位置检测装置方案的基本要求

1.概述

位置检测装置是数控系统的重要组成部分。对于采用闭环或半闭环控制的数控机床，其定位精度和加工精度在很大程度上取决于检测装置的测量精度。因此，掌握位置检测装置的工作原理，了解其应用方法，对于使用和维护数控机床具有重要的意义。

（1）对位置检测装置的基本要求

数控机床对检测装置有以下几点基本要求：

①稳定可靠，抗干扰能力强。在油污、潮湿、灰尘等恶劣环境下工作稳定，受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。

②满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度。目前，直线位移测量分辨率一般在0.001～0.01mm之间，测量精度可达±0.001～0.02mm/m；回转角测量角位移分辨率为2″左右，测量精度可达到±10″/360°，可测量速度≥24m/min。

③安装维护方便，成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试，如旋转编码器、光栅尺、感应同步器等都是数控机床比较常用的位置检测装置。

（2）常用位置检测装置的分类

数控机床常用的位置检测元件如表3-10所示。根据运动形式，可以分为直线型和回转型两大类型。直线型位置检测装置用来检测运动部件的直线位移量，回转型位置检测装置用来检测回转部件的角位移量。

按检测量的测量基准，常用位置检测装置可分为绝对式和增量式。绝对式位置检测装置每个被测点的位置都从一个固定的零点算起，对应的测量值以二进制编码数据形式输出。如接触式码盘、光电式码盘等，对应码盘的每个角位都有一组二进制数据。这种检测装置分辨率越高，结构越复杂。增量式位置检测装置的特点是只测位移增量，每检测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲波或正弦波，通过脉冲计数便可得到位移量。如常用的增量式旋转编码器，每转过一个固定的角度，就输出一个脉冲。这种检测装置结构比较简单，但由于没有绝对零位，所以每次开机上电后需要重新找零位。

表3-10 位置检测元件分类

按被测量和所用检测元件的安装位置关系，常用位置检测装置可分为直接测量和间接测量。对机床的直线位移采用直线型检测元件测量为直接测量，其测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的直接影响；采用安装在电动机或丝杠轴端的回转型检测元件间接测量机床直线位移的检测方法为间接测量，其测量精度取决于测量元件及机床传动链的精度。

此外，还可以根据检测元件输出信号不同，分为数字式和模拟式。数字式检测元件输出方波信号或二进制编码信号；模拟式检测元件输出正弦波信号或模拟电平信号。

（3）位置检测装置的性能指标

位置检测装置安装在伺服驱动系统中。由于所测量的各种物理量是不断变化的，因此传感器的测量输出必须能准确、快速地跟随反映这些被测量的变化。位置检测装置的主要性能指标包括如下几项内容。

1）精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。

2）分辨率 分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的高低对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响，一般按机床加工精度的1/3～1/10选取。

3）灵敏度 实时测量装置不但要灵敏度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。

4）迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统的传感器要求迟滞小。

5）测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。

6）零漂与温漂 传感器的漂移量是其重要性能标志，它反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。

2.旋转变压器

如图3-83所示，旋转变压器是一种控制用的微电动机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号。其在结构上与二相线绕式异步电动机相似，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。励磁电压接到定子绕组上，其频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。旋转变压器结构简单，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。因此，旋转变压器广泛应用在数控机床上。

图3-83 旋转变压器结构

1—转子轴 2—壳体 3—分解器定子 4—变压器定子 5—变压器一次绕组 6—变压器转子轴 7—变压器二次绕组 8—分解器转子

图3-84 旋转变压器的工作原理

（1）旋转变压器的工作原理

旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通分布符合正弦规律，因此当励磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势，如图3-84所示。其输出电压的大小取决于转子的角度位置，即随着转子偏转的角度呈正弦变化。当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置转动角度为θ时，绕组中产生的感应电动势应为

E₁=nU₁ sinθ

=nU_msinωtsinθ

式中 n——变压比；

U₁——定子的输出电压；

U_m——定子最大瞬时电压。

当转子转到两磁轴平行时，即θ=90°时，转子绕组中感应电动势最大，即

E₁=nU_msinωt

（2）旋转变压器的应用

在实际应用中，通常采用的是正弦、余弦旋转变压器。其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，如图3-85所示。当励磁绕组用两个相位相差90°的电压供电时，应用叠加原理，在副边的一个转子绕组中磁通为（另一绕组短接）

