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磁性測量系統在我國轉型轉結構過程中的
發展變化和展望
-上海朗祺自動化成套設備有限公司 倪福春 黃麗燕
2019.05.25
二年一度的 CIMT 2019 已經落幕，縱觀展會關于磁性測量系統國內外參展企業的展出情況，結合近年來磁性測量系統在我國轉結構過程中發生的深刻變化，和發展趨勢和廣大科技人員及業界人士進行探討，供各位讀者參考。
磁性測量系統由于其抗震、防塵、防水、抗污染以及工作溫度范圍寬廣、體積小、安裝方便等顯著優勢，在自動化的各個領域廣受青睞。尤其近年來，世界電子技術及納米技術迅猛發展，使磁性測量技術產生了質的變化。磁性測量系統不但更小、更細、更精確，且應用領域更寬廣。
一個完整的磁性測量系統主要由磁性傳感器、信號處理電路和被測標的組成。 為了適應各種不同的應用場合和需求，磁性傳感系統可根據測量原理對磁性傳感器以及被測標的進行不同的分類。
從測量原理上看，主要分增量磁性測量系統和絕對值磁性測量系統:
增量磁性測量系統通過連續相對位移進行測量， 目前常見的柵距有0.5mm， 1mm， 2mm， 2.5mm，5mm. 10mm 等。 在其他條件不變的情況下，柵距越小所能獲得的最高分辨率及最高精度越高， 但同時安裝條件（即磁頭磁尺之間的間隙）也越苛刻。 增量磁性測量系統分辨率也從0.1μm到1mm不等。增量磁性測量系統的輸出信號主要有方波（數字量）和正余弦波（模擬量）兩種，而方波信號根據信號電平高低又分為TTL 和 HTL。
德國 Willtec 的數字量的增量磁頭有：IMS1，IMS2，IMS2.54，IMS5，IMS10，IMS20等。
數字量信號的磁性測量系統多用于各類加工機床、步進電機及直線電機反饋系統。
而模擬量增量磁頭有： IMV1，IMV2，IMV2.54，IMV5。
模擬量磁性測量系統多用于伺服電機反饋系統。
增量磁性測量系統相對于絕對值磁性測量系統具有以下特點: 體積相對更小, 成本低， 通用性更強， 測量長度基本不受限。 目前數字量磁性傳感系統的應用最為廣泛，在各工業領域用于測量位移和角度等。如：石材、木工、金屬加工等各類加工機床、數控中心和生產線，工程器械、醫療器械、汽車、新能源及航天航空領域等。
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絕對值磁性測量系統經初始化設定后，可在直接讀取被測標的上任意一點的當前位置，例如即使在斷電后位置發動變化的情況下，也不會造成當前位置值丟失或出錯。根據絕對值的編碼不同，目前常見的有三種：
游標碼。游標碼由兩個或多個磁道構成。 假設基準磁道磁極距為 P，極對數為 n，那么第一個游標磁道的柵距為 P*（n-1）/n， 極對數為 n-1，以此類推，每個磁道的周期數都比上一個少1。 如德國 Willtec 的絕對值磁頭 AHP1 和 AHP2 就是這種類型，每米定位精度最高可達3μm。
這種磁性游標絕對值測量系統可以達到較高的精量精度，體積較小，測量長度相對較短，但可以通過增加磁道來大幅度增加測量長度。多應用于安裝空間狹小的高精度測量，例如：機械手臂。
二進制/格雷碼/格雷余碼。 傳統的絕對值測量多為這個方法，由2-3個磁道組成，其中一個為基準磁道，用于產生增量信號，一般常見的為1mm或2mm磁極距。另外1-2個磁道為絕對值編碼，和基準磁道組合提供絕對值位置。如 Willtec 的 AMS2， 這種磁性絕對值測量系統具有中等測量長度，適中的價格。
多應用于可靠性要求高或中長距離測量。例如：電梯、倉儲定位。
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3. 配置偶極磁鐵測量。 配置圓形偶極磁鐵（S+N），即360度范圍內只有一個信號周期，可直接得到單圈絕對值位置。 這種磁編結構簡單，體積小，成本極低。多用于要求較低的閥門開度控制及電機反饋。
磁性絕對值測量系統實際應用中可以一般通過內置的計數器和外接/內置電池來進行圈數計數，以此來實現多圈絕對值角度測量，或成倍的延長絕對值直線測量長度。一體式磁性編碼器中還可以通過純物理齒輪結構，在多個磁性碼盤中進行切換來測量多圈絕對位置，這種編碼器也被稱作“真”絕對值編碼器。
