感應同步器

感應同步器（inducsyn）

感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的，可用來測量直線或轉角位移。其中，測量直線位移的稱為直線感應同步器（或稱長感應同步器），測量轉角位移的稱為側感應同步器（或稱旋轉式感應同步器）。同步器具有測聚精度和分辨力高，抗干擾能力強，受環境影響小、使用壽命長、維護簡單，可拼接成各種測量長度且能保持單元精度，工藝性好、成本較低，便於複製和成批生產等優點。因此，同步器廣泛地應用於大型機牀和中型機牀上，作為數字位移提供顯示或控制裝置。 ^[1] 

感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的。可用來測量直線或轉角位移。測量直線位移的稱長感應同步器，測量轉角位移的稱圓感應同步器。長感應同步器由定尺和滑尺組成。圓感應同步器由轉子和定子組成。這兩類感應同步器是採用同一的工藝方法制造的。一般情況下。首先用絕緣粘貼劑把銅箔粘牢在金屬（或玻璃）基板上，然後按設計要求腐蝕成不同曲折形狀的平面繞組。這種繞組稱為印製電路繞組。定尺和滑尺，轉子和定子上的繞組分佈是不相同的。在定尺和轉子上的是連續繞組，在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組，佈置成在空間相差90°相角，又稱為正、餘弦繞組。感應同步器的分段繞組和連續繞組相當於變壓器的一次側和二次側線圈，利用交變電磁場和互感原理工作。安裝時，定尺和滑尺，轉子和定子上的平面繞組面對面地放置。由於其間氣隙的變化要影響到電磁耦合度的變化，因此氣隙一般必須保持在0.25±0.05mm的範圍內。工作時，該電動勢隨定尺與滑尺（或轉子與定子）的相對位置不同呈正弦、餘弦函數變化。再通過對此信號的檢測處理，便可測量出直線或轉角的位移量。 ^[1] 

感應同步器分直線感應同步器和圓感應同步器兩大類。

如圖1上圖所示為直線感應同步器結構圖，它由定尺和滑尺組成。定尺和滑尺由基板、絕緣和繞組三部分組成。其中，滑尺繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層。基板常採用導磁材料，其膨脹係數與所安裝的主體相同（如優質碳素結構鋼）；繞組用電解銅銷腐蝕製成；絕緣材料一般選用酚醛玻璃環氧絲布和聚乙烯醇縮丁醛膠或用聚酰胺作固化劑的環氧樹脂，這此材料黏着力強、絕緣性好。屏蔽層用鋁箱或鋁膜製成，起靜電屏蔽作用。定尺遠比滑尺長，安裝時必保證滑尺繞組全部覆蓋定尺的繞組定尺上是連續繞組，滑尺1是分段繞組，分正強和餘弦兩部分，在空間相差90°電角度，即1/4週期。

如圖1下圖所示為圓感應同步器結構圖，它由定子和轉子組成，轉子相當於直線感應器的定尺。定子相當於滑尺，形狀是調片形。其定子和轉子也同時由基板、絕緣層、繞組三部分組城基板呈環狀，材料為硬鋁、不鏽鋼或玻璃。定子和轉子繞組的製造工藝與直線感應同步器相同。目前，圓感應同步器的直徑一般50mm，76mm，178mm和302mm四種，徑向繞組導體數（即極數）有180極、360極、512極、720極和1080極五種。在極數相同的情況下，圓感應同步器的直徑越大，其精度越高。轉子繞軸旋轉，通常採用導電環直接耦合輸出，或者通過耦合變壓器，將轉子的一次感應電動勢經氣隙耦合到定子二次側輸出。 ^[1] 

感應同步器主要由基板、絕緣層、平面繞組層和保護層四部分組成。

選擇基板材料的原則是：

1）基板材料的線膨脹係數要和機械設備材料的線膨脹係數相近或相同，一般指鑄鐵和鋼材料的線膨脹係數。這樣當感應同步器安裝到機械設備上後，兩者熱變形接近或一致，可減少或不引起附加誤差，這一點對直線感應同步器尤為重要。

