磁栅是一种利用电磁特性和录磁原理对位移进行检测的装置。它一般分为磁性标尺、拾磁磁头以及检测电路三部分。在磁性标尺上，有用录磁磁头录制的具有一定波长的方波或正弦波信号。检测时，拾磁磁头读取磁性标尺上的方波或正弦波电磁信号，并将其转化为电信号，根据此电信号，实现对位移的检测。磁栅按其结构特点可分为直线式和角位移式，分别用于长度和角度的检测。磁栅具有精度高、复制简单以及安装调整方便等优点，而且在油污、灰尘较多的工作环境使用时，仍具有较高的稳定性。磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上。
一、磁性标尺和拾磁磁头
1、磁性标尺
一般由非导磁材磁性标尺(简称磁尺)可分为两部分，即磁性标尺基体和磁性膜。磁性标尺的基体料(如玻璃、铜、铝或其他合金材料)制成。磁性膜是化学涂敷、化学