感应同步器

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。
感应同步器的工作原理具体 分析 W 定尺
U0
滑尺 正弦绕组A
US
W/4
余弦绕组B
US
感应电动势
移动距离
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。
W U0
定尺
W/4
A点 US
滑尺
B点 A
磁栅传感器
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。
静态磁头
磁尺
固定孔
磁 栅 的 外形及结构
去信号处理电路
大尺寸磁栅尺外形图
K－主要与两绕组的相对位置等因素有关 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
2 x E Em sin cos t W
上式中：Em=K0Umω
如图滑尺绕组有 两组，相差1/4个 周期，则有
2x E S E m sin cos t W 2x EC E m cos cos t
二、直线感应同步器工作原理 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。
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。
五、直线感应同步器的优点
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。
鉴幅工作方式
设
m
则： V KV sin sin t m 当 较小时，有
感应电势与 成正比，即V随给定的位移 量 x( ) 与工作台实际位移 x1 (m )的差值 x( ) 成正比变化。
V ( KVm sin t )
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。
W
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。
2x E 2 E m sin sin t W
式中： 2x －机械位移相角， W
2x x W
（1）鉴相方式
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： 2x ' E1＝E m cos sin t W 2x ' E 2 E m sin cos t W 将两路输出相加，则获得总输出：
磁栅的类型
同轴形 长磁栅 （测量直线位移）
带形 尺形 圆磁栅 （测量角位移）
1－磁头 2－磁栅 3－屏蔽罩 4－基座 5－软垫
磁头 磁尺
磁栅外观图
德国SIKO 磁栅尺
磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示
二、磁栅传感器的工作原理 1．基本工作原理
磁头与 磁尺相 对运动 时的输 出波形
磁栅传感器工作原理动画演示
2x E＝E m sin(t ) W
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。
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。
直线光栅 激光干涉仪
直线感应同步 三速感应同 多通道透射 器 步器 光栅 磁尺 绝对磁尺
一、直线感应同步器
1、直线感应同步器的结构 定尺
节距2τ（2mm）
sin 节距（0.5mm）
cos 滑尺
绝对式 直 线线感应同步 标准型 增量式 窄长长 带型 圆感应同步器绝对式 增量式
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。
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
感应同步器 磁栅传感器
常用位置检测装置分类表
数字式 增量式 绝对式 增量式
旋转变压器 绝对式脉冲 三速圆感应 圆感应同步器 编码盘 同步器 圆磁尺
模拟式 绝对式
回 转 式
脉冲编码盘 圆光栅
直 线 式
四、关于直线感应同步器的几点说明
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。
U0
E
B
C点 D点
D C
x
感应同步器的工作原理
定尺
U0
U0
US
US UU S U
S S
滑尺
θ1 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
di E K KU m cos t dt
图
双磁头结构
磁栅测量系统
磁头
磁尺
压板
磁栅在磨床测长系统中的应用
磁尺
Ｎ为记下的输出 信号的周期数
Ｘ＝Ｎλ
(a)磁场分布；(b)磁头结构
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
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：
2x E E m cos sin t W
式中：Em－感应电势的幅值 W－磁栅信号的节距 x－机械位移量
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：
2x E1 E mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱcos sin t W
2 π

sin t sin t

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。
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。
U kΦm sin
2π

sin t
磁栅结构框图，它由磁性标尺、拾磁 磁头和检测电路组成。
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
Vs Vm sin sin t Vc Vm cos sin t
在定尺绕组的感应电势为：
V KVm sin(m )sin t
m 为定尺、滑尺实际相位角。
鉴相型磁栅数显表的原理框图
设置两个磁头的 意义何在？ 磁尺与磁头接触，使用寿命 不如光栅，数年后易退磁。
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
U 1 kΦm sin
2 π
U 2 kΦm cos