请老师帮助解决隔磁问题

一、磁栅（一）磁栅的结构 磁栅结构如图5-15所示，磁栅基体1是用不导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜2，经过录磁，其磁信号排列情况如图中所示，要求录磁信号幅度均匀，幅度变化应小于10％，节距均匀。目前长磁栅常用的磁信号节距一般为0.05mm和0.02mm两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十分。 磁栅基体1要有良好的加工性能和电镀性能，其线膨胀系数应与被测件接近, 基体也常用钢制作，然后用镀铜的方法解决隔磁问题，铜层厚度约为0.15～0.20mm。长磁栅基体工作面平直度误差应不大于0.005～0.01mm/m，圆磁栅工作面不圆度应不大于0.005～0.01mm。粗糙度Ra在0.16μm以下。 磁性薄膜2的剩余磁感应强度Br要大、矫顽力Hc要高、性能稳定、电镀均匀。目前常用的磁性薄膜材料为镍钴磷合金，其Br=0.7～0.8T，Hc=6.37×l04A·m-1。薄膜厚度在0.10～0.20mm左右。(二）磁栅的类型 磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。 长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。一般常用尺型磁栅，其外形如图5-16a所示。它是在一根不导磁材料（例如铜或玻璃）制成的尺基上镀一层Ni-Co-P或Ni-Co磁性薄膜，然后录制而成。磁头一般用片簧机构固定在磁头架上，工作中磁头架沿磁尺的基准面运动，磁头不与磁尺接触。尺型磁栅主要用于精度要求较高的场合。 当量程较大或安装面不好安排时，可采用带型磁栅，如图5-16b所示。带状磁尺1是在一条宽约20mm、厚约0.2mm的铜带上镀一层磁性薄膜，然后录制而成的。图中2为软垫（常用泡沫塑料），3为防尘与屏蔽罩，4为上压板，5为拉紧块。带状磁尺的录磁与工作均在张紧状态下进行。磁头在接触状态下读取信号，能在振动环境下正常工作。为了防止磁尺磨损，可在磁尺表面涂上一层几微米厚的保护层，调节张紧预变形量可在一定程度上补偿带状尺的累积误差与温度误差。 同轴型磁栅是在Φ2mm的青铜棒上电镀一层磁性薄膜，然后录制而成。磁头套在磁棒上工作，如图5-16c所示，两者之间具有微小的间隙。由于磁棒的工作区被磁头围住，对周围的磁场起了很好的屏蔽作用，增强了它的抗干扰能力。这种磁栅传感器结构特别小巧，可用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。 圆磁栅传感器如图5-17所示。磁盘1的圆柱面上的磁信号由磁头3读取，磁头与磁盘之间应有微小的间隙以避免磨损。罩2起屏蔽作用。二、磁头 磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头两种。（一）动态磁头 动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，它只有一组线圈。图5-18a所示为动态磁头的实例，其铁心由每片厚度为0.2mm的铁镍合金（含Ni80％）片叠成需要的厚度（如3mm�窄型、18mm�宽型）, 前端放入0.01mm厚度的铜片，后端磨光靠紧。线径d＝0.05mm，匝数N= 2×l000～2×l200，电感量约为L=4.5mH。 当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电动势。当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时,输出感应电动势的大小也不同, 静止时，就没有信号输出。因此它不适合用于长度测量。 用此类磁头读取信号的示意图如图5-18b所示。读出信号为正弦信号，在N处为正的最强，S处为负的最强。图中W为磁信号节距。（二）静态磁头 静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。读出原理 图5-19所示为静态磁头对磁栅信号的读出原理。磁栅漏磁通Φ0的一部分Φ2通过磁头铁心，另一部分Φ3通过气隙，则： （5-7）式中 Rσ��气隙磁阻；RT��铁心磁阻。一般情况下，可以认为Rσ不变, RT则与励磁线圈所产生的励磁磁通Φ1有关。铁心P、Q两段的截面很小，在励磁电压u变化的一个周期内，铁心被励磁电流所产生的磁通Φ1饱和两次, RT变化两个周期。由于铁心饱和时其RT很大,Φ2不能通过, 因此在u的一个周期内，Φ2也变化两个周期, 可近似认为 （5-8）式中 a0、a2��与磁头结构参数有关的常数；ω��励磁电源的角频率。在磁栅不动的情况下，Φ0为一常量，输出绕组中产生的感应电动势eo为 （5-9）式中 N2��输出绕组匝数；k��常数，k＝2 N2 a2ω。漏磁通Φ0是磁栅位置的周期函数。当磁栅与磁头相对移动一个节距W时，Φ0就变化一个周期。因此Φ0可近似为 于是可得 （5-10）式中 x��磁栅与磁头之间的相对位移；Φm��漏磁通的峰值。