬 時(shí) 值 小 于 某 一 數(shù) 值 時(shí) ， 橫 桿 上 的 鐵 心 材 料不 飽 和 ， 這 時(shí) 磁 阻 也 降 低 得 很 小 ， 磁 路 被 “ 接 通 ” ，則 磁 柵 上 的 剩 磁 通 就 可 以 在 磁 頭 鐵 心 中 通 過 。 由 此 可見 ， 勵(lì) 磁 線 圈 的 作 用 相 當(dāng) 于 磁 開 關(guān) 。 17 工 作 原 理 （ 靜 態(tài) ）n 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 決 定 于 磁 頭 與 磁 柵 的 相 對 位 置 。 隨 著 激 勵(lì) 交 變 電 流 的 變 化 ， 可 飽 和 鐵 心 這 一 磁路 開 關(guān) 不 斷 地 “ 通 ” 和 “ 斷 ” ， 進(jìn) 入 磁 頭 的 剩

10、磁 通就 時(shí) 有 時(shí) 無 。 這 樣 ， 在 磁 頭 鐵 心 的 繞 組 N2中 就 產(chǎn)生 感 應(yīng) 電 勢 ， 主 要 與 磁 頭 在 磁 柵 上 所 處 的 位 置 有 關(guān) ，而 與 磁 頭 和 磁 柵 之 間 的 相 對 速 度 關(guān) 系 不 大 。 18 n 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 的 頻 率 為 勵(lì) 磁 電 流 頻 率 的 兩 倍 勵(lì) 磁 電 流 在 一 個(gè) 周 期 內(nèi) 兩 次 過 零 ， 兩 次 出 現(xiàn)峰 值 。 只 要 電 流 幅 值 超 過 某 一 額 定 值 ， 它 產(chǎn) 生 的正 向 或 反 向 磁 場 均 可 使 磁 頭 的 鐵 心 飽 和 ， 這 樣 ，在 它 變 化 一 個(gè) 周

11、 期 ， 鐵 心 飽 和 兩 次 ， 相 應(yīng) 的 磁 開關(guān) 通 斷 兩 次 。 磁 路 在 由 通 到 斷 的 時(shí) 間 內(nèi) ， 輸 出 線圈 中 的 交 鏈 磁 通 量 由 0變 化 到 0； 磁 路 在 由 斷 到通 的 時(shí) 間 內(nèi) ， 輸 出 線 圈 中 的 交 鏈 磁 通 量 由 0 變 化到 0 ； 0由 磁 性 標(biāo) 尺 中 的 磁 信 號 決 定 ， 因 此 輸出 線 圈 中 輸 出 的 是 一 個(gè) 調(diào) 幅 信 號 。 19 tUUtUU ii cossin mm 或 勵(lì) 磁 電 壓 為 :v當(dāng) 磁 頭 不 動(dòng) 時(shí) ， 輸 出 繞 組 輸 出 一 等 幅 的 正 弦 或 余弦 電 壓

12、 信 號 ， 其 頻 率 仍 為 勵(lì) 磁 電 壓 的 頻 率 ， 其 幅 值與 磁 頭 所 處 的 位 置 有 關(guān) 。 20 n 當(dāng) 磁 頭 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 幅 值 隨 磁 尺 上 的 剩 磁 影 響 而 變化 。 由 于 剩 磁 形 成 的 磁 場 強(qiáng) 度 按 正 弦 波 變 化 ，從 而 獲 取 調(diào) 制 波 ， 輸 出 繞 組 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢靜 態(tài) 磁 頭 的 工 作 原 理 tsUE sin2sinm1 E輸 出 線 圈 輸 出 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 ；U m輸 出 線 圈 輸 出 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 峰 值 ； 磁 尺 剩 余 信 號 的 波 長 （ 磁 化 信 號 節(jié)

13、距 ） ；s磁 頭 對 磁 性 標(biāo) 尺 的 位 移 量 ； 輸 出 線 圈 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 的 頻 率 ， 是 激 磁 電 流 I的 頻 率 的 2倍 。 E和 磁 性 標(biāo) 尺 與 磁 頭 相 對 速 度 無 關(guān) ， 而 是 由 位 移 量 S決 定 的 21 根 據(jù) 磁 柵 和 磁 頭 相 對 移 動(dòng) 讀 出 磁 柵 上 的 信 號 的不 同 ， 所 采 用 的 信 號 處 理 方 式 也 不 同 。 動(dòng) 態(tài) 磁 頭 只 有 一 組 繞 組 ， 其 輸 出 信 號 為 正 弦 波 ，信 號 的 處 理 方 法 也 比 較 簡 單 ， 只 要 將 輸 出 信 號 放 大 整形 ， 然 后

