磁旋转编码器的发展及其应用
磁旋转编码器的工作原理
磁旋转编码器的工作原理主要是通过编码器内部的一个磁铁和一个磁传感器来实现。
磁铁和旋转轴相连，当旋转轴旋转时，磁铁的磁场会随着旋转轴的旋转而改变。
磁传感器则可以检测到这种磁场的变化，并将此信息转换为电信号。
具体来说，磁旋转编码器通常由一个带有磁极的转盘和一个与之相对的传感器组成。
转盘上的磁极按照一定规律排列，当转盘旋转时，磁极的排列会周期性地改变，从而引起磁场的变化。
传感器则会在转盘的上方或下方检测到这种磁场的变化，并将检测到的信号转换为电信号输出。
此外，磁旋转编码器的分辨率取决于磁盘周围的磁极数和传感器的数量。
一般来说，磁极数越多，传感器的数量也越多，则编码器的分辨率就越高。
同时，磁旋转编码器还可以采用正交输出、倍频、分频等技术来进一步提高分辨率。
总之，磁旋转编码器的工作原理主要是通过检测磁场的变化来实现对旋转轴的精确测量。
由于其具有高精度、高分辨率、长寿命等优点，因此在工业自动化、机器人、航空航天等领域得到了广泛的应用。
旋转编码器光电式,磁电式和触点电刷式的工作原理
旋转编码器光电式,磁电式和触点电刷式的工作原理
旋转编码器是一种用于测量旋转运动的传感器设备。
它可以将旋转运动转化为数字或模拟电信号。
光电式旋转编码器的工作原理是利用光电传感器来感知光源的遮挡与否。
编码盘上通常会有一系列的透明和不透明的刻度线，当编码盘旋转时，这些刻度线会遮挡或透过光电传感器，在光电传感器的工作电路中产生脉冲信号。
通过计算脉冲信号的数量和方向，可以确定旋转运动的角度和方向。
磁电式旋转编码器的工作原理是利用磁场感应原理来检测旋转运动。
编码盘上通常会有一系列的磁体和磁敏传感器。
当编码盘旋转时，磁体会改变磁场的分布，磁敏传感器会感受到磁场的变化，并将其转化为电信号输出。
通过测量电信号的强度和变化，可以确定旋转运动的角度和方向。
触点电刷式旋转编码器的工作原理是利用接触器和导电材料的接触和断开来检测旋转运动。
编码盘上通常会有一系列的小金属触点和导电材料，当编码盘旋转时，触点会与导电材料接触或断开。
通过测量接触和断开的次数和顺序，可以确定旋转运动的角度和方向。
磁感应编码器的原理和应用实验
磁感应编码器的原理和应用实验磁感应编码器（Magnetic Induction Encoder）是一种通过检测磁场变化来测量转动或线性位置的装置。
它由磁头和磁性刻线盘组成。
根据磁头在刻线盘上的运动，可以通过识别相位变化来确定位置。
磁感应编码器具有高分辨率、高精度、抗干扰能力强等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
磁感应编码器的原理是基于磁感应定律。
当磁头与刻线盘上的磁场相互作用时，会产生感应电压。
刻线盘上的磁场是通过刻线来实现的，刻线盘上的每个刻线都代表着一个二进制编码，通过感应电压的变化就可以识别相应的编码，并由此计算出位置。
当刻线盘转动时，磁头感受到的磁场变化，进而产生感应电压的变化，从而实现位置的测量。
1.位置测量实验：通过将磁感应编码器与一定的线性或转动装置连接并固定，测量装置的相对位置。
可以通过手动移动装置，并观察磁感应编码器输出的位置信号变化。
可以对比实际位置和编码器测量位置的差异，验证磁感应编码器的准确性和精度。
2.分辨率测试实验：通过旋转刻线盘，测量磁感应编码器的分辨率。
可以根据磁感应编码器输出信号的周期性变化来计算分辨率。
通过改变旋转速度，观察磁感应编码器输出的信号，探究分辨率与旋转速度的关系。