由此可见，静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通变化来产生感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦（或余弦）关系。静态磁头结构举例 图5-20所示为多隙磁通响应式磁头的一个典型结构。其激磁绕组N1=4×15～4×20匝，输出绕组N2＝100～200匝，线径d1＝d2=0.1mm，铁心材料是铁镍合金。 由图中所示，磁头铁心由A、B、C、D四种形状不同的铁镍合金片按ABCBDBCBA…顺序叠合，每片厚度为W/4。这样AC构成第一个分磁头，B中的铜片起气隙作用，CD构成第二个分磁头，DC构成第三个分磁头，CA构成第四个分磁头等等。A、B、C、D做成不同形状，为的是让它们只有在通过励磁线圈的铁心段时才能形成磁路。只有这样，才能使它们的铁心磁阻RT受到励磁电流的调制。 由于A与C、C与D各相距W/2，对于磁栅磁场的基波成分，若A片对准N极，那么C片对准S极，D片对准下一个N极，则进入铁心的漏磁通在C片的中部是互相加强的，如图5-21a所示。输出线圈套在C片中部上，输出感应电动势得到加强。对于磁场的偶次谐波成分，A、C、D等都对准同名极，铁心中没有磁通通过，如图5-21b所示，这样就消除了偶次谐波的影响。 上述磁头结构能把基波成分叠加起来，因此气隙数n越大，输出信号也越大，这是多隙式磁头的特点。但n也不能太大，否则不仅会使体积加大，且叠片厚度的加工误差也将加大。因此常取n＝30～50，同时还应限制叠片厚度的总误差不得超过±W/10。 励磁绕组的安匝数I1N1应足以使图5-19中P、Q处的磁路饱和。但I1N1太大，磁路饱和时间过长，使Φ2大部分时间处于被切断状态，也会使输出变小。考虑到励磁线圈绕制比较困难，每个线圈安排为10～20匝，励磁电流数十毫安，由实验确定。在绕制励磁线圈时要注意励磁桥路（见图5-20）的平衡。在桥路平衡的条件下，励磁绕组所产生的磁场则不通过输出绕组所在的铁心。否则，即使没有磁栅，输出绕组也会有信号输出。发生这种情况时要改变励磁线圈某一臂参数，以使桥路达到平衡。 增加输出绕组的匝数N2有利于增大输出信号。但N2越大，外界电磁干扰引起的噪声电压也越大，一般取N2为几百匝，使输出信号达到几十毫伏即可。 三、信号处理方式 动态磁头利用磁栅与磁头之间以一定的速度相对移动而读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。例如某些动态丝杠检查仪，就是利用动态磁头读取磁尺上的磁信号，作为长度基准，去同圆光栅盘（或磁盘）上读取的圆基准信号进行相位比较，以检测丝杠的情度。 静态磁头一般总是成对使用，即用两个间距为（n±1/4）W的磁头，其中n为正整数，W为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间相差90°。其信号处理方式分为鉴幅与鉴相两种。（一）鉴幅方式两个磁头的输出为 （5-11）式中 Um��磁头读出信号的幅值；x��磁头与磁栅之间的相对位移；ω��励磁电压的角频率。经检波器去掉高频载波后可得 （5-12）此两路相位差为90°的两相信号送至有关电路进行细分辨向后输出。（二）鉴相方式把某一磁头的励磁电流移相45°（或把其读出信号移相90°），则两磁头的输出分别为 （5-13）将两路信号相减后得到的输出电压为 （5-14）由式（5-14）可见，输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化的信号，可用鉴相电路测量出来。四、磁栅传感器的特点与误差分析 磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，其精度略低于感应同步器。除此之外，它还具有下列特点：①录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录，②使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因而可避免安装误差；③可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准量中含有π因子，可在节距中考虑。与感应同步器相似，磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两项。 影响零位误差的主要因素有：①磁栅的节距误差；②磁栅的安装与变形误差；③磁栅剩磁变化所引起的零位漂移；④外界电磁场干扰等。 影响细分误差的主要因素有：①由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；②两个磁头间距偏离1/4节距较远；③两个磁头参数不对称引起的误差；④磁场高次谐波分量和感应电动势高次谐波分量的影响。 上述两项误差应限制在允许范围内，若发现超差，应找出原因并加以解决。 要注意对磁栅传感器的屏蔽。磁栅外面应有防尘罩，防止铁屑进入，不要在仪器未接地时插拔磁头引线插头，以防止磁头磁化。:::::::Back 收起