14、由 計(jì) 數(shù) 器 記 錄 脈 沖 數(shù) n， 就 可 以 測 量 出 位 移量 的 大 小 。 但 這 種 方 法 測 量 精 度 較 低 ， 而 且 不 能 判 別移 動(dòng) 方 向 。 ns 22 靜 態(tài) 磁 頭 一 般 用 兩 個(gè) ， 雙 磁 頭 是 為 了 識 別 磁 柵的 移 動(dòng) 方 向 而 設(shè) 置 的 ， 二 者 之 間 間 距 為 (n土 1/4)，(其 中 n為 正 整 數(shù) , 為 磁 信 號 節(jié) 距 )， 也 就 是 兩 個(gè) 磁頭 布 置 成 相 位 差 90 關(guān) 系 ， 即 兩 者 空 間 相 位 差 90。 信 號 處 理 方 式 可 分 為 鑒 幅 方 式 和 鑒 相 方 式

15、兩 種 。 23 鑒 幅 法 若 兩 磁 頭 的 激 勵(lì) 磁 繞 組 加 上 同 相 的 正 弦 激 勵(lì) 磁 信 號tsUE sin2sin m1 tsUE sin2cosm2 sUE 2sinm1 sUE 2cosm2經(jīng) 濾 除 高 頻 載 波 后 ， 得 到 與 位 移 量 S成 比 例 的 信 號 為 ：tUUi sinm1 則 兩 磁 頭 的 輸 出 信 號 為 它 是 利 用 輸 出 信 號 幅 值 大 小 來 反 映 磁 頭 的 位 移 量 或 磁 尺 相 對 位 置 的 信 號 處 理 方 式 。 24 鑒 相 法 若 兩 磁 頭 的 激 勵(lì) 磁 繞 組 上 施 加 相 位 差

16、為 / 4的 正 弦 激 勵(lì) 信 號 ，或 者 將 他 的 輸 出 信 號 移 相 90度 ， 則 兩 磁 頭 輸 出 信 號 變 為 ：tsUE cos2sinm1 tsUE sin2cosm2 tsUEEE 2sinm21n 將 兩 個(gè) 輸 出 線 圈 差 動(dòng) 連 接 ， 則 輸 出 電 動(dòng) 勢 為 上 式 表 明 ： 鑒 相 處 理 后 ， 電 動(dòng) 勢 E的 幅 值 是 常 數(shù) ， 相 位正 比 于 位 移 量 x， 用 電 子 線 路 判 斷 相 位 角 ， 即 可 獲 得 位移 量 及 位 移 的 方 向 。它 是 利 用 輸 出 信 號 的 相 位 大 小 反 映 磁 頭 的 位

17、移 量 或 磁 尺 相 對 位 置 的 信 號 處 理 方 式 25 磁 柵 式 傳 感 器 特 點(diǎn) ：n 磁 柵 位 移 傳 感 器 有 較 高 精 度 ， 目 前 可 以 作 到 系統(tǒng) 精 度 達(dá) 0.01mm/mn 分 辨 力 為 1 5mn 但 磁 信 號 的 均 勻 性 和 穩(wěn) 定 性 對 磁 柵 式 位 移 測 量的 精 度 影 響 較 大 。 26 18、 磁 柵 式 位 移 傳 感 器 可 分 為 測 量 線 位 移 的長 磁 柵 和 測 量 角 位 移 （ ） （ 單 一 ） 27 18、 磁 柵 式 位 移 傳 感 器 可 分 為 測 量 線 位 移 的長 磁 柵 和 測

18、量 角 位 移 （ 圓 磁 柵 ） 28 31、 磁 柵 式 位 移 傳 感 器 測 量 位 移 時(shí) ， 其 輸 出電 動(dòng) 勢 為 （ 模 擬 二 ） ),2sin(m StEE 磁 尺 剩 磁 信 號 的 波 長 =1.0mm,試 問 ：（ 1） 若 輸 出 電 動(dòng) 勢 ,)25.150sin(5 VtE 此 時(shí) 所 測 得 的 位 移 量 s是 多 少 ？（ 2） 在 一 個(gè) 測 量 周 期 內(nèi) 此 傳 感 器 所 能 測 量 的最 大 位 移 量 S max是 多 少 ？ 29 25.12 S（ 1） 若 輸 出 電 動(dòng) 勢（ 2） 在 一 個(gè) 測 量 周 期 內(nèi) 此 傳 感 器 所 能 測 量 的最 大 位 移 量 Smax是 多 少 ？ mmS 625.01*625.02/25.1 22 S mmS 1