3.抗干扰能力实验：在磁感应编码器的使用过程中，经常会受到外部磁场的干扰。
可以通过在实验室中设置人工磁场，并控制其变化，观察磁感应编码器输出信号的变化情况。
通过不同磁场强度和频率的设置，研究磁感应编码器的抗干扰能力。
4.精度测试实验：通过比较磁感应编码器测量的位置和其他高精度测量装置测量的位置，来评估磁感应编码器的精度。
可以选择一些特定位置进行测试，如角度的确定或线性距离的测量，来评估磁感应编码器的测量偏差和误差。
总之，磁感应编码器是一种重要的位置测量设备，具有高分辨率、高精度和抗干扰能力强等优势。
通过实验可以验证这些优势，同时评估磁感应编码器的准确性和性能。
对于使用磁感应编码器进行位置测量的系统，实验的结果可以为系统的设计和优化提供参考。
磁编码器在机械设备中的应用
磁编码器在机械设备中的应用
磁编码器在机械设备中广泛应用于测量旋转轴的角度和位置，并将这些信息反馈给控制系统。
以下是磁编码器在机械设备中的几个常见应用：
1. 数控机床：磁编码器可用于测量刀具和工件台的位置和运动，以实时调整刀具位置和切削参数。
2. 机器人：磁编码器可用于测量机器人关节的角度和位置，从而控制机器人的姿态和运动。
3. 汽车制造：磁编码器可用于测量发动机正时系统和传动系统的位置和速度，以确保发动机和传动系统的正常运行。
4. 包装机械：磁编码器可用于测量包装机械的运动和位置，以确保产品的准确定位和包装质量。
5. 电梯和升降机：磁编码器可用于测量电梯和升降机的位置和运动，以实时调整运行速度和安全停靠。
6. 纺织机械：磁编码器可用于测量纺织机械的丝杆和织布机的位置和运动，以实现精确的纺织操作。
总之，磁编码器在机械设备中的应用十分广泛，通过精确测量和反馈旋转轴的角度和位置，提高了机械设备的控制精度、稳定性和运行效率。
磁旋转编码器在工业控制中的应用与发展
磁旋转编码器在工业控制中的应用与发展
磁旋转编码器是一种常用于测量旋转角度和速度的设备，它将角度信息转换为电信号输出。
在工业控制领域，磁旋转编码器具有广泛的应用和发展空间。
1. 位置反馈：磁旋转编码器可以用于机械设备的位置反馈控制，比如机械臂、机床、自动化生产线等。
通过精确测量旋转角度，可以实现精确的定位和运动控制。
2. 速度反馈：磁旋转编码器可以用于测量旋转物体的速度，通过将角度变化与时间变化关联起来，计算出旋转物体的角速度。
这对于需要精确控制旋转速度的设备非常重要，如风力发电机组、电机控制等。
3. 回转控制：磁旋转编码器还可以用于回转控制系统，比如天线控制系统、物体识别和跟踪系统等。
通过准确测量旋转角度，可以实现对天线方向和目标物体位置的精确控制。
4. 位置监测：在一些特殊应用中，磁旋转编码器还可以用于位置监测。
例如，在航空航天领域，它可以用于监测飞机座舱门的开闭状态，以及一些关键设备的位置变化。
随着科技进步和工业控制需求的不断增长，磁旋转编码器在精度、可靠性以及应用领域上还有进一步的发展空间。
例如，随着微电子技术的发展，磁旋转编码器可以实现更高的分辨率和更快的响应速度。
此外，磁旋转编码器也可以与其他传感器和
控制器进行集成，实现更高级的控制功能，如自动校准、数据记录和远程监测等。
旋转编码器的原理及应用
旋转编码器的原理及应用
一、旋转编码器原理
旋转编码器是一种常用的编码器，它可以从一组电气脉冲输出一组特
定顺序的脉冲序列。
它的工作原理是，利用探测器（如光电传感器、磁光
传感器等）来探测物体的位置，通过电气脉冲来模拟出物体所处的位置，
然后通过驱动机构（如电机，步进电机或伺服电机）将物体的运动转化为
数字信号。
