大位移传感器

5.5磁

栅

传

感

器1磁栅的结构磁栅传感器由磁栅（简称磁尺)、

磁头和检测电路组成。

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，

然后录上一定波长的磁信号而制成的。

磁信号的波长（周期)又称节距，

用W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。

磁尺的断面和磁化图形如图5-7所示。

第1页/共64页磁栅传感器

磁栅价格低于光栅,且录磁方便、易于安装,测量范围宽可超过十几米,抗干扰能力强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。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。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。

第2页/共64页磁栅的外形及结构磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔第3页/共64页磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示第4页/共64页图5-7磁栅传感器示意图

第5页/共64页5.4.2磁栅的工作原理这里以静态磁头为例，简要说明磁栅传感器的工作原理。

静态磁头的结构如图5-7所示，它有两组绕组N1和N2。其中，N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率为5kHz或25kHz，

幅值约为200mA。

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。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，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，可饱和磁芯才能导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势e。可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而e的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。

第6页/共64页图9－86磁通响应型单拾磁磁头结构(a)磁场分布;(b)磁头结构

第7页/共64页鉴相型磁栅数显表的原理框图

磁尺与磁头接触,使用寿命不如光栅,数年后易退磁。

设置两个磁头的意义何在?第8页/共64页双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图9－87所示。两磁头按(m±1／4)λ配置（m为正整数)，它们的输出电压分别是

由于单磁头读取磁性标尺上的磁化信号输出电压很小,而且对磁尺上磁化信号的节距和波形要求高,因此可将多个磁头以一定的方式串联起来形成多间隙磁头,如图9－88所示。

第9页/共64页图9－87双磁头结构

第10页/共64页图9－88多间隙磁头

第11页/共64页磁栅测量系统压板磁头磁尺第12页/共64页磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁头安装在何处?第13页/共64页第14页/共64页光

栅

传

感

器1光栅的类型与结构实际应用的光栅有透射光栅和反射光栅，

按其工作原理可分为黑白光栅（幅射光栅)和相位光栅（炫耀光栅)；

按其用途可分为直线光栅和圆光栅。如图5-8所示，

黑白透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，

均匀地刻上许多明暗相间，

宽度相同的透光线，

称为栅线。

设栅线宽为a，

线间缝宽为b，a+b=W称为光栅节距(栅距)。

通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9；

目前常用的光栅每毫米刻成10、25.50、100、250线。

使用时，长光栅装在运动部件上，

称为标尺光栅;短光栅装在固定部件上，称为指示光栅。

第15页/共64页反射式光栅第16页/共64页透射式光栅第17页/共64页透射式圆光栅固定第18页/共64页长光栅---直线位移;圆光栅---角位移

构成：主光栅---标尺光栅，定光栅;指示光栅---动光栅长度---测量范围；刻线密度---测量精度(10、25.50、100、125线/mm)第19页/共64页

长光栅圆光栅第20页/共64页工作原理：（透射光栅)§6-2常用典型位置检测装置标尺光栅指示光栅标尺光栅固定在机床活动部件上指示光栅安装在读数头内第21页/共64页2.光栅读数头第22页/共64页第23页/共64页b.敞开式光栅尺a.封闭式光栅尺c.长度计

（六)光栅产品简介第24页/共64页尺身尺身安装孔

反射式扫描头

（与移动部件固定)扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅第25页/共64页扫描头（与移动部件固定)光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续)第26页/共64页5.5.2莫尔条纹的形成原理与特点

1.莫尔条纹的形成原理按照光学原理，对于栅距远大于光波长的粗光栅，可以利用几何光学的遮光原理来解释莫尔条纹的形成。如图5-9所示，

当两个有相同栅距的光栅合在一起，

其栅线之间倾斜一个很小的夹角θ，于是在近乎垂直于栅线的方向上出现了明暗相间的条纹。

例如在h-h线上，

两个光栅的栅线彼此重合，从缝隙中通过光的一半，

透光面积最大，形成条纹的亮带;在g-g线上，

两光栅的栅线彼此错开，

形成条纹的暗带;当a=b=W/2时，g-g线上是全黑的。

第27页/共64页图5-9莫尔条纹原理（a)莫尔条纹的形成；

（b)莫尔条纹的宽度

第28页/共64页

2.莫尔条纹的宽度横向莫尔条纹的宽度B与栅距W和倾斜角θ之间的关系，

可由图5-9（b)求出（当θ角很小时)：

（5-5)第29页/共64页

3.莫尔条纹的特点式（5-5）说明莫尔条纹具有以下特点：（1）对位移的光学放大作用：即把极细微的栅线放大为很宽的条纹，便于测试。例如θ=10′，则，若W=0.01mm,则B=3.34mm。（2）连续变倍的作用：其放大倍数可通过使θ角连续变化，从而获得任意粗细的莫尔条纹。第30页/共64页（3）对光栅刻线的误差均衡作用：光栅的刻线误差是不可避免的。由于莫尔条纹是由大量栅线共同组成的，光电元件感受的光通量是其视场覆盖的所有光栅光通量的总和，具有对光栅的刻线误差的平均效应，从而能消除短周期的误差。例如对50线/mm的光栅（W=0.02mm），用5mm×5mm的光电池接收，光电池视场内覆盖250条栅线。若每条刻线误差为δ0=±0.001mm，则平均误差。第31页/共64页

