磁尺位置检测装置

　　磁尺是一种精度较高的位置检测装置，它由磁性标尺、磁头和检测电路组成，该装置方框图如图4-20所示。利用录磁原理将一定周期变化的方波、正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺（或磁盘）的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化为电信号，经过检测电路处理后用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。磁尺按其结构可分为直线磁尺和圆型磁尺，分别用于直线位移和角度位移的测量。磁性标尺制作简单、安装调整方便，对使用环境的条件要求较低：如对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性。高精度的磁尺位置检测装置可用于各种测量机、精密机床和数控机床。现将其组成及工作原理分述如下。　　　
　　　　　　　　　　　 　
　　　　　　　　　　　　图1　磁尺位置检测装置
1.磁尺检测装置的结构
　 磁性标尺（简称磁尺）是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀等方法加上一层10～20μm厚的硬磁性材料（如Ni-Co-P或Fe-Co合金），并在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05mm，0.1mm，0.2mm，1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚1～2μm的耐磨塑料保护层。磁尺按其基体形状不同可分为：
　　 平面实体型磁尺，一般长度为600mm，超过此长度时，可用几根对接起来使用。
　　 带状磁尺，磁尺的基体为厚0.2mm，宽70mm的磷青铜带，磁带张紧固定在有屏蔽的壳体内，然后安装在机床上。
　　 线状磁尺，其基体是2mm的青铜丝，线状磁尺套装在磁头内与磁头同轴，因青铜丝的线膨胀系数大，所以长度不宜太长，一般小于1.5m。
　　 圆型磁尺，做成磁盘或磁鼓形状，用于检测角位移。
　 磁头
　 　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图2 磁头结构示意图
　　　　磁头是进行磁-电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到检测电路中去。普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。这种磁头用软磁材料（如铍莫合金）制成二次谐波调制器。其结构如图2所示，它由铁芯、两个产生磁通方向相反的激磁绕组和两个串联的拾磁绕组组成。将高频激磁电流通入激磁绕组时，在磁头上产生磁通Φ，当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁通进入磁头铁芯，被高频激磁电流产生的磁通Φ₁所调制。于是在拾磁线圈中感应电压为U。 　
　　　　　　　　　　　　　　
　 　　式中，
　　U₀——感应电压系数；
　　λ——磁尺磁化信号的节距；
　　 x——磁头相对于磁尺的位移；
　　ω——激磁电流的角频率。
　　　　为了辨别磁头在磁尺上的移动方向，通常采用了间距为 的两组磁头（其中m为任意正整数）。如图所示，i₁ ，i₂ 为激磁电流，其输出电压分别为
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　　 　U₁和U₂是相位相差90°的两列脉冲。至于哪个导前，则取决于磁尺的移动方向。根据两个磁头输出信号的超前或滞后，可确定其移动方向。

　　使用单个磁头的输出信号很小，为了提高输出信号的幅值，同时降低对录制的磁化信号正弦波形和节距误差的要求，在实际使用时，常将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，组成多间隙磁头，如图3所示。多间隙磁头中的每一个磁头都以相同的间距λ_m/2配置，相邻两磁头的输出绕组反向串接。因此，输出信号为各磁头输出信号的叠加。多间隙磁头具有高精度、高分辨率、输出电压大等优点。输出电压与磁头数n成正比，例如当n=30，ω/2=5kHz时，输出的峰值达数百毫伏，当ω/2=25kHz时，峰值高达1V左右。
　 　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图3 多间隙磁头

2.工作原理与检测电路
　　磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟量，必须经检测电路处理变换，才能获得表示位移量的脉冲信号。检测线路包括激磁电路、信号滤波、放大、整形、倍频、数字化等电路环节。根据激磁方式的不同，磁尺检测也可分为鉴幅检测和鉴相检测两种，鉴相检测方式应用较多。
　　鉴相检测的分辨率可以大大高于录磁节距λ，可通过提高内插脉冲频率以提高系统的分辨率。鉴相检测的原理如图4所示，两个磁头Ⅰ、Ⅱ的激电流，由分频、滤波和功放后获得，磁头移动距离x后的输出电压为
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　　在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　由上式可知，合成输出电压U 的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置x变化而变。其输出信号与旋转变压器、感应同步器的读取绕组中取出的信号相似，所以其检测电路也相同。总输出电压U经带通滤波器、限幅、放大整形得到与位置量有关的信号，送入检相内插电路中进行内插细分后，得到预定分辨率的计数脉冲信号。计数信号送入数控系统，即可进行数字控制和数字显示。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　磁尺鉴相原理图