（已结贴）2011-05-30-工控擂台-磁性编码器的原理是什么？ 点击：4079 | 回复：15
磁性编码器的原理是什么？
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将一长条状的橡胶磁铁充磁成交互排列的NS磁场，配合一种随磁场强度产生电阻变化的磁阻组件所组成的磁阻感知器(Magnetic Resistor)在NS极上水平移动，并感测出Sin，Cos 两个电压波形，再利用细分割的方法解析出磁阻感知器在交互排列的NS磁场上的位移量，如图1所示，需先假设各NS磁场的强度相似且间距都一样，磁阻感知器在磁极上方水平移动。磁阻感知器的构造如图2，由8个磁阻分为两组相距1/4 NS间距。在Mr1， Mr2与Mr3，Mr4的接点处可检出Sin电压波形，同样原理在Mr1‘，Mr2‘与Mr3‘，Mr4‘的接点处可检出Cos电压波形如图3。
磁性编码器主要有磁传感探头、磁鼓和信号处理三部分组成，磁鼓是由在铝鼓的外缘覆盖一层磁性材料做成，在这层磁性介质上记录着一定间距的许多磁性信号，磁性探头则有蚀刻在一个绝缘衬底上具有一定图形结构的多个磁阻元件组成，这种磁阻元件是用薄膜合金通过半导体工艺制造出来的，它们之间相互组成能获得高输出的桥式电路，磁鼓旋转时能在周围空间产生周期性变化的磁场，在一定间距上，这个磁场的Y方向分量在每个磁极的正上方位置，它的值为零；在相邻磁极的正中位置，它的值为最大，磁鼓旋转时磁阻元件由于具有磁阻效应，它的阻值会随着磁场的改变而改变，桥式电路的输出也就随着发生变化，因此，桥式电路的输出信号和磁鼓的旋转有紧密的联系，磁鼓每旋转一个磁化长度，磁场变化半个周期，信号输出变化一个周期，磁鼓上磁极对的数量和输出信号的周期数在旋转一周时时相等的。
对于增量式磁编码器的输出轴转角被分为一系列的位置增量，敏感磁阻元件对这些增量响应，每当出现一个单位增量，磁阻元件就向计数器发送一个脉冲，计数器把这些计数脉冲累加起来，并以各种进制的代码形式在输出端给出所需要的输入角度瞬间时制的信号
磁性编码器是编码器的一种，就是通过磁性的转换或者链接利用磁电方法把轴的转速、码带的直线位移转换成数字或模拟信号的一种传感器。其实在日常使用中设计到电磁转换把机械物理量转换成电信号的处理形式都可以看作是编码器，只是这种编码器输出的信号是作为下级处理电路的输入还是直接作为信号输出的区别。
在仪表应用方面有的把编码器作为仪表的中间转换部分，有的作为终端处理信号输出。比如传统的容积式流量计，可以通过磁的转换做到密封隔离的作用，如此联轴就是应用最为广泛的一种密封面的转换形式，通过此联轴的啮合，把充满介质的转子的转速转换成密封面外面的机械转速然后通过机械面盘上的小孔来做到光电转换成频率信号，最后通过后续电路处理变成模拟信号或者频率信号、数字信号输出，还有一种专门的编码器主要是把老实的容积式流量计就地指示功能转换成电信号远传，这个实现的功能比较简单，每个容积式流量计都余留了编码器的接口，通过齿轮的转速带动转换器的轴的转动然后通过选转盘上的光栅盘旋转使发光元器件发出的光经光栅、狭缝后光电形成具有一定信号，经过后续电路板转换成模拟信号或者频率信号输出。
此外还有各种形式的编码器，比如码带转换器其就是通过读取浮盘钢带上的编码带，上面的循环码的编码图形是由 透光与非透光孔组成的若干条数码道构成，读码器通过透射式光信号检测头中光的发送和接收形成数字信号，然后通过后续处理变成数字信号或模拟信号输出，其也是应用了电磁性质。阀门转角的检测、电机的转速编码器都有应用。
磁性编码器原理是通过磁力形成脉冲列，产生信号，其特征为将未硫化的橡胶中混合稀土类磁性粉末形成磁性橡胶坯子，硫化粘附在加强环（1）上，形成磁性橡胶环（2），在该磁性橡胶环上以圆周状交替着磁，产生S极和N极。同时采用新型的SMR（磁敏电阻）或霍尔效应传感器作为敏感元件，信号稳定、可靠。此外，采用双层布线工艺，还能使磁性编码器不仅具有一般编码器仅有的增量信号及增量信号和指数信号输出，还具有绝对信号输出功能。所以，尽管目前约占90%的编码器均为光学编码器，但毫无疑问，在未来的运动控制系统中，磁性编码器的用量将逐渐增多。
