磁尺是一種精度較高的位置檢測裝置，它由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測電路組成，該裝置方框圖如圖4-20所示。利用錄磁原理將一定周期變化的方波、正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標(biāo)尺（或磁盤）的磁膜上，作為測量的基準(zhǔn)。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過檢測電路處理后用以計量磁頭相對磁尺之間的位移量。磁尺按其結(jié)構(gòu)可分為直線磁尺和圓型磁尺，分別用于直線位移和角度位移的測量。磁性標(biāo)尺制作簡單、安裝調(diào)整方便，對使用環(huán)境的條件要求較低：如對周圍電磁場的抗干擾能力較強(qiáng)，在油污、粉塵較多的場合下使用有較好的穩(wěn)定性。高精度的磁尺位置檢測裝置可用于各種測量機(jī)、精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床。現(xiàn)將其組成及工作原理分述如下。
圖1 磁尺位置檢測裝置
1.磁尺檢測裝置的結(jié)構(gòu)
磁性標(biāo)尺（簡稱磁尺）是在非導(dǎo)磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上，用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍等方法加上一層10～20μm厚的硬磁性材料（如ni-co-p或fe-co合金），并在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號。磁信號的節(jié)距一般為0.05mm，0.1mm，0.2mm，1mm。為了防止磁頭對磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層厚1～2μm的耐磨塑料保護(hù)層。磁尺按其基體形狀不同可分為：
平面實(shí)體型磁尺，一般長度為600mm，超過此長度時，可用幾根對接起來使用。
帶狀磁尺，磁尺的基體為厚0.2mm，寬70mm的磷青銅帶，磁帶張緊固定在有屏蔽的殼體內(nèi)，然后安裝在機(jī)床上。
線狀磁尺，其基體是2mm的青銅絲，線狀磁尺套裝在磁頭內(nèi)與磁頭同軸，因青銅絲的線膨脹系數(shù)大，所以長度不宜太長，一般小于1.5m。
圓型磁尺，做成磁盤或磁鼓形狀，用于檢測角位移。
磁頭
圖2 磁頭結(jié)構(gòu)示意圖
磁頭是進(jìn)行磁-電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號輸送到檢測電路中去。普通錄音機(jī)上的磁頭輸出電壓幅值與磁通變化率成比例，屬于速度響應(yīng)型磁頭。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動和靜止時也能進(jìn)行位置檢測，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭。這種磁頭用軟磁材料（如鈹莫合金）制成二次諧波調(diào)制器。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由鐵芯、兩個產(chǎn)生磁通方向相反的激磁繞組和兩個串聯(lián)的拾磁繞組組成。將高頻激磁電流通入激磁繞組時，在磁頭上產(chǎn)生磁通φ，當(dāng)磁頭靠近磁尺時，磁尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通進(jìn)入磁頭鐵芯，被高頻激磁電流產(chǎn)生的磁通φ1所調(diào)制。于是在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為u。
式中，
u0——感應(yīng)電壓系數(shù)；
λ——磁尺磁化信號的節(jié)距；
x——磁頭相對于磁尺的位移；
ω——激磁電流的角頻率。
為了辨別磁頭在磁尺上的移動方向，通常采用了間距為 的兩組磁頭（其中m為任意正整數(shù)）。如圖所示，i1 ，i2 為激磁電流，其輸出電壓分別為
；
u1和u2是相位相差90°的兩列脈沖。至于哪個導(dǎo)前，則取決于磁尺的移動方向。根據(jù)兩個磁頭輸出信號的超前或滯后，可確定其移動方向。
使用單個磁頭的輸出信號很小，為了提高輸出信號的幅值，同時降低對錄制的磁化信號正弦波形和節(jié)距誤差的要求，在實(shí)際使用時，常將幾個到幾十個磁頭以一定的方式聯(lián)接起來，組成多間隙磁頭，如圖3所示。多間隙磁頭中的每一個磁頭都以相同的間距λm/2配置，相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接。因此，輸出信號為各磁頭輸出信號的疊加。多間隙磁頭具有高精度、高分辨率、輸出電壓大等優(yōu)點(diǎn)。輸出電壓與磁頭數(shù)n成正比，例如當(dāng)n=30，ω/2=5khz時，輸出的峰值達(dá)數(shù)百毫伏，當(dāng)ω/2=25khz時，峰值高達(dá)1v左右。
圖3 多間隙磁頭
2.工作原理與檢測電路
磁尺檢測是模擬測量，檢出信號是一模擬量，必須經(jīng)檢測電路處理變換，才能獲得表示位移量的脈沖信號。檢測線路包括激磁電路、信號濾波、放大、整形、倍頻、數(shù)字化等電路環(huán)節(jié)。根據(jù)激磁方式的不同，磁尺檢測也可分為鑒幅檢測和鑒相檢測兩種，鑒相檢測方式應(yīng)用較多。
鑒相檢測的分辨率可以大大高于錄磁節(jié)距λ，可通過提高內(nèi)插脈沖頻率以提高系統(tǒng)的分辨率。鑒相檢測的原理如圖4所示，兩個磁頭ⅰ、ⅱ的激電流，由分頻、濾波和功放后獲得，磁頭移動距離x后的輸出電壓為
；
在求和電路中相加，則得磁頭總輸出電壓為
由上式可知，合成輸出電壓u 的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置x變化而變。其輸出信號與旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器的讀取繞組中取出的信號相似，所以其檢測電路也相同?？傒敵鲭妷簎經(jīng)帶通濾波器、限幅、放大整形得到與位置量有關(guān)的信號，送入檢相內(nèi)插電路中進(jìn)行內(nèi)插細(xì)分后，得到預(yù)定分辨率的計數(shù)脈沖信號。計數(shù)信號送入數(shù)控系統(tǒng)，即可進(jìn)行數(shù)字控制和數(shù)字顯示。
圖4 磁尺鑒相原理圖