旋转编码器的原理是在回转元件或介质上安装一个记号，在该记号上
安装几个探测器，当记号转动时，探测器会输出一组电气脉冲，通过控制
器计算不同探测器输出的脉冲顺序，从而计算出回转元件或介质的位移量。
旋转编码器可以记录物体的运动方向和实际位移量，只要改变探测器输出
的脉冲频率，可以检测物体的位移速度。
二、旋转编码器应用
1、旋转编码测量：
2、旋转编码控制：。
雷尼绍磁编码器
磁旋转编码器技术资料一系列小型非接触磁编码器，分辨率从8位（每转256个脉冲）到13位（每转8192个脉冲）。
新颖的非接触设计无需密封及轴承，提供了长期工作的可靠性。
工作速度可达30000 rpm，测量精度达0.2°。
如果环境条件恶劣，可提供防护等级高达IP68的紧凑型磁编码器。
新型的磁旋转编码器便于集成整合，它包括封装型、模块型等。
输出信号包括工业标准的绝对式、增量式、模拟量输出、线性电压输出和线性电流输出等。
这些新型光栅灵活、坚固的设计使许多应用领域从中受益。
其中包括航海、自动化、航空、电机控制和工业自动化等。
赛车运动Salakazi赛车队在其改装的KTM高速赛车上安装了一个自动离合器。
离合器上安装的RM22编码器有能力在转速高达30000 rpm的情况下监控位置。
一个装置检测发动机机轴的位置，另外一个则用来测量离合器的速度。
通过比较这些值，可以很精确地测定离合器的滑动和阻力及道路状况，这样技术人员在每次开赛前就能适当地调整离合器的第一阶段平衡力。
赛车可以在最初的零点几秒内以最少的车轮转动达到最大的速度和加速度。
KTM高速赛车安全摄像机CCTV摄像机要求在绝对定位方面具有优异的可靠性和重复精度，但成本要低。
光栅IC集成在摄像机的机构内，并且没有零件磨损，摄像机的平移和倾斜位置很容易控制，保证了长期可靠性！CCTV摄像机–为什么使用磁编码器？• 非接触/无摩擦的设计保证长期工作的可靠性• 工业标准的增量式、模拟量输出、线性电压输出等多种输出方式供选择• 十三位绝对输出有二进制、十进制供选择（每转8192个脉冲）• 对于质量极小的运动部件，取决于分辨率，工作速度最高可达60000 rpm• 优异的抗污染能力，防护等级达IP68，可用于恶劣的工作环境。
• 低成本、设计坚固，安装方便• 紧凑型设计，直径仅22 mm• 抗震动、低转动惯量• 工作温度范围宽，-40°C到+125°C磁旋转编码器技术资料斯洛文尼亚制造，每个磁编码器包含一个集成电路，可识别位于其上方的永久磁铁的角度位置。
基于AS5045的磁旋转编码器的研究和应用
工 程 技 术
Ｃ ｍ ｕ ｅ Ｄ Ｓ ｆ ｗ ｒ ｎ ｐ ｌｃ ｔｏ ｓ ｏ ｐ ｔ ｒ Ｃ ｏ ｔ ａ ｅ ａ ｄＡ ｐ ａ ｉ ｎ ｉ
２ １ 第 ７期 ０ ２年
基于 Ａ ５４ 的磁旋转编码器的研究和应用 Ｓ ０５
昊红梅 ，蒋水秀 （ ． 州职业技 术 学院信 电系，杭 州 ３ ０ １ ；２杭 州科技职 业技 术学院机 电学 院，杭 州 １ 杭 １０ ８ ． ３ １０ ） １４ ２ 摘要 ：本 文介 绍 了智能轴 角传感器 的原理和 实现 方法 ，给 出了磁旋转编码 器的应 用原理和 设计方法 ，同时详细 介绍 ＹＡ ５ ４ 的 关键应 用技术 ，提 出了一种 新的轴角采集与测量的 实现途径 。 Ｓ０５ 关键 词 ： 测量 轴 角 ；Ａ ５ ４ ；磁 旋 转 编 码 器 Ｓ０５
中图分类 号：Ｔ ７ ２ Ｎ ６
一
文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０－ ５９２ １ — ０７ ０ ０７ ９９ （ ９ ０ ０５— ２ ０ ７