Φ₃=Φ₁sinθ₁+Φ₂sinθ₂

而输出电压为

U₃=nU_msinωtsinθ₁+nU_mcosωtsin（90°-θ₁）=nU_mcos（ωt-θ₁）

由此可见，当把励磁信号U₁=U_msinωt和U₂=U_mcosωt施加于定子绕组时，旋转变压器转子绕组便可输出感应信号U₃。当转子转过角度θ₁，那么感应信号U₃和励磁信号U₂之间一定存在着相位差，这个相位差可通过鉴相器电路检测出来，并表示成相应的电压信号。这样，通过对该电压信号的测量便可得到转子转过的角度θ₁。但由于U₃=nU_mcos（ωt-θ₁）是关于变量θ₁的周期函数，故转子每转一周，U₃值将周期性地变化一次。因此，在实际应用时，不但要测出U₃的大小，而且还要测出U₃的周期性变化次数；或者将被测角位移θ₁限制在180°之内，即每次测量过程中，转子转过的角度小于半周。

图3-85 正弦、余弦旋转变压器

3.旋转编码器

旋转编码器是一种旋转式位置测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成数字脉冲。旋转编码器是数控机床常用的位置检测元件。

按输出信号形式（增量脉冲形式或绝对式的代码形式），旋转编码器可以分为增量式和绝对式两种类型。按码盘的读取方法，旋转编码器可分为光电式、接触式和电磁式三种。

图3-86 增量式旋转编码器外形结构图

1—转轴 2—发光管 3—光栅板 4—零标志刻线 5—光敏管 6—光栅盘 7—印制电路板 8—电源及信号线插座

（1）增量式旋转编码器

1）结构 增量式旋转编码器的外形结构如图3-86所示。它主要由发光管（带聚光镜）、光栅板、光栅盘、光敏元件及信号处理电路板组成。

光栅盘分为透光式和反光式两种。透光式光栅盘由光学玻璃制成，玻璃表面在真空中镀一层不透明的膜，然后在圆周的半径方向上，用照相腐蚀的方法制成许多条可以透光的狭缝和不透光的刻线，刻线的数量可达几百条或几千条；反光式光栅盘一般是在金属圆盘的圆周上制成许多条可以反光的刻线，利用反射光进行测量，其发光管和光敏管位于圆盘的一侧。此外，也可在金属圆盘的圆周上刻上一定数量的槽或者孔，使圆盘形成透明和不透明区域，其原理和透光式光栅盘相同，只是槽的数量受限，分辨率较低，常被称作光电码盘，主要用于电子手轮和回转刀架的刀位检测。

2）工作原理 图3-87所示为增量式旋转编码器测量系统的工作原理示意图。当光栅盘随工作轴一起转动时，每转过一个刻线（狭缝）就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件变成一次电信号的强弱变化，对它进行放大、整形处理后，得到脉冲信号输出。脉冲数就等于转过的刻线数。将该脉冲信号送到计数器中计数，则计数值就反映了圆盘转过的角度。

图3-87 增量式旋转编码器光学原理

1—旋转轴 2—轴承 3—透光狭缝 4—光栅盘 5—光源 6—聚光镜 7—光栅板 8—光敏元件

为了判别码盘的旋转方向，采用两个光敏元件，其输出信号经放大整形后，得到如图3-88所示的两列相位差为90°的矩形脉冲P₁和P₂。它们分别接到D触发器的D端和CP端，D触发器在CP脉冲（即P₂）的上升沿触发。当正转时，1号光敏元件比2号光敏元件先感光，即脉冲P₁超前脉冲P₂90°。D触发器的输出Q=“1”，使可逆计数器的加减控制线为高电平，计数器将作加法计数。同时P₁和P₂又经与门Y输出脉冲P，经延时电路送到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。当反转时，P₂超前P₁90°。D触发器输出Q=“0”，使可逆计数器的加减控制线为低电平，计数器作减法计数。计数电路如图3-89所示。