2）材料的磁性能均勻，磁場畸變小。因為材料的磁化曲線若呈非線性，即磁場畸變的話，將會引起噪聲感應電動勢，影響精度，所以通常選用軟磁材料(如低碳鋼)或非導磁材料（如鋁合金、玻璃）。

3）便於機械加工，為確保精度，對基板的乎面度、平行度都有嚴格要求。直線感應同步器還有直線性和接長的要求，旋轉式感應同步器還有外圓與繞組圖形中心的同心度要求。此外，還要加工引線孔、安裝孔。因此，一般選用易加工的金屬材料作為基板材料。

常用的基板材料有：熱軋鋼（15″或20″），鋁合金（硬鋁LY12），不鏽鋼（1Cr18Ni9Ti）和玻璃四種。熱軋鋼的線膨脹係數與機械設備材料的相同，磁性比較均勻，磁場畸變小，易加工，且它又是導磁材料，感應電勢較大，價格便宜，所以直線式和旋轉式感應同步器，一般都採用熱軋鋼材料。

旋轉式感應同步器也有采用非導磁材料的，雖然感應電勢較小，但因不存在磁場畸變問題，精度比較高；不鏽鋼防鏽性能好，適宜户外和工作環境較差的地方使用；鋁合金較輕，適宜軍工、宇航等部門；玻璃基板變形小，用於一些有特殊要求的地方。 ^[2] 

繞組導體材料，一般要求高導電率，可採用銀、銅、鋁等材料。常用的是電解銅箔，要求厚度均勻，無疵陷，常選厚度小於0.1mm（最常用為0.08、0.07、0.05mm），允許通過的電流密度為5A/mm²，厚度小、易腐蝕；厚度大直流電阻小，易接長，國內多采用0.05mm銅箔，國外採用0.08一0.07mm銅箔。

對於使用玻璃基板的感應同步器，其繞組材料採用銀、銅、鋁均可。

在繞組與基板之間的絕緣層還起粘結作用。對絕緣層的要求是：絕緣性——在100V直流電壓下，1min內不擊穿；粘結性——抗剝強度不小於9N/cm（對旋轉式感應同步器為5N/cm）；伸縮一致性一絕緣層要儘可能薄，當温度變化時，繞組、絕緣層和基板三者能同時伸縮。

絕緣層材料常選用酚醛玻璃環氧絲布，噴塗聚乙烯醇縮丁醛膠，加温加壓而成。或採用環氧樹脂（固化劑為聚酰酸）常温加壓固化而成。

為保護繞組免受油污、切削液、粉塵的侵蝕和進行靜電屏蔽，在連續繞組(定尺或轉子)表面可噴塗絕緣清漆或其他保護層，在分段繞組（滑尺或定子）表面還要再粘貼0.01—0.03mm厚的鋁箔進行靜電屏蔽；也可用鋁金紙，它是鋁箔與塑料薄膜粘在一起製成的，總厚度約0.04mm。 ^[2] 

感應同步器輸出電信號很微弱，需配以變換電路，將輸出電信號進行處理，以便於準確測量位移大小，基本運行方式有以下4種：①單相勵磁，兩相輸出，採用鑑相方式，精確反映位移信號；②單相勵磁，兩相輸出，採用鑑幅方式，較精確反映位移信號；③兩相勵磁，單相輸出，採用鑑相方式，精確反映位移信號；④兩相勵磁，單相輸出，採用鑑幅方式，較精確反映位移信號。

基於多極元件對信號偏差的補償原理，因感應同步器極對數很多，所以其精度很高。由於其結構簡單，工作可靠，性能穩定，已廣泛用於機牀、航天測試技術等設備和裝置中，用來構成角度或位移的精密測量、定位和隨動系統，其精度可高達1角秒或1微米以下。