磁性编码器主要有磁传感探头、磁鼓和信号处理三部分组成，磁鼓是由在铝鼓的外缘覆盖一层磁性材料做成，在这层磁性介质上记录着一定间距的许多磁性信号，磁性探头则有蚀刻在一个绝缘衬底上具有一定图形结构的多个磁阻元件组成，这种磁阻元件是用薄膜合金通过半导体工艺制造出来的，它们之间相互组成能获得高输出的桥式电路，磁鼓旋转时能在周围空间产生周期性变化的磁场，在一定间距上，这个磁场的Y方向分量在每个磁极的正上方位置，它的值为零；在相邻磁极的正中位置，它的值为最大，磁鼓旋转时磁阻元件由于具有磁阻效应，它的阻值会随着磁场的改变而改变，桥式电路的输出也就随着发生变化，因此，桥式电路的输出信号和磁鼓的旋转有紧密的联系，磁鼓每旋转一个磁化长度，磁场变化半个周期，信号输出变化一个周期，磁鼓上磁极对的数量和输出信号的周期数在旋转一周时时相等的。
对于增量式磁编码器的输出轴转角被分为一系列的位置增量，敏感磁阻元件对这些增量响应，每当出现一个单位增量，磁阻元件就向计数器发送一个脉冲，计数器把这些计数脉冲累加起来，并以各种进制的代码形式在输出端给出所需要的输入角度瞬间时制的信号
位置检测装置作为传动控制的重要组成部分，其主要作用就是检测位移量，并发出反馈信号与控制装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高机械装置的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。编码器以检测原理来分，有光学式、磁式、感应式和电容式。
磁性编码器是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，它是随着光学编码器的发展而发展起来的。光学编码器的主要优点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，而磁性编码器不易受尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快（达500～700kHz），体积比光学式编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。
磁性编码器原理是通过磁力形成脉冲列，产生信号，其特征为将未硫化的橡胶中混合稀土类磁性粉末形成磁性橡胶坯子，硫化粘附在加强环（1）上，形成磁性橡胶环（2），在该磁性橡胶环上以圆周状交替着磁，产生S极和N极。同时采用新型的SMR（磁敏电阻）或霍尔效应传感器作为敏感元件，信号稳定、可靠。此外，采用双层布线工艺，还能使磁性编码器不仅具有一般编码器仅有的增量信号及增量信号和指数信号输出，还具有绝对信号输出功能。
磁性编码器主要有磁传感探头、磁鼓和信号处理三部分组成，磁鼓是由在铝鼓的外缘覆盖一层磁性材料做成，在这层磁性介质上记录着一定间距的许多磁性信号，磁性探头则有蚀刻在一个绝缘衬底上具有一定图形结构的多个磁阻元件组成 的。
通过磁感应原理及磁性的大小来完成编码工作。它是一种位置检测元件。
磁性编码器又称磁性尺，是利用磁性原理检测线性位移量，并输出相对应的脉波数的方法，简单介绍如下：
将一长条状的橡胶磁铁充磁成交互排列的NS磁场，配合一种随磁场强度产生电阻变化的磁阻组件所组成的磁阻感知器(Magnetic Resistor)在NS极上水平移动，并感测出Sin，Cos 两个电压波形，再利用细分割的方法解析出磁阻感知器在交互排列的NS磁场上的位移量，如图1所示，需先假设各NS磁场的强度相似且间距都一样，磁阻感知器在磁极上方水平移动。磁阻感知器的构造如图2，由8个磁阻分为两组相距1/4 NS间距。在Mr1， Mr2与Mr3，Mr4的接点处可检出Sin电压波形，同样原理在Mr1‘，Mr2‘与Mr3‘，Mr4‘的接点处可检出Cos电压波形如图3。