图3-88 二相增量式旋转编码器输出脉冲波形图

增量式旋转编码器的主要技术参数包括：每转脉冲数（P/R）、电源电压、输出信号相数和输出形式等，各参数范围如表3-11所示。其中，一相输出只有一列矩形脉冲，用于单方向计数；二相输出为两列正交脉冲，可正反向计数；三相输出时，A、B为两列正交脉冲，用于正反向计数，Z相为零位脉冲，每转只产生一个。

图3-89 正交脉冲可逆计数器原理图

表3-11 旋转编码器技术参数范围

（2）绝对值式编码器

绝对值式编码器是一种直接编码式的测量元件。它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置，没有积累误差。其编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。为叙述简单起见，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。

图3-90所示是一个四位二进制编码盘，涂黑部分是导电区，空白部分是绝缘区。编码盘上共有5个同心环道，外圈的4个环道分为16个扇形区，每个扇形区的4个环道按导电为“1”、绝缘为“0”组成二进制编码。通常把组成编码的各圈称为码道，对应4个码道并排装有4个电刷，电刷经电阻接到电源的负极。内圈的1个环道是公用环道，全部导电，也装有1个电刷，并接到电源的正极。码盘的转轴可与被测轴一起转动，而5个电刷则是固定不动的。当被测轴带动码盘转动时，与码道对应的4个电刷上将出现相应的电平，形成二进制代码。若码盘按顺时针方向转动，就依次得到0000，0001，0010，…，1111的二进制输出。

图3-90 接触式码盘

a）结构简图 b）二进制编码盘 c）格雷编码盘

二进制编码盘具有直观、简单的优点，但对码盘的制作和电刷的安装要求十分严格，否则就会出错。例如0000位置，若码盘按逆时针方向转动，正常时输出应由数码0000转换到1111；但是，如果最里侧码道上的电刷（电刷3）在安装时稍向逆时针方向偏移，则当码盘随轴作逆时针方向旋转时，电刷3接触导电部分早了一些，因而先给出数码1000，这是不允许的，应避免发生。为了消除这种错误，常采用循环码（格雷码）代替二进制码，循环码的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，它能有效地避免由于制作和安装误差而造成的错误。循环码和二进制码及十进制数的对应关系如表3-12所示。

上述为四位码盘，其分辨角度α=360°/2⁴=22.5°。如果用n位编码盘，则分辨角度α=360°/2ⁿ。所以位数越多，n越大，分辨角度就越小，精度也就越高。目前，接触式码盘一般可以做到9位二进制，而光电式码盘则可做到18位二进制。如果要求更多的位数，则可用组合码盘，即用一个粗计码盘和一个精计码盘，精计码盘转一圈，粗计码盘转一格。如果用两个9位二进制码盘组合，则可得到相当于18位二进制码盘的输出。

表3-12 绝对值式编码器输出真值表

4.光栅尺

光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线而制成的光学元件。数控机床上用的光栅尺，是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象制成的光电式位移测量装置。

按制造工艺不同，光栅尺可分为透射光栅尺和反射光栅尺。透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般在每毫米4～50条范围内。

按结构用途不同，光栅又可分为直线光栅尺和圆光栅尺。如图3-91所示，直线光栅尺用于测量直线位移，圆光栅尺用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于测量运动位移、确定工作台运动方向及确定工作台运动的速度。

图3-91 光栅尺

（1）光栅的组成结构和检测原理

1）组成结构 直线透射光栅尺的结构如图3-92所示，由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电元件等组成。一般移动的光栅为长光栅，短光栅装在机床的固定部件上。长光栅随工作台一起移动，其有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度（即栅距）相等，相互平行并保持一定的间隙（0.05～0.1mm），并且使刻线相互倾斜一个微小的角度θ。

2）莫尔条纹的形成原理 当用光源的平行光照射光栅时，由于刻线的挡光作用和光的衍射作用，则在与刻线垂直的方向上，就会产生明暗交替、间隔相等的干涉条纹，称为莫尔条纹，如图3-93所示。

图3-92 光栅尺结构原理

图3-93 莫尔条纹形成原理

当标尺光栅沿与刻线垂直的方向移动时，莫尔条纹也跟着移动，且移动的方向与标尺光栅移动的方向垂直。光栅每移动一个刻线，莫尔条纹也正好移动一个条纹。通过测定莫尔条纹移动的数目，就可以测量出标尺光栅的相对位移距离。

