数控机床及编程：其他检测元件

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1、4.3.4 磁尺测量装置磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，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换成电信号，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。特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。磁尺测量装置的组成和工作原理： 磁性标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、化学沉积或电镀的一层1020um的导磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的

2、磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、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12mm的耐磨塑料保护层。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。4.3.5 旋转变压器角位移检测装置旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400H

3、、500H、1000H、3000H、5000H，其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。从物理本质上看，旋转变压器是一种可以转动的变压器。它由定子和转子组成，其原、副绕组分别放置在定、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。因此，当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。旋转变压器有多种分类方法：若按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种；若按极对数来分，可分为单对极和多对极；若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；若按

4、输出电压与转子转角间的函数关系来分，可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。工作原理：当激磁电压U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（a）所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电压U2为0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压U2为：U1= UmsinwtU2= k U1 sin(theta) = ksinwtsin(theta)旋转变压器是一种结构和制造工艺都十分精细的控制电机，其精度很高。旋转变压器主要有正余弦旋转变压

5、器和线性旋转变压器两种。正余弦旋转变压器主要用于要求坐标变换、三角运算的场合，线性旋转变压器主要用于要求将转角转换成电信号的场合。D发送机定子绕组；D接收机定子绕组；Z发送机转子绕组；Z接收机转子绕组图8.16为用一对旋转变压器测量差角的原理图。图中与发送机轴耦合的旋转变压器称为旋变发送机。与接收机轴耦合的旋转变压器称为旋变接收机或旋变变压器。前已述及，旋转变压器中定、转子绕组都是两相对称绕组。当用一对旋转变压器测量差角时，为了减小由于电刷接触不良而造成的不可靠性，常把定、转子绕组互换使用，即旋变发送机转子绕组Z1Z2加交流励磁电压Us1，绕组Z3Z4短路，发送机和接收机的定子绕组相对应连接。

6、接收机的转子绕组Z3Z4做输出绕组，输出一个与两转轴的差角q =q 1-q 2成正弦函数的电动势，当差角较小且用弧度表示时，该电动势近似正比于差角。可见一对旋转变压器可用来测量差角。4.3.6 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

7、。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90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。利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。

8、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：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

9、的圆感应同步器的精度可达，分辨力，重复性。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。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。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

10、来实现。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12区间的磁感应强度1由到2

11、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12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12区间产生的磁力线方向一致。和合成后使12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

12、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

13、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

14、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

15、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 （3-96）定尺的总感应电动势为（3-97）采用函数变压器使励磁电压幅值为 式中的为励磁电压的电相角，则感应电动势可写成(3-98）该式把感应同步器定尺滑尺间的相对位移角与励磁电压的电相角联系了起来。设在原始状态时，则。然后滑尺相对定尺有一位移，使，则感应电动势增量为（3-99）由此可见，在位移增量较小的情况下，感应电动势增量的幅值与成正比，通过鉴别感应电动势的幅值，就可测出的大小。实际中设计了一个这样的电路系统，每当位移超过一定值（例如），就使的幅值超过某一预先

16、调定的门槛电平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自动地改变励磁电压幅值和，使新的跟上新的，这样便把位移量转换成数字量，从而实现了对位移的数字显示。上述鉴幅方式是用正弦波进行励磁。此外还有使用方波进行励磁，用数字正、余弦函数发生器进行数模转换的另一种鉴幅方式，称之为脉冲调宽鉴幅方式。具体情况，在测控电路课程中介绍。测速发电机测速发电机在自动控制系统中是一个非常重要的元件，它可作为校正元件、阻尼元件、测量元件、解算元件和角加速度信号元件等。测速发电机是自动控制系统中的信号元件，它可以把转速信号转换成电气信号。直流测速发电机是一种微型直流发电机，按励磁方式分为电磁式和永磁式两大类。异步测速发电机的结构与空心杯转子交流伺服电动机完全相同。为了满足控制系统的要求，对测速发电机的性能要求也越来越高。为此人们在普通测速发电机的基础上，研制出了永磁高灵敏度直流测速发电机和无刷直流测速发电机。