三 、Ａ ５ ４ 号 处 理 Ｓ ０ ５信 Ａ ５ ４ 的制造 工艺采用Ｃ Ｏ 标准， Ｓ０５ ＭＳ 并采 用了一种旋转 电流 Ｈ ｌ 技术来检测 芯片 表面上分布 的磁场 。Ａ ５ ４ 通过 内置的 ａｌ Ｓ０５ Ｈ ｌ 元 件输 出一个 电压 ，此 电压 能够 代表 Ｉ 的表 面磁 场 。 ａ１ ｃ Ａ ５ ４ 通过 ∑一△模拟／ Ｓ０５ 数字转换和数字信 号处理 （ Ｓ ） ＤＰ 算法 ， 提供 精确 的高分辨率绝对 角度位 置信息 。为 实现这一功 能， Ｈ ｌ 阵列信 号的角度和 幅值 用坐 标旋转数字计算机 （０ Ｄ Ｃ ａｌ ＣＲＩ ） 来计算 。 对于磁铁 的朝 向和磁铁远 离器件表 面的运动情况可 由 Ｄ Ｐ 供的Ｍ ｇ Ｎ ｎ ａ Ｄ Ｃ 输 出的数字信 息来表示 。只需采 Ｓ提 ａ ＩＣ 和Ｍ ｇＥ ｎ 用一块 小型低 成本 径 向磁化 （ 双极 ）标准磁铁 ，即可提供角度 位置信息 。Ａ ５４ 可提 供可能够通过同步串行接 口 （Ｓ ）进 Ｓ０５ ＳＩ 行访 问的１位 二进 制编码用来显示磁场的方 向。此外 ，Ｐ Ｍ ２ ｗ 引 脚 （ ２ ）的脉 宽调制信号用来指示绝对 角度 值。当然，输出 １脚 的Ｐ Ｍ Ｗ 信号也可 以通过使用 １ 个外部低通滤波器来生成 ｉ 个成正 比的模拟 电压 。 其输 出绝对角度位置数据 的同步 串行 接 口如图
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图 3 磁旋 转编码器磁阻元件与磁鼓空间尺寸示意图 图 4 磁旋转编码器磁阻元件电路连接图
信息记录材料 2003 年 第 4 卷 第 1 期
记录与介质
5 磁旋转编码器的应用及发展前景
尽管在目前市场上的编码器中 , 光电编码器占 有很大的份额 , 但由于磁旋转编码器的一些独特优 点 , 加上其成本低廉 , 近年来在高精度测量和控制 领域的应用不断 增加 。 特别是 对机器人 、 数 控机 床 、 测量仪 、 直接驱动电机和高密度侍服盘读写机 来说 , 已经是必不可少的组件 , 因此磁旋转编码器 已经成为发展高技术产品的关键技术之一 。 美国 、 日本等发达国家都将磁旋转编码器作为高技术加以 研究 。我国的长春光机所 、 华中科技大学 、 北京科 技大学等单位在这一研究领域也做了大量的工作 。 以日本为例[ 7] , 日本共有 50 多家企业涉足磁旋转 编码器行业 , 包括日立 、 松下等国际知名公司 。 它 们面向交 、 直流侍服电动机 、 工业机器人 、 机床 、 钢材 、 木材 、 橡胶 、 半导体等精密 、 超精密加工市 场 。1989 年日 本的编 码器销 售额 达 250 亿日元 。 其中磁旋转编码器占 15 %。 日本日测机舍 株式会 社和日本侍服公司的磁旋转编码器的年销售额均超 过了 1 亿日元 。 也有近 10 家公司在从事磁编码器 的研究生产 。它们的主要服务对象是军事领域 。 有 关专家指出[ 8] , 随着小型化 、 高分辨率 、 高可靠性 产品的不断推出 , 磁性编码器的应用领域将更加广 阔 , 市场份额将会进一步扩大 。图 5 是磁旋转编码 器的一种最常见的应用示意图 。从图中可见 , 磁编 码器除了可以给出每旋转一周 的增量脉冲个 数之 外, 还可以实现记录累计旋转圈数、 标准位置定 位 、 参考零位确定等功能 。表 2 给出了磁性编码器 的主要应用领域和使用功能 。
