磁栅检测单元结构、工作原理的介绍

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：这种磁头只能用于动态测量。磁尺中励磁电流在一个周期内两次过零，两次出现峰值，相应磁开关通断各两次。磁栅的检测方法有鉴幅法和鉴相法两种，在数控机床中通常使用鉴相法。

1.磁栅检测单元结构

磁栅（又称磁尺）也是一种电磁检测装置。它利用磁记录原理，将一定波长的矩形波或正弦波信号用磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量基准。检测时，磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，并通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输给数控机床。

磁栅传感器由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成，其结构原理如图3-18所示。磁性标尺是在不导磁材料（如玻璃、铜或其他合成材料）的基体上，采用涂敷、化学沉淀或电镀等方法覆盖上一层1～2μm厚的磁性材料，形成一层均匀的磁性薄膜，然后采用录磁的方法在磁性薄膜上录上等距离的周期性的磁化信号。

读取磁头的是进行磁—电转换的变换器，它把记录在磁性标尺上的磁化信号检测出来送至检测线路，其原理与录音磁带相同。但录音磁带的磁头（称为速度响应型磁头）只有和磁带之间有一定相对运动速度时，才能检测出磁化信号。这种磁头只能用于动态测量。而检测数控机床位置时，阅读速度是各种各样的，在低速甚至静止时也必须能够进行阅读，为此采用磁通响应型磁头。磁通响应型磁头是在速度响应型磁头的铁心回路中，加入带有励磁线圈的饱和铁心，在励磁线圈中通以高频励磁电流，使读取线圈的输出信号振幅受到调制。

磁尺中励磁电流在一个周期内两次过零，两次出现峰值，相应磁开关通断各两次。输出线圈产生感应电压输出，即

式中 U_o——感应电压幅值；

λ——磁性标尺节距；

x——选定某一N极作为位移零点时，x为磁头对磁性标尺的位移量；

ω——输出线圈感应电压的频率，它比励磁电流的频率ω_o高一倍。

2.磁栅检测单元的工作原理

在进行位置检测时，为了在低速甚至静止时也能得到位置信号，必须采用磁通响应型磁头（又称磁调制式磁头）。磁通响应型磁头由铁心、励磁绕组W₁、输出绕组组成。磁通响应型磁头的结构及其输出波形如图3-19所示。磁通响应型磁头有两组绕组，即绕在磁路截面尺寸较小的横臂上的励磁绕组W₁和绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上的输出绕组W₂，当对W₁施加励磁电流i_a=i₀sinωt时，在i_a的瞬时值大于某一个数值以后，横臂的铁心材料饱和，

图3-17 光栅位移—数字变换电路

a）电路图 b）波形图

这时磁阻很大，磁路被阻断，磁性标尺的磁通不能通过磁头闭合，输出线圈W₁与Φ₀不交链。当i_a的瞬时值小于某一个数值时，所感生的磁通也随之降低，两根横臂中的磁阻相应减小，磁路开路。输出线圈W₂与Φ₀串联。励磁线圈的作用相当于磁开关，励磁电流在一个周期内两次过零，两次出现峰值，相应磁开关通断各两次。磁路由通到断的时间内，输出线圈中交链的磁通量由Φ₀降到零；磁路由断到通的时间内，输出线圈中交链的磁通量由零增加到Φ₀，因此输出线圈中有感应电动势E出现，并且感应电动势的频率比励磁电流高一倍，在励磁电流频率刚已经确定的情况下，其峰值取决于Φ₀，也即取决于磁性标尺在该点的磁感应强度。因此输出线圈中输出的是一个调幅信号。磁栅的检测方法有鉴幅法和鉴相法两种，在数控机床中通常使用鉴相法。