目前用于長度與位移檢測的數(shù)字傳感器有光柵傳感器和磁柵位移傳感器兩大類。而磁柵位移傳感器又包括靜磁柵位移傳感器與編碼器兩種。它具有檢測度高、壽命長、抗*力強及使用方便等優(yōu)點。本文將介紹新型靜磁柵位移傳感器及應(yīng)用。一定義
1.關(guān)于磁柵
磁柵是一種有磁化信息的標尺．它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02mm厚的ni-co-p磁性薄膜，并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長λ錄上磁性刻度線而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱為磁尺。
錄制磁信息時，要使磁尺固定，磁頭根據(jù)來自激光波長的基準信號，以一定速度在其長度方向兩邊運行邊流過一定頻率的相等電流，這樣，就在磁尺上錄上了相等節(jié)距的磁化信息而形成磁柵。磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個個刀、磁鐵按ns、sn、ns……的狀態(tài)排列起來，如圖1（a）所示。因此在磁柵上的磁場強度呈周期性地變化，并在n-n或s-s相接處為zui大。
磁柵的種類可分為單面型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。磁柵主要作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其他類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、動態(tài)范圍大（1～20m）和磁信號可重新錄制等優(yōu)點。
2.靜磁柵位移傳感器
靜磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。磁尺是檢測位移的基準尺，磁頭用來讀取磁尺上的記錄信號。
靜態(tài)磁頭是一種調(diào)制式磁頭，磁頭上有兩個繞組，一個是激勵繞組，加以激勵電源電壓；另一個是輸出繞組。即使在磁頭與磁尺之間處于相對靜止時，也會因為有交變激勵信號使輸出繞組有感應(yīng)電壓信號輸出。當(dāng)靜態(tài)磁頭和磁尺之間有相對運動時，輸出繞組產(chǎn)生一個新的感應(yīng)電壓信號輸出，它作為包絡(luò)，調(diào)制在原感應(yīng)電壓信號頻率上。這提高了測量度，稱靜態(tài)磁頭的位移傳感器為靜磁柵位移傳感器。
檢測電路主要用來供給磁頭激勵電壓和把磁頭檢測到的信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出。當(dāng)磁尺與磁頭之間產(chǎn)生相對位移時，磁頭的鐵心使磁尺的磁通有效地通過輸出繞組，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓隨磁尺磁場強度周期的變化而變化，從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。圖1（c）是磁信號與靜態(tài)磁頭輸出信號波形圖。磁頭輸出信號經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成電脈沖信號并以數(shù)字形式顯示出來。圖1（d）為靜磁柵位移傳感器應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。其磁頭可用霍爾元件取代。
靜磁柵位移傳感器允許zui高工作速度為12m/min，系統(tǒng)度可達0.01mm/m，zui小指示值0.001mm，使用范圍為0～40℃，是一種測量大位移的傳感器。
3.編碼器
光電式編碼器是一種位置編碼器，即幾位編碼器其碼盤上就有幾位碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都可輸出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。它與增量編碼器不同，它們的編碼帶排列可使計讀系統(tǒng)直接給出與每個位置相對應(yīng)的編碼數(shù)，見圖2所示。每個編碼帶對應(yīng)于一個輸出位，zui里面的編碼帶對應(yīng)于zui高有效位。這類編碼器zui常用的傳感器是光電式傳感器，其性能大大于接觸式傳感器。集成光電傳感器陣列簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。