從磁性傳感器類型上來看，主要分為電感式傳感器，霍爾傳感器和磁阻傳感器:
電感式（Inductive）磁性傳感器，具有高靈敏度，高精度，可試用的磁場強度范圍廣的優點，但測量長度受限，分辨率越高，測量長度越短，且不適合高速測量。電感式傳感器又可分為可變磁阻式、差動變壓器式和電渦流式傳感器。
霍爾（Hall）磁性傳感器的歷史悠久，市場開發應用也極為成熟。 （N型硅和砷化鎵霍爾傳感器）主要適用于高強度磁場的測量。而較為新型的銻化銦（InSb）霍爾傳感器靈敏度更高，可測量中等強度的磁場范圍，但極易受溫度變化影響。 霍爾傳感器的低成本適用于簡單的線性及角度測量和用作磁性開關。
磁阻（Magneto Resistive）傳感器由于其高靈敏度、高精度、抗干擾性強等優點，越來越受市場青睞。 隨著磁阻效應基礎研發不斷地涌現出新的成果，磁阻傳感器的類別和應用范圍，也得到了極大擴展。這里也會就磁阻傳感器做較為詳盡的介紹。目前能用于長度角度等測量定位的磁阻傳感器有：AMR（各向異性磁阻）、GMR（巨磁阻）和TMR（隧道磁阻）。
AMR 傳感器的最佳性能的磁場范圍是以地磁為中心的中等強度磁場，因此無需像霍爾元件那樣增加聚磁輔助手段。AMR 可以很好對地磁場范圍內的弱磁場進行測量，在地球磁場作為基本的操作空間情況下，應用基本無局限性。 可用作各種位移、角度、轉速的測量，如Sensitec 的 AA700系列 及 AL700 系列，也可用于地磁導航及一些鐵磁性物體如火車、汽車、飛機等的檢測，如 AAF755。AMR 具有高頻、低噪和高信噪比等特性。
相比 AMR，巨磁阻傳感器 GMR適合測量中高磁場強度，具有更高的靈敏度和更好的溫度穩定性，但生產工藝較為復雜，成本高。目前 GMR 集中應用在磁盤數據讀取磁頭、存儲器領域和測量定位。作為位置傳感器，GMR 適用于制作齒輪傳感器，通過集成輔助的偏置磁鐵，可直接讀取鐵磁材料的齒形結構。例如 GLM700系列制成的齒輪編碼器常用于高精度電主軸控制等。
隧道磁阻 TMR 傳感器是在近幾年才開始工業化應用的新型磁阻效應傳感器。TMR傳感器具有極高的靈敏度，低功耗，測量范圍極廣等優勢。目前在硬盤磁頭領域已逐步取代 GMR， 在測量領域應用的前景也很廣闊，如TL900系列。
從被測標的類型上來看，可分為傳統磁性編碼器和齒輪編碼器:
傳統的磁性編碼器測量對象為帶有磁性編碼的磁尺或磁環, 磁性傳感器可直接讀取磁尺或磁環上形成的磁場。
齒輪傳感器的測量對象是鐵磁材料的齒形結構，例如齒輪、螺紋、齒條等。 齒輪傳感器由巨磁阻傳感器和偏置磁鐵組成，傳感器本身能產生磁場。 因此被齒形鐵磁材料進行磁場切割后，可以得到測量所需的磁場強度變化。
相比傳統磁性編碼器，齒輪編碼器的優勢在于：
1. 能達到更高的測量精度，因為目前金屬加工所能達到的精度要高于磁性材料的充磁精度。
2. 在某些應用中，可以直接在傳動部件上加工精密的齒紋，避免任何因安裝而產生的背隙或誤差。
而齒輪編碼器的限制在于：
1. 對齒形結構的材料及齒形的加工有著較為嚴格的要求。
2. 齒輪傳感器與被測齒形之間的間隙要小于1/3 齒距。相較于傳統的磁性編碼器 <1/2柵距的安裝間隙，齒輪編碼器的安裝要求更高。
齒輪編碼器主要應用于加工機床的位置檢測，AC電機及電主軸位置反饋，電梯的位置反饋等。
綜上所述，一個完整的高精度、高速度、高穩定性的磁性測量系統是由傳感器、帶補償的細分、驅動電路以及高精度的被測標的等諸多因素組合而成。 這里涉及到材料、制作工藝、電子元器件搭配、電路設計，軟硬件等若干方面。各零部件包括被測標的制造廠家各自有自己的專利產品及專有技術。因此，如何能夠生產出符合工業生產所需求的高品質產品，就需要根據實際細分應用將各種零部件（含軟件）進行取長補短、優勢整合，而不是簡單地拿來拼湊組合。這是當今磁性測量系統行業里面臨的重大課題。根據實際應用的需求，各生產企業盡快制定出若干產品標準。以此優勢來主導整個產業鏈合作生產，是掌握產品主動權的重要任務，也是全球化合作的趨勢。誰先掌握產品核心標準，誰就能在明天掌握磁性傳感系統生產、銷售的話語權。
