感应同步器

感应同步器磁栅传感器河南工业职业技术学院电气工程系数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转式脉冲编码盘圆光栅绝对式脉冲编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁尺三速圆感应同步器直线式直线光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同步器磁尺三速感应同步器绝对磁尺常用位置检测装置分类表一、直线感应同步器1、直线感应同步器的结构sincos节距2τ（2mm）节距（0.5mm）定尺滑尺增量式绝对式圆感应同步器带型窄长长标准型增量式绝对式直线线感应同步感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。二、直线感应同步器工作原理感应电动势移动距离U0USUS定尺滑尺WW/4正弦绕组A余弦绕组B感应同步器的工作原理具体分析在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期。US滑尺A点B点C点D点xU0AU0定尺WW/4BCDEUS感应同步器的工作原理U0U0θ1USUSUSUS定尺滑尺θ1带型感应同步器外形图（参考东方仿真）二、感应同步器的工作原理感应同步器原理动画演示在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为tKUdtdiKEmcos设感应线圈A的中心从励磁线圈中心右移的距离为x，则感应电动势为2sincosmxEEtW上式中：Em=K0UmωK－主要与两绕组的相对位置等因素有关如图滑尺绕组有两组，相差1/4个周期，则有tWxEEmScos2sintWxEEmCcos2cos从励磁形式来说一般可分为二大类：一类是以滑尺(或转子)励磁，由定尺(或定子)取感应电动势，另一类则相反。依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。感应同步器的安装与调整1、感应同步器的定尺安装在移动部件的导轨上，其长度应大于被检测件的长度，滑尺较短，安装在运动部件上。感应同步器安装时，两尺保持平行，两尺之间间隙为（0.25±0.05）mm，一般定尺每段长250mm。2、为保证检测精度，要求定尺侧母线与机床导轨基准面的平行度允差在全长内为0.1mm，滑尺侧母线与机床导轨基准面的平行度允差在全长内为0.02mm，定尺与滑尺之间的间隙应保证在（0.25±0.05）mm之内。鉴幅工作方式给滑尺的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即tVVtVVmcmssincossinsin在定尺绕组的感应电势为：sin()sinmmVKVt为定尺、滑尺实际相位角。m鉴幅工作方式设sinsinmVKVt感应电势与成正比，即V随给定的位移量与工作台实际位移的差值成正比变化。m则：(sin)mVKVt当较小时，有()x1()mx()x上图为鉴幅式测量系统方框图。它必须完成二项任务：第一:通过模数转换把电的幅值变化量ΔθX变成计数脉冲，并加以数字显示；第二：通过数模转换器产生与ΔθX相等的Δθd，去校正励磁电压的幅值。使系统处于平衡状态(亦即θd跟踪θX随时保证θX=θd,e=0），以实现零值检测。由10kHz正弦波振荡器产生的正弦变化电压，经D／A传换器产生幅值按Umsinθd和Umcosθd变化的激励电压，再经过匹配变压器，作为感应同步器的正弦绕组和余弦绕组的励磁电压。假定开始时系统处于平衡状态，即θx＝θd，则感应电势e＝o．若励磁电压保持原来某一数值，当滑尺相对定尺平行位移时，空间角θx将随着位移量x的变化而变化，这时θx≠θd。空间角每改变一个Δθx=1.8º，就使定尺绕组的感应电压信号。经过放大器放大后达预先整定的门槛值，因而门槛电路产生一个脉冲。信号作用到“与”门电路，将“与”门打开。时钟脉冲经过与门，一方面作用到可逆计数器实现位移增量Δx的计数，并且经过译码将此位移增量显示出来；另一方面该时钟脉冲经过与门又作用到转换计数器上，控制相应的电子开关接通函数变处器的相应抽头，自动地修改励磁电压的幅值Umsinθd和Umcosθd，使θd也改变1.8º，此时θd＝θx，输出电压信号e＝o，或小于预先整定的门槛电压值，“与”门关闭。当滑尺相对定尺又移动一个位移增量Δx=0.01mm(或Δθx=1.8º)时，重复上述过程。按照这样下去，就可以准确地自动计数与显示了。当滑尺与定尺的相对位移小于0.01mm时，输出电压e小于门槛电压值，门槛电路不能产生脉冲去打开“与”门，时钟脉冲不能通过．它通过微米表指示，将这个微小位移最读出来，所以装置的分辨力可达1um．图中的前置放大器，是用来将定尺绕组产生的微弱电压信号加以放大，以提高抗干扰能力。匹配变压器是为／对D／A转换器的输出阻抗和滑尺绕组的输入阻抗进行匹配。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器的输出大多是脉冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术用途：长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。四、关于直线感应同步器的几点说明感应同步器的优点是：①具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。②抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。五、直线感应同步器的优点③使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺，定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。④可以作长距离位移测量。可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持（或稍低于）单个定尺的精度。目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。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。磁栅传感器磁栅的外形及结构磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔大尺寸磁栅尺外形图磁栅的类型长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形1－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5－软垫磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO磁栅尺磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形二、磁栅传感器的工作原理1．基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示式中：Em－感应电势的幅值W－磁栅信号的节距x－机械位移量tWxEEmsin2cos磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：2．信号处理方式当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：tWxEEmsin2cos1tWxEEmsin2sin2Wx2xWx2式中：－机械位移相角，将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头的输出信号则变为：将两路输出相加，则获得总输出：tWxEEmsin2cos'1＝tWxEEmcos2sin'2)2sin(WxtEEm＝（1）鉴相方式在励磁绕组中通入交变的励磁电流，使磁芯的可饱和部分(截面较小)在每周内发生两次磁饱和，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。tkΦUsinπ2sinm以静态磁头为例，说明磁栅传感器的工作原理。静态磁头的结构如图所示，它有两组绕组N1和N2，N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。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，其幅值与磁栅进入磁芯漏磁通的大小成正比。磁栅结构框图，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。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？图双磁头结构双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图所示。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tkΦUtkΦUsinπ2cossinπ2sinm2m1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，如图所示。为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。图双磁头结构磁栅测量系统压板磁头磁尺磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺(a)磁场分布；(b)磁头结构Ｘ＝ＮλＮ为记下的输出信号的周期数磁栅传感器示意图为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。双磁头结构