編碼器對中斷和電磁干擾具有固有的抗擾性。它們不會累積差錯。由此形成的反饋系統(tǒng)在啟動、斷電或程序執(zhí)行期間都不需要自動引導(dǎo)步驟。
二新型靜磁柵編碼器和位移傳感器及其特點
1.新型靜磁柵編碼器——位移傳感器
新型靜磁柵編碼器——位移傳感器是靜磁柵位移傳感器與編碼器兩技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。使用無源釹鐵硼磁鐵作為探測頭的靜磁柵編碼器其原理簡單，構(gòu)想奇特，使用不多的開關(guān)型霍爾傳感元件，直接產(chǎn)生高于毫米數(shù)量級的位移量數(shù)字信號。該位移檢測方式*。因直接測量物體位移和角度一直是工業(yè)界的一個追求。這是何因呢？
（1）靜磁柵直線編碼器（又稱直線位移傳感器），目前zui高分辨度可達0.2mm，zui高測長可達2km。使用“空間靜磁柵”原理，還可深度開發(fā)弧形和圓盤形無接觸位移、角度檢測單元，在使用壽命上具有明顯優(yōu)勢。靜磁柵直線編碼器由“靜磁柵源（磁頭）”和“靜磁柵尺（磁柵）”兩部分結(jié)合使用。“靜磁柵源”使用鋁合金壓封無源釹鐵硼磁柵，“靜磁柵尺”用內(nèi)藏計算機的特制高強度鋁合金管材封裝。
“靜磁柵源”沿“靜磁柵尺”軸線作無接觸相對運動時，由“靜磁柵尺”解析出數(shù)字化位移信息。“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”均有很高的防震、防水、抗污染等級。同時，兩者在結(jié)合使用時，又有很高的相對間隙寬容度和相對姿態(tài)寬容度，這在工業(yè)和軍事運用中非常可貴。
什么是“空間靜磁柵”？顧名思義是*磁鐵通過空間被細分的柵片狀的作用區(qū)無接觸地對位移測量裝置產(chǎn)生作用，磁場的作用區(qū)能細分為0.2mm厚薄的有相當(dāng)寬度的柵片狀空間。
（2）直線編碼器充分發(fā)掘了嵌入式微處理器的資源。
靜磁柵編碼器在懸浮且*無磨損的情況下工作，*磁鐵的壽命毋庸置疑（不超過釹鐵硼稀土磁性材料的居里點），可靠性*由有源“靜磁柵尺”和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來決定。“空間柵片”有非常固定的編號，在失電投電不斷轉(zhuǎn)換的過程中，或在*磁鐵離開又回到作用區(qū)時，均能正確地反映探測的位置或角度，真正做到了“編碼”。該直線編碼器充分發(fā)掘了嵌入式微處理器的資源，將數(shù)據(jù)更新速度提高到毫秒數(shù)量級，以便能適應(yīng)1m/s以下運動速度的位移響應(yīng)。
2.直線編碼器優(yōu)異性
（1）優(yōu)異性
能將提供用戶選擇配套的顯示控制器常規(guī)位移控制功能、現(xiàn)場顯示調(diào)校功能和數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換功能等作系統(tǒng)集成。其間，不僅可現(xiàn)場調(diào)定參數(shù)，直接實施位置閉環(huán)控制，而且其通信接口還可提供i2c、rs--485、rs-422、ssi、can、profibus等多種硬件形式以便讓上位機直接采集數(shù)據(jù)。如果掛接現(xiàn)場總線，又可直接與變頻調(diào)速器聯(lián)機使用。在短距離測控方面（例如短于2m），還提供4～20ma或1～5v標準化信號產(chǎn)品。
（2）特點