3）莫尔条纹的特点 莫尔条纹具有以下特点：

①放大作用。莫尔条纹的宽度B将随条纹的夹角θ的变化而变化，其关系为

式中ω——光栅栅距；(www.xing528.com)

θ——两光栅的刻线夹角。

上式表明，可以通过改变θ的大小来调整莫尔条纹的宽度，θ越小，B越大，这相当于把栅距放大了1/θ倍。例如对于刻线密度为100线/mm的光栅，其ω=0.01mm，如果通过调整，使θ=0.001rad（0.057°），则，其放大倍数为1000倍，而且无需复杂的光学系统，这是莫尔条纹独有的一个重要特性。

②平均效应。莫尔条纹是指示光栅覆盖了许多条纹后而形成的，例如250线/mm的光栅，一条10mm长的莫尔条纹是由2500条刻线组成的，其对光栅条纹间距的误差有平均作用，因而能消除周期误差的影响。

③信号变换。标尺光栅每移动一个栅距，莫尔条纹相应地移动一个宽度，同时光线强度按近似正弦规律变化一个周期，从而把机械位移信号变换成了光学信号。

④莫尔条纹的移动与刻线的移动成正比例。当光栅尺移动一个栅距时，莫尔条纹也恰好移动一个节距。若光栅尺朝相反的方向移动，莫尔条纹也往相反的方向移动。这样，可以根据莫尔条纹移动的数目计算出光栅尺移动的距离，并根据莫尔条纹移动的方向来判断移动部件的运动方向。

（2）测量电路工作原理

在光栅尺的一侧安装上光源，另一侧安装上光敏元件。当标尺光栅随运动部件移动时，照射到光敏元件上的光线也随着莫尔条纹移动而产生明暗相间的变化，经过光敏元件的“光_-电”变换，得到与刻线移动相对应的正弦波信号，经过放大、整形等处理后，变成测量脉冲输出，波形如图3-94所示。脉冲数等于移过的刻线数，将该脉冲信号送到计数器中计数，则计数值就反映了光栅尺移动的距离。

图3-94 输出信号波形图

为了能够辨别运动方向，可在1/4栅距的位置上安放两个光敏元件，使输出信号的相位差为90°，通过鉴相电路判别其运动方向。

此外，为了提高测量精度，常用倍频细分法对输出信号进行处理。图3-95所示为四倍频电路，4个光敏元件的安装位置彼此相差1/4栅距，产生4列彼此相差90°的信号。为了在0°、90°、180°、270°的位置上都能得到脉冲，必须把两路相差90°的方波各自反相一次，然后再微分，就可得到4个脉冲，使分辨率提高4倍。

为了辨别方向，正向运动时，用“与或”门YH1得到AB+AD+CD+BC的4个输出脉冲；反向运动时，用“与或”门YH2得到BC+AB+AD+CD的4个输出脉冲。其波形如图3-96所示。

在机床光栅位移测量系统中，除上述四倍频外，还有八倍频、十倍频、二十倍频等。

图3-95 四倍频辨向计数电路

5.感应同步器

感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁感应原理制成的位移测量装置。这两个绕组类似变压器的原边绕组和副边绕组，所以又称为平面变压器。按结构和用途分，感应同步器可分为直线式感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。两者的工作原理基本相同。

感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感应同步器的测量精度可达1.5μm，分辨率可达0.05μm，并可测量较大位移。因此，直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位、数控和数字显示等，旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或测量仪器的分度装置等。下面以直线式感应同步器为例，介绍一下感应同步器的结构和工作原理。

图3-96 四倍频波形图

（1）直线式感应同步器的结构

直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。图3-97是定尺和滑尺的断面结构图，定尺和滑尺均用绝缘粘合剂将铜箔贴在基板上，用光化学腐蚀或其他方法，将铜箔刻制成曲折的印制电路绕组。定尺表面涂有耐切削液的保护层；滑尺表面用绝缘粘合剂贴有带绝缘层的铝箔，以防止静电感应。

