感应同步器

感应同步器

感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。可用来测量直线或转角位移。测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。

长感应同步器由定尺和滑尺组成，如图3-45所示。圆感应同步器由转子和定子组成，如图3-46所示。这两类感应同步器是采用同一的工艺方法制造的。一般情况下。首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。定尺和滑尺，转子和定子上的绕组分布是不相同的。在定尺和转子上的是连续绕组，在滑

尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差相角，

又称为正、余弦绕组。感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。

安装时，定尺和滑尺，转子和定子上的平面绕组面对面地放置。由于其间气隙的变化要影响到电磁耦合度的变化，因此气隙一般必须保持在

的范围内。工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。

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。目前长感

应同步器的精度可达到，分辨力，重复性。直径为

的圆感应同步器的精度可达，分辨力，重复性。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。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。

由于感应同步器具有上述优点，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。

感应同步器的工作原理如下。当一个矩形线圈通以电流后，如图3-47a所

示，两根竖直部分的单元导线周围空间将形成环形封闭磁力线（横向段导线暂不考虑），图中号表示磁力线方向由外进入纸面，·号表示磁力线方向由纸面引

出外面。在任一瞬间（对交流电源的瞬时激励电压而言），如图3-47b所示，由单元导线1所形成的磁场在1～2区间的磁感应强度1由到2逐渐减弱，如近似

斜线所示。而由单元导线2所形成的磁场在1～2区间的磁感应强度2由到1逐渐减弱，如近似斜线所示。由于2和1电流方向相反，故在1～2区间产生

的磁力线方向一致。和合成后使1～2区间形成一个近似均匀磁场。由此可

见，磁通在任一瞬间的空间分布为近似矩形波，而它的幅值则按激磁电流的瞬时值以正弦规律变化。这种在空间位置固定、而大小随时间变化的磁场称为脉振磁场。

对上述矩形波采用谐波分析的方法，可获得基波、三次谐波，五次谐波。图3-47c用虚线画出了方波的基波和三次谐波。在下面的讨论中将只考虑基波

部分，即把基波的正弦曲线作为的分布曲线，谐波部分将设法消除或减弱。这

样，磁通密度将按位置作余弦规律分布，而且幅值与电流成正比，即

(3-89)

式中——矩形线圈宽度；

——比例系数。

当把另一个矩形线圈靠近上述通电线圈时，该线圈将产生感应电动势，其感应电动势将随两个线圈的相对位置的不同而不同。

如图3-48所示，设感应线圈的中心从励磁线圈中心右移的距离为，则穿过

线圈的磁通为

（3-90）

把式（3-89）代入可得

（3-91）

由此可得感应线圈的感应电动势为

（3-92）

在实际应用中，设励磁电压为，则感应电动势为

（3-93）

若将励磁线圈的原始位置移动的空间角，则

（3-94）

式中——励磁电压幅值；

——励磁电压角频率；

——比例常数，其值与绕组间的最大互感系数有关，常称为电磁耦合系数，用表示；

——绕组节距，又称感应同步器的周期，；

——励磁绕组与感应绕组的相对位移。

式（3-93）、（3-94）表明，感应同步器可以看做一个耦合系数随相对位移变化的变压器，其输出电动势与位移具有正弦、余弦的关系。利用电路对感应电动势进行适当的处理，就可以把被测位移显示出来。

由感应同步器组成的检测系统，可以采取不同的励磁方式，并可对输出信号采取不同的处理方式。

从励磁方式来说，可分为两大类：一类是以滑尺（或定子）励磁，由定尺（或转子）取出感应电动势信号；另一类以定尺（或转子）励磁，由滑尺（或定子）取出感应电动势信号。目前在实用中多数用前一类励磁方式。

从信号处理方式来说，可分为鉴相方式和鉴幅方式两种。它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。下面以长感应同步器为例进进叙述。

1.鉴相方式

如图3-45所示，在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、相位差为的交流电压励磁即

正弦绕组励磁电压

余弦绕组励磁电压

式中——励磁电压幅值。

正余弦绕组空间位置相差，其中为整数，两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，其值分别为

（3-95）

按叠加原理求得定尺总感应电动势为

式中的称为感应电动势的相位角，它在一个节距之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应关系，每经过一个节距，变化一个周期。

由此可见，通过鉴别感应电动势的相位，例如同励磁电压比相，即可测出定尺和滑尺之间的相对位移。

感应同步器在鉴相方式下工作，也可以定尺绕组励磁，由滑尺两绕组取出两个感应电动势，再把其中之一移相进行相加，同样可得到上述结果。

2.鉴幅方式

仍如图3-45所示，加到滑尺两相绕组交流励磁电压如下：

它们分别在定尺绕组上感应出电动势为