使用壽命長，無接觸檢測位置及角度，避免了機械損傷，理論上無壽命極限；直接型測量：直接指示位移毫米數(shù)或旋轉(zhuǎn)角度數(shù)，無需換算，不怕掉電，任意定位控制；量程極長，分辨率適中：260mm～2000m長度量程，分辨率0.2mm；全向360°角度量程，分辨率0.1°。極豐富的數(shù)據(jù)接口：有n、b、k三種方式，n方式為內(nèi)置方式，可提供1～5v、4～20ma等標準化模擬信號和i2c、rs-485、rs-422三種數(shù)字信號。b方式為帶變送器方式，可提供標準模擬信號和更豐富的數(shù)字信號，如i2c、rs-485、rs-422、高速并行輸出、profibus-dp、devicenet、ethernet、canopen、interbus、controinet、asi、pf、modbus等。k方式為帶顯示控制器方式，除了具有b方式的全部接口外還具有顯示位置、閉環(huán)控制和通信轉(zhuǎn)換等多種功能，可形成獨立的顯示控制系統(tǒng)。
三直線編碼器應(yīng)用
1.岸橋長行程集群定位系統(tǒng)選用靜磁柵編碼器長直線型解決方案
在軌道一側(cè)等距離（每隔3m）安裝多只靜磁柵源；每臺岸橋配備3.2m靜磁柵尺一根，多根靜磁柵尺共用一套靜磁柵源。靜磁柵尺采集的實時位移信號通過內(nèi)藏式信號轉(zhuǎn)換器傳輸給岸橋主plc系統(tǒng)。采用該集群控制方式的優(yōu)點是：車輪打滑*不影響檢測度；自動防止岸橋碰撞；裝卸箱作業(yè)自動定位。
岸橋集群定位系統(tǒng)現(xiàn)場工作方式：由于岸橋軌道與地面平齊，對定位檢測度要求不高（定位度5mm可滿足要求），可將靜磁柵源等距離埋在岸橋軌道旁與地面平齊；靜磁柵尺（3.2m）安裝在車架上，靜磁柵尺與地面平行，高度保持在40mm以內(nèi)。圖3為現(xiàn)場工作方式示意圖。
2.梗絲加料液位檢測系統(tǒng)應(yīng)用
a. 傳統(tǒng)現(xiàn)場液位測量與控制中的問題
傳統(tǒng)梗絲加料液位檢測（即現(xiàn)場液位測量與控制）是采用電容式以及超聲波液位計或wna靜磁柵液位計。但其缺陷是：一直存在檢測不準的問題，所以一直都沒有讓其參與控制；另外，車間加（送）科、加（送）香的管路與地溝都直接相聯(lián)，閥門誤動作會出現(xiàn)漏料，以前就出現(xiàn)過由于閥門不到位，而導(dǎo)致料液進入地溝或泄露的情況。因由于以前車間的液位計沒有參與控制，出現(xiàn)此類情況時就未能及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生。為此應(yīng)對靜磁柵液位計進行改進后在梗加料和片葉加料處試用。
b. 靜磁柵尺的改進
wna靜磁柵尺的改進后液位測量與控制示意圖如圖4所示。
wna靜磁柵以前用于對運動物體位置的檢測，wna靜磁柵源只需固定于被測物體上即可，通過被測物體的移動來檢測移動位置。要用其對液位進行檢測，于是在料液罐外安裝一個玻璃管并與料液罐連通，這就是旁通玻璃管，將wna靜磁柵源改制成浮子式的靜磁柵源（簡稱浮子）放進旁通玻璃管中。將浮子設(shè)計成兩頭粗中間細的形狀，粗端為不規(guī)則形，只有3個點與玻璃管接觸，這樣減小浮子在旁通玻璃管中的阻力，當(dāng)液位發(fā)生變化時“靜磁柵源”即“浮子”能在旁通管內(nèi)隨液位的變化而自由移動，減小了測量誤差。
c. 新型靜磁柵液位計的應(yīng)用
靜磁柵液位計的輸出信號可直接送到現(xiàn)場的plc中，在送料和加料的過程中都得以應(yīng)用。料罐形狀為u形，zui底部有8kg的液體為不可測的，上面為均勻的圓柱體，在此范圍靜磁柵尺上標度每變化1mm，料罐液位就變化1.1kg。
（1）在送料過程
送料全過程的數(shù)據(jù)變化將保存在集控數(shù)據(jù)庫中，隨時可調(diào)出進行數(shù)據(jù)分析。圖5為送料控制信息框圖。
（2）加料過程
送料全過程的數(shù)據(jù)變化也將保存在集控數(shù)據(jù)庫中，隨時可以進行每批加料情況的數(shù)據(jù)分析，來判斷加科系統(tǒng)是否完好。圖6為在加料控制信息方框圖。
使用靜磁柵液位計后，可對科罐內(nèi)的料液及加料設(shè)備進行時時監(jiān)視、控制。如有故障及時報警及停機，減少質(zhì)量事故的發(fā)生和提高加料質(zhì)量。
四結(jié)束語
雖然新型的靜磁柵編碼器在探測度上還略有差距。但它更多的優(yōu)點使它在相當(dāng)多的工業(yè)現(xiàn)場有可觀的運用價值。對于那些測控平移機構(gòu)，度要求在毫米數(shù)量級，或測量角度，度要求0.1°以上的工業(yè)運用現(xiàn)場，新型編碼器是一個相當(dāng)不錯的選擇。