一个周期的A， B相信号如图4所示：
横轴表示一个SN磁极的距离，假设是5000μm，纵轴表示A，B相信号的振幅，假设以10bit A/D取样，其值介于0~1024间，假设AB相信号相差90°且振幅大小一样，以数字信号处理器DSP来实现AB相信号的细分割的方法如图5。
首先AB相信号需先做DC电压准位调整，使AB相信号直流准位位于DSP A/D取样电压范围的中点，且振幅不超过取样电压范围，AB相信号再经过模拟滤波器及数字滤波器，将高频及谐波滤除后，即可求出瞬间位置Sn=tan-1(A/B)×5000/2π 及单位时间位移量ΔSn=Sn - Sn-1 。 通过DSP高速运算能力实时地将位移量计算出相对应的脉波数(Pulse)输出至外围接口电路。
实际测试结果
以SN磁极间距5mm，及两组相距1/4 NS磁极间的磁阻所组成的磁阻感知器进行实验，磁阻感知器的位移以每个脉波输出代表：为0.02mm的方式经由DSP运算后输出至I/O PORT，并以示波器进行观测。如图6、图7所示：
磁性编码器的特点
利用磁性原理检测线性位移的编码器，特别适用于长距离的量测及恶劣环境。例如：油污、切削屑、震动、粉尘等的工作环境，尤其在长距离的量测更突显其价格经济，安装容易的优点。
磁性编码器系统
磁性尺依应用性质不同可以定义出两个不同的系统
1. 磁性尺量测系统
该系统用于线性位移量测并以显示器显示量测值，如图8所示。
2. 线性编码器
该系统用于线性位移量测并将位移量转换为对应的脉波数输出至PLC或控制器
磁性编码器的应用
磁性编码器在工业上应用领域十分广泛。例如，金属、石材、木材、塑料等原材料的切割、冲压和锯床等加工设备，龙门形式的加工设备，以及自动化仓储系统设备。
磁性尺的创新价值——智能型直线导轨
1. 原理
所谓智能型直线导轨，系由HIWIN(上银科技公司)所开发的新产品，其原理是一整合直线导轨与位置测量仪的直线导轨模块，可提供直线导引及位置回馈的功能。
2. 特点
● 整合直线导轨及编码器于一体，大幅增加空间效益。
● 兼具直线导轨高刚性及磁性编码器高精度的优点。
● 内藏式尺身及感应读头，不易受外力破坏。
● 信号感应属非接触性，产品寿命长。
● 可做长距离的量测(磁性尺身部分可达32m)。
● 量测特性不因含油、水、粉尘及切削屑的恶劣工作环境而改变；另对震动、噪声及高温的环境也可胜任。
● 分辨率佳。
● 安装容易。
磁性编码器大体可以分为2 种类型: 磁敏电阻式和励磁磁环式。
磁敏电阻式又可分为强磁金属磁敏电阻式和半导体磁敏电阻式。
磁性编码器的工作机理是磁阻效应。所谓磁阻效应是指铁磁材料的电阻随着磁化状态变化而改变的现象。
图1 所示为旋转式强磁金属磁敏电阻式磁性码器的基本结构。磁鼓1 的外表包有一层作为磁记录媒体的永磁材料, 在其上严格等距地录以极性相间的磁化信号。磁敏电阻元件4 用来传感、记录不同位置时磁记录媒体的磁场变化情况。磁敏传感部件3 是由至少3 组磁敏元件( 增量式) 组成: 第1 组和第2 组为相位相差90电角度的信号输出通道, 第3 组为基准信号输出通道。磁鼓与磁敏电阻元件之间的气隙一般为数十至数百um。
图2 所示为励磁磁环式磁性编码器的结构简图。磁码盘2 上面按一定规律分成磁化区和非磁化的区域, 二者的占空比为1: 1, 如同光电编码器中透光和不透光的一样。读出组件1 上绕有一次、二次绕组的小磁环。一次通以作为励磁用的高频交流电, 二次输出随磁码盘上相应磁信号变化的电信号。当一次绕组通以高频的励磁电压, 频率一般为20~ 200 kHz, 它在磁环中产生一个交变的磁场。这个交变的磁场在二次绕组中感生一个交变的电动势。在磁码盘转动时, 磁码盘磁性码道上有磁部分和无磁部分交替地相当于磁环。这样在二次绕组中就会感生出一个和励磁频率一致的调幅信号, 这个信号经过解调, 变成单一电平, 再经过施密特触发电路变成方波信号。
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