图3-97 定尺和滑尺的断面结构

a）定尺 b）滑尺 1—耐腐蚀保护层 2—钢基板 3—平面绕组 4—绝缘粘合剂 5—铝箔

如图3-98所示，定尺表面分布有单相均匀绕组，尺长250mm，绕组节距（τ）2mm（标准型）。滑尺上有两组绕组，一组叫正弦绕组，另一组叫余弦绕组。当正弦绕组的每只线圈和定尺绕组的每只线圈对准（即重合）时，余弦绕组的每只线圈和定尺绕组的每只线圈相差1/4节距，即滑尺上两组绕组在空间位置上相差1/4节距。

直线式感应同步器有标准型、窄型和带型三种，其中标准型精度最高，应用最广。

（2）直线式感应同步器的工作原理

图3-98 直线式感应同步器定尺和滑尺的绕组示意图

图3-99 感应同步器工作原理

在直线式感应同步器工作时，定尺和滑尺相互平行安装，其间有大约（0.25±0.05）mm的间隙，间隙的大小会影响电磁耦合度。定尺是固定的，滑尺是可动的，它们之间可以作相对移动。图3-99说明了定尺感应电压与定、滑尺绕组的相对位置的关系。

当在滑尺的正弦绕组加正弦交流（1～10kHz）励磁电压时，则在绕组中产生励磁电流，并产生交变磁通。这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上分别感应出同频率的交流电压。这时，如果滑尺处于图中A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。再继续移至1/2节距处，即图中C点位置时，为最大的负值电压（即感应电压的幅值与A点相同但极性相反）。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节距位置即图中E点，又恢复初始状态，即与A点情况相同。显然在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。

同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移θ的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。

根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。

1）鉴相工作方式 当在滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别加同频率、同幅值，相位相差π/2的励磁电压u_s=U_msinωt和u_c=U_mcosωt时，则将在定尺绕组上分别感应出同频率的电压

式中，k为电磁耦合系数，θ为滑尺激磁绕组相对于定尺绕组的空间相位角。实际上，正、余弦绕组同时供电，这时定尺绕组上总的感应电压为

由此看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数k、励磁电压幅值U_m以及频率ωt均是常数，因而定尺的感应电压u_d就只随着空间相位角θ的变化而变化。这说明定尺的感应电压与滑尺的位移值有严格的对应关系，通过鉴别定尺感应电压的相位，即可测得滑尺和定尺间的相对位移。

2）鉴幅工作方式 给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别加相位相同、频率相同、但幅值不等的交流激磁电压u_s=U_s sinωt=（U_msinϕ）sinωt和u_c=U_c sinωt=（U_mcosϕ）sinωt，则定尺绕组中感应电压为

可见，定尺绕组上的感应电压与激磁电压同频率同相位，而幅值kU_msin（ϕ-θ）则取决于激磁电压的幅值U_m和感应同步尺的相对位移θ，且随（α-θ）作正弦规律变化，所以可以通过检测u_d的幅值变化来测量机械位移量。

6.磁栅

磁栅（磁尺）是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，是一种高精度的位置检测装置。其录磁和拾磁原理与普通磁带相似，可用于数控系统的位置测量。在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送入计算机或数字显示装置。磁栅与光栅、感应同步器相比，测量精度略低一些，但它有其独特的优点：

①制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完，若发现不符合要求，可抹去重录；亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。

②磁尺的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。

③耐油污、灰尘等杂物，对使用环境要求低。

（1）磁栅测量装置的组成结构

磁栅测量装置按其结构可分为直线磁栅和圆形磁栅，分别用于直线位移和角位移的测量。其中，直线磁栅又分为带状磁栅、杆状磁栅。常用磁栅的外形结构如图3-100所示。

图3-100 常用磁栅外形结构

a）带状磁栅 b）杆状磁栅 c）圆形磁栅

带状磁栅固定在用低碳钢做的屏蔽壳体内，并以一定的预紧力绷紧在框架或支架中；框架固定在机床上，使带状磁尺同机床一起胀缩，从而减少温度对测量精度的影响。杆状磁栅套在磁头中间，与磁头同轴，两者之间保持很小的间隙，由于磁尺包围在磁头中间，对周围电磁起到了屏蔽作用，所以抗干扰能力强，输出信号大。圆形磁栅的磁尺做成圆形磁盘或磁鼓形状，磁头和带状磁尺的磁头相同，主要用来检测角位移。

