3.5.3 磁栅
1.结构
磁栅、磁编码器是利用电磁感应原理来测量位置的检测元件，它们与光栅、光电编码器的区别只是测量原理的不同，其功能与用途一致。根据通常的习惯，用于直线测量的磁栅直接称为磁栅，而测量角位置的磁栅则称为磁编码器。磁栅、磁编码器的测量精度可达0.2μm左右，与光栅和光电编码器相比，磁栅的最大优点是其检测信号较强，故可用于高速检测。磁编码器目前已大量用于数控机床的高速主轴等部件，其应用已越来越广泛，这是一种很有发展潜力的位置检测器件。
磁栅的结构原理如图3.5-7所示，它由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。
图3.5-7 磁栅的结构原理图
1—磁头 2—磁性标尺 3—磁场强度分布
（1）磁性标尺
磁性标尺是在玻璃、不锈钢、铜、铝、合成材料等非导磁材料（图中加斜线部分）的基体上，采用涂敷、化学沉积或电镀等方法，覆盖上一层10～20μm厚的磁性材料，形成一层均匀的磁性膜，然后用录磁方法使磁性膜录上等距周期性磁化信号。磁性标尺的基体可为长条型、带状或线状。磁化信号的节距λ一般为0.05、0.10、0.20、1mm等。
（2）磁头
磁栅所使用的磁通响应型磁头是一种利用饱和铁心的二次谐波调制器件，它用软磁材料（如坡莫合金等）制成。磁头是利用电磁感应原理进行磁电转换的器件，它可以检测磁化信号的磁场强度并将其转换成电信号。为了在低速甚至静止时也能进行位置检测，磁栅必须使用磁通响应型磁头（又称磁调制式磁头），普通的录音机上的过渡响应型磁头不能用作数控机床的位置检测。
（3）检测电路
检测电路是进行信号放大、整形、细分与输出转换的电路，转换后的测量信号同样可以以线驱动差分、TTL电平、集电极开路、正余弦信号、串行数据等形式输出。
2.工作原理
磁栅的电磁感应原理检测原理如图3.5-8所示。磁栅的磁头上分别有两个“激磁绕组”与两个“拾磁绕组”，激磁绕组用来产生激磁磁通，两个绕组所产生的磁通方向相反；拾磁绕组用来获得电磁感应信号。
图3.5-8 双磁头磁栅的原理图
根据电磁原理，当激磁绕组中一旦通入高频激磁电流后，它所产生的激磁磁通将与磁性标尺上的固定磁通进行叠加，形成产生强度随标尺位置变化的合成磁通。由于磁路的非饱和性，在合成磁通的作用下，磁头的拾磁绕组中将得到频率为激磁电流两倍、强度随标尺位置变化的二次调谐波感应电势信号，这一信号放大后便可以作为位置检测信号。
数控机床所使用的磁栅通常采用“鉴幅”测量方式，为了能够辨别磁头的移动方向，需要同时安装2个图3.5-8所示、间距为（n±1/4）λ的磁头（n为整数）；单个磁头的输出信号一般较弱，也为此，也可使用多个磁头串联的多间隙磁头，通过信号的叠加来增强输出信号。
对于磁化信号节距为λ的标尺，如果磁头离开N极点的距离为X，则该点的磁通强度近似于Bsin（2πX/λ），如对图3.5-8中磁头A和B的激磁绕组分别加入频率、相位、幅值相同的激磁电流iA=iB=sin（ωt/2），则在相对间距为λ/4的磁头A、B的拾磁绕组上便可得到如下二次调谐波感应电势：
这一输出信号经过放大并通过检波电路滤去高频载波信号sinωt，便可以得到相位差为π/2的交变电压信号：
由此可见，磁栅的输出信号与光栅完全一致，因此，可通过光栅同样的放大、细分处理后转换为位置脉冲测量输出。
3.常用产品
磁栅的测量范围大，允许的移动速度高，但测量精度相对较低，故多用于位置显示。国内市场的磁栅以德国SIKO、日本SONY公司产品为常用。表3.5-3、表3.5-4分别为SIKO公司磁栅检测头和磁带（磁性标尺）的主要技术参数表。
表3.5-3 SIKO磁栅检测头主要技术参数表
表3.5-4 SIKO磁栅磁性标尺主要技术参数表