图 1 磁旋转编码器的结构示备是实现编码器旋转增量编 码的关键技术 。 目前 , 通用的磁鼓有 2 种 。 一种是 塑料磁性体 , 是将磁性材料用适当的粘合剂混合后 注射成型的 ;另一种是对铝等非磁性材料涂敷某种 磁性材料而成的[ 3] 。 在磁性传感器中 , 由于电机轴
气压条件下 , 在基片上可以制备出磁电阻薄膜 。它 们的磁电阻变化率 (ΔR R) 一般可达 2 %～ 5 %。 材料的磁电阻性能不仅取决于成分和制备工艺 , 膜 厚 、 膜宽等几何尺寸也可通过退磁场的作用影响材 料的性能[ 6] 。 为了提高信号采样的灵敏度 , 同时考 虑到差动结构对敏感元件温度特性的补偿效应 , 一 般在充磁间距 λ内 , 刻蚀 2 个位相差为 π 2 的条 纹 , 构成 半桥串联网络 。 为了提高编 码器的分辨 率 , 可以在磁头上并列 10 个用于检测增量信号的 磁阻元件和 4 个用于检测零道信号的磁阻元件 。增 量信号元件之间的间距为 5 λ8 。10 个磁阻元件分 成 5 组 , 在外加电压下 , 产生 4 组增量输出信号 。 图 3 和图 4 示出了磁编码器增量磁头的空间分布和 连接方式 。 对图 4 中 4 路电压信号 V 1 ～ V 4 进行 放大 、 整形 , 变换成方波数字信号 , 再将 V 1 与 V 3 , V 2 与 V 4 进行异或 (以提高 编码器的精 度), 便可以得到 2 路相位相差 π 2 的增量输出数 字方波信号。 这一信号就是编码器最终需要的 信号 。
的旋转振动 , 容易引起磁记录介质与磁性传感器的 接触 , 从而导致传感器和磁记录介质的损坏 。 为了 防止这种情况 , 磁传感器和磁鼓记录材料之间通常 留有几十微米的间隙 。 为了使磁鼓磁化后的漏磁信 号可以透过这一间隙到达传感器 , 磁鼓上的记录磁 性层通常的厚度要达到数十微米以上 。
表 1 给出了迄今为止用于磁性编码器上的磁记 录材料的种类 。就磁性薄膜和塑料磁铁来讲 , 由于 使用了作为磁性粒子的粘合剂 ———树脂 , 当使用在 温度超过 125 ℃, 真空度超过 10-7 T orr 的真空机 器人时 , 编码器磁鼓在耐热性和气体放出特性等方 面就不能胜任要求 。 压延磁铁 (Fe-Co-Cr) 和氧化 铝磁铁膜可以胜任真空机 器人的使用要 求 , 只是 Fe-Co-Cr 磁性材料成本较高 , 且受到形状的限制 , 录入的磁化信号在圆周上难以达到均匀 。 氧化铝薄 膜则存在制造工艺复杂 、 技术难度大 、 磁性体的充 填率底 、 从磁化体中穿出的磁通量少等问题 。 为了 解决在高温和高真空度环境下磁记录体的耐热性能
(Electronic Science & Technology Department of HUS T , Wuhan 430074 , china)
Abstract :We analyse the structure of mag netic ro tary encoder (M RE), its work principle , the recording media on the mag netic drum and the mag netic senso r , and introduce the application of M RE, the dev elo pment prospect and Point out tha t M RE is v ery impor tant for the development of high-technology industry in the future .