4.莫尔条纹的移动方向当主光栅沿栅线垂直方向移动时，

莫尔条纹沿着夹角θ平分线（近似平行于栅线)方向移动。

莫尔条纹移动时的方向和光栅夹角的关系见表5-1。

第32页/共64页表5-1莫尔条纹和光栅移动方向与夹角转向之间的关系

第33页/共64页

5.莫尔条纹测量位移的原理

光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。

由于光栅的遮光作用，

透过光栅的光强随莫尔条纹的移动而变化，

变化规律接近于一直流信号和一交流信号的叠加。

固定在指示光栅一侧的光电转换元件的输出，可以用光栅位移量x的正弦函数表示，

如图5-10所示。只要测量波形变化的周期数N（等于莫尔条纹移动数)就可知道光栅的位移量x，其数学表达式为

x=N·W第34页/共64页图5-10光电元件输出与光栅位移的关系第35页/共64页光栅尺及数显表第36页/共64页光栅尺在机床导轨上的安装第37页/共64页

2.光栅尺的安装与调整

1－床身;2－光栅尺;3－扫描头;4－滚珠丝杠螺母副;5－床鞍

光栅尺在机床上的安装示意图

第38页/共64页光栅在数控车床上的安装位置三、光栅第39页/共64页三、光栅光栅在数控镗铣床上的安装位置第40页/共64页为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡)

内部包含以下电路:放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。

第41页/共64页为光栅设计

的专用信号

处理单元

（光栅插补器)功能同上页第42页/共64页光栅在机床上的安装位置（2个自由度)第43页/共64页光栅在机床上的安装位置（3个自由度)数显表第44页/共64页光栅在机床上

的安装位置

（3个自由度)（续)第45页/共64页2自由度光栅数显表X位移显示Z（Y)位移显示第46页/共64页3自由度光栅数显表第47页/共64页光栅数显表（续)三座标数显表第48页/共64页SDS8-3E光栅数显箱功能:

公制/英制转换

绝对/相对转换

线性误差补偿

正反方向计算

归零

插值补偿

到达目标值停机

PCD圆周分孔

200组零位记忆

电蚀深度目标值显示

实时工作位置显示

掉电记忆第49页/共64页光栅数显表（续)

设定按键第50页/共64页安装有直线光栅的数控机床加工实况

防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部第51页/共64页感

应

同

步

器

5.3.1感应同步器的结构和种类

1.直线式感应同步器的结构直线式感应同步器的定尺和滑尺，

都由图中的基板、

绝缘层和绕组构成，

绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接地屏蔽层，

如图5-4所示。

定尺安装在静止的机械设备上，与导轨母线平行;滑尺安装在活动的机械部件上，与定尺之间保持均匀的狭小气隙。

滑尺相对定尺而移动。

第52页/共64页直线式感应同步器定尺和滑尺的基板采用铸铁或其他钢材做成。

这些钢材的线膨胀系数应与安装感应同步器的床身的线膨胀系数相近，

以减小温度误差。

在定尺和滑尺上腐蚀成印制电路绕组，

绕组的材料为铜。

考虑到接长的要求和安装的方便，

将定尺绕组做成连续式，

由一连串线圈串联而成；

而将滑尺绕组做成分段式，

并分别为正弦绕组（S绕组)和余弦绕组（C绕组)，

它们在空间位置上错开而形成90°相位差，

如图5-5所示。

第53页/共64页sincos节距2τ（2mm）节距（0.5mm)定尺滑尺第54页/共64页图9－84感应同步器结构示意图第55页/共64页2.感应同步器的工作原理

1、对滑尺上的绕组通以交流电，根据电磁原理，将在定尺绕组上感应出电压，定尺绕组中感应电压是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电压的矢量和。滑尺每移动一个节距，定尺上感应电压按余弦规律变化一周。2.由于定尺上感应电压变化的周期与滑尺相对定尺移动的节距2

对应，而节距又与工作台的实际位移x有关，从而可以间接对工作台的位移进行检测，这就是感应同步器的工作原理。

第56页/共64页

2.直线式感应同步器的种类根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装条件等，

直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、形状和种类。

（1)标准型：标准型直线感应同步器精度高，应用最普遍，

每根定尺长250mm。如果测量长度超过175mm时，可将几根定尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安装平整，否则极易损坏。

（2)窄型：

窄型直线同步感应器中定尺、

滑尺长度与标准型相同，

仅是定尺宽度为标准型的一半。

用于安装尺寸受限制的设备，

精度稍低于标准型。

第57页/共64页（3)带型：

定尺的基板改用钢带，

滑尺做成滑标式，

直接套在定尺上。

安装表面不用加工。

使用时只需将钢带两头固定即可。

（4)三重型：

在一根定尺上有粗、

中、

精三种绕组，

以便构成绝对坐标系统。

第58页/共64页5.3.2感应同步器的工作原理感应同步器利用定尺和滑尺的两个平面印刷电路绕组的互感随其相对位置变化的原理，

将位移转换为电信号。

感应同步器工作时，

定尺和滑尺相互平行、

相对放置，

它们之间保持一定的气隙（0.25±0.005)mm，

定尺固定，

滑尺可动。

当滑尺的S和C绕组分别通过一定的正、

余弦电压激励时，

定尺绕组中就会有感应电势产生，

其值是定、

滑尺相对位置的函数。

第59页/共64页几点说明：

感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（2mm)感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。

现在商品化的感应同步