1）磁性标尺 磁性标尺常采用非磁导材料做基体，在上面镀上一层10～30μm厚的高磁导性材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05mm、0.1mm、0.2mm；最后在磁尺表面还要涂上一层1～2μm厚的保护层，以防磁头与磁尺频繁接触而形成的磁膜磨损。

2）拾磁磁头 拾磁磁头是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给测量电路。拾磁磁头可分为动态磁头和静态磁头。

动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以只有当磁头和磁尺有一定相对速度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头只能用于录音机、磁带机的拾磁磁头，不能用来测量位移。

由于用于位置检测用的磁栅要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时，亦能测量位移或位置，所以应采用静态磁头。静态磁头又称磁通响应型磁头，如图3-101所示。它在普通动态磁头的基础上增加了一个励磁线圈，并采用可饱和的铁心，利用可饱和铁心的磁性调制原理来实现位置检测。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。

图3-101 磁通响应型单磁头工作原理

（2）磁栅工作原理

单磁头结构如图3-101所示，磁头有两组绕组，一组为拾磁绕组，另一组为励磁绕组。

在励磁绕组中加一高频的交变励磁信号，则在铁心上产生周期性正反向饱和磁化，使铁心的可饱和部分在每周期内两次被励磁电流产生的磁场饱和。当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁通从磁头气隙处进入铁心，并被高频励磁电流产生的磁通调制，从而在拾磁绕组中产生调制谐波感应电压输出，计算公式为

式中 k——耦合系数；

Φ_m——磁通量的峰值；

λ——磁尺上磁化信号节距；

x——磁头在磁尺上位移量；

ω——励磁电流的角频率。

由此可以看出，磁头输出信号的幅值是位移x的函数，只要测出u的过0的次数，就可以知道位移x的大小。

双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，如图3-102所示，两磁头按配置，m为任意整数。当励磁电压相同时，其输出电压分别为

通过对u₁、u₂进行检测处理，即可判定位移方向，并测出位移量的大小。

图3-102 双磁头的配置

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方式串联起来形成多间隙磁头，如图3-103所示。这种磁头放置时，铁心平面与磁栅长度方向垂直，每个磁头以相同间距λ/4放置。若将相邻两个磁头的输出绕组反相串接，则能把各磁头输出电压叠加。多磁头的特点是使输出电压幅值增大，同时使各铁心间误差平均化，因此精度较单磁头高。

图3-103 多间隙磁头

（3）磁栅检测电路

磁栅检测是模拟测量，必须和检测电路配合才能检测。检测电路包括励磁电路，读取信号的滤波、放大、整形、倍频、细分、数字化和计数等电路。根据检测方法不同，检测电路分为鉴幅式检测电路和鉴相式检测电路两种形式，并以鉴相式检测电路应用较多。

1）鉴幅式磁栅检测电路工作原理 如前所述，当在两个励磁绕组上加相同励磁电压时，可得到两组幅度调制信号输出，将高频载波滤掉后，则得到相位差为π/2的两组信号，即

检测电路方框图如图3-104所示。磁头H₁、H₂相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的电路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ的限制，若要提高就必须采用较复杂的倍频电路，所以不常采用。

2）鉴相式磁栅检测电路工作原理 鉴相式磁栅检测电路结构如图3-105所示，由振荡器产生的2MHz脉冲信号，经400分频器分频后得到5kHz的励磁信号，再经低通滤波器滤波后变为两路正弦波信号，一路经功率放大器送到第一组磁头励磁线圈，另一路经90°移相后送入第二组磁头励磁线圈。两磁头获得的输出信号u₁、u₂分别为

在求和电路中相加，即得到相位按位移量变化的合成信号

该信号经选频放大、整形微分后，再与基准相位鉴向以及细分，可得到分辨率为预先设定单位的位移测量信号，并送可逆计数器计数。

图3-104 鉴幅式磁栅检测电路框图

采用相位检测的精度可以大大高于录磁节距λ，并可以通过提高内插补脉冲频率来提高系统的分辨率，可达到1μm。

图3-105 鉴相式磁栅检测电路框图