Keywords:magnetic rotary encoder ;magnetic drum ;magnetic sensor
1 引 言
编码器是数字式传感器中最重要 、 最基础的结 构形式之一 。它是将机械运动中转速 、 位移 、 转度 等物理量转变为数字脉冲化电 信号的一类传 感器 件[ 1 , 2] 。它与数字处 理技术和计算 机技术相结合 , 可实现快速 、 及时 、 准确的检测与控制 。随着工厂 自动化和办公自动化水平的提高 , 编码器工业有了 突飞猛进的发展 。编码器的代表性用途是用作侍服 电机系统的转角 、 转速的测量 。常用的数字式编码 器有光学编码器 、 磁旋转编码器 、 脉冲发生器 、 霍 尔元件等 。 光学编码器是目前应用最广的编码器 , 但它受环境的影响较大 , 对潮湿气体和污染敏感 ,
Informatio n Recording Materials 2003 Vol .4 No .1
磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一个个小磁极被 磁化 , 这样在磁鼓随着电动机旋转时 , 磁鼓能产生 周期变化的空间漏磁 , 作用于磁电阻之上 , 实现编 码功能 。充磁磁极的个数决定着编码器的分辨率 , 充磁磁极的均匀性和剩磁强弱是决定编码器结构和 输出信号质量的重要参数 。通常采用如图 2 所示的 旋转多极充磁方法[ 4] 。充磁磁头用高导磁率的材料 制成 , 其顶端有一狭缝 。 当磁头施加充磁电压时 , 其尖端产生漏磁 , 对磁极实施单极充磁 。磁鼓的连 续转动位置和充磁时间完全由计算机严格控制 。 一 般来讲 , 充磁时的同心度小于 0.01 mm 时 , 多极 磁鼓的实测磁极数和预充磁磁极数可以达到一致 。
收稿日期 :2002 -03 -18 作者简介 :廖红伟 (1978 -), 华中科 技大学电 子科学与 技术系
硕士研究生 , 主要从事磁编码器和磁阻研究 。
40
可靠性差 。 磁旋转编码器是近年来常报道的一种新 型电磁器件 。它是随光学编码器发展起来的 。 在实 际应用中 , 磁旋转编码器制成封闭式结构 , 因此不 易受外界污染的影响 。 与其它的编码器相比 , 磁旋 转编码器结构简单紧凑 , 高速下仍能够稳定工作 , 响应速度快 , 体积比光电编码器小 , 成本较光电编 码器低 , 而且可以容易地将多个元件排列组合 , 构 成新功能和多功能器件 。基于上述优点 , 近年来在 高精度测量和控制领域中 , 磁旋转编码器的应用不 断增加 , 从数控机床 、 机器人 、 工厂自动化相关设 备的位置检测 、 传输速度控制 , 到磁盘 、 打印机一 类的办公自动化设备 、 通讯机 、 测量仪表等各个领 域的旋转量的测量和控制 , 磁编码器都已成为不可 缺少的组成部分 。
关键词 :磁旋转编码器 ;磁鼓 ;磁阻传感器 中图分类号 :T N762 文献标识码 :A 文章编号 :1009 -5624 (2003) 01-0040-05
The Development and Application of M agnetic Rotary Encoder
L IAO Hong-w ei YANG Xiao-fei
图 2 旋转多极充磁示意图
4 磁旋转编码器用磁阻传感器
磁电阻效应是磁旋转编码器工作的基本物理机 理 。 磁电阻效应广泛存在于金属和半导体中 。来源 于通电导体或半导体内部载流子 , 因受到外部洛仑 兹力的作用 , 使其运动轨迹发生偏转或产生螺旋运 动 , 从而导致物质内部的电位差发生变化 。 宏观表 现为随着外磁场的变化 , 磁阻的阻值也发生相应的 变化 。磁电阻器件可以分为半导体磁阻器件和强磁 性磁阻器件 。前者是用 InSb 、 GaAs 等半导体材料 制成 , 价格比较昂贵 , 对使用环境要求较高 。目前 用于磁编码器的磁传感器探头主要是 GM R (巨磁 电阻效应)和 AM R (各向异性磁电阻效应)磁头 。 近年来 , AM R 磁头逐渐成为主流应用 。 这是因为 AM R 薄膜磁头具有很好的频率特性和较高的灵敏 度 。 常见的 A M R 磁头材料有 N iFe 、 NiCo 薄膜[ 5] 。 用磁控溅射的方法 , 在适当的温度 、 本底真空度和
表 1 磁编码器磁鼓记 录介质的比较
记录介质种类 磁性薄膜
塑料薄膜 压延磁铁 (Fe-Co-C r) 氧化铝磁化膜
Co-P
记录介质的耐热性 ～ 120 ℃ ～ 100 ℃ ～ 500 ℃ 不明 ～ 150 ℃
在真空中的使用 不适 不适 可以 可以 可以
记录介质的形状 圆筒形平板 圆筒形 平板圆筒形 没有限制 没有限制