利用電磁感應原理將兩個平面型繞組之間的相對位移轉換成電信號的測量元件，用於長度測量工具。感應同步器分為直線式和旋轉式兩類。前者由定尺和滑尺組成，用於直線位移測量；後者由定子和轉子組成，用於角位移測量。1957年美國的R.W.特利普等在美國取得感應同步器的專利，原名是位置測量變壓器，感應同步器是它的商品名稱，初期用於雷達天線的定位和自動跟蹤、導彈的導向等。在機械製造中，感應同步器常用於數字控制機牀、加工中心等的定位反饋系統中和座標測量機、鏜牀等的測量數字顯示系統中。它對環境條件要求較低，能在有少量粉塵、油霧的環境下正常工作。

定尺上的連續繞組的週期為2毫米。滑尺上有兩個繞組，其週期與定尺上的相同，但相互錯開1/4週期 （電相位差90°）。感應同步器的工作方式有鑑相型和鑑幅型的兩種。前者是把兩個相位差90°、頻率和幅值相同的交流電壓U1 和U2分別輸入滑尺上的兩個繞組，按照電磁感應原理，定尺上的繞組會產生感應電勢U。如滑尺相對定尺移動，則U的相位相應變化，經放大後與 U1和U2比相、細分、計數，即可得出滑尺的位移量。在鑑幅型中，輸入滑尺繞組的是頻率、相位相同而幅值不同的交流電壓，根據輸入和輸出電壓的幅值變化，也可得出滑尺的位移量。由感應同步器和放大、整形、比相、細分、計數、顯示等電子部分組成的系統稱為感應同步器測量系統。它的測長精確度可達3微米/1000毫米，測角精度可達1″/360°。 ^[3] 

①具有較高的精度與分辨力。其測量精度首先取決於印製電路繞組的加工精度，温度變化對其測量精度影響不大。感應同步器是由許多節距同時參加工作，多節距的誤差平均效應減小了局部誤差的影響。目前長感應同步器的精度可達到±1.5μm，分辨力0.05μm，重複性0.2μm。直徑為300mm的圓感應同步器的精度可達±1″，分辨力0.05″，重複性0.1″。

②抗干擾能力強。感應同步器在一個節距內是一個絕對測量裝置，在任何時間內都可以給出僅與位置相對應的單值電壓信號，因而瞬時作用的偶然干擾信號在其消失後不再有影響。平面繞組的阻抗很小，受外界干擾電場的影響很小。

③使用壽命長，維護簡單。定尺和滑尺，定子和轉子互不接觸，沒有摩擦、磨損，所以使用壽命很長。它不怕油污、灰塵和衝擊振動的影響，不需要經常清掃。但需裝設防護罩，防止鐵屑進入其氣隙。

④可以作長距離位移測量。可以根據測量長度的需要，將若干根定尺拼接。拼接後總長度的精度可保持（或稍低於）單個定尺的精度。目前幾米到幾十米的大型機牀工作台位移的直線測量，大多采用感應同步器來實現。

⑤工藝性好，成本較低，便於複製和成批生產。由於感應同步器具有上述優點，長感應同步器目前被廣泛地應用於大位移靜態與動態測量中，例如用於三座標測量機、程控數控機牀及高精度重型機牀及加工中測量裝置等。圓感應同步器則被廣泛地用於機牀和儀器的轉枱以及各種迴轉伺服控制系統中。 ^[4] 

感應同步器的應用非常廣泛，可用於測量線位移、角位移以及與此相關的物理量，如轉速、振動等。直線感應同步器常應用於大型精密機牀、座標銑牀及其他數控機牀的定位控制和數顯;圓感應同步器常用於需達天線定跟蹤、導憚制導、精密機牀或測量儀器設備的分度裝置等。圖2所示為感應同步器鑑相數字位移測景裝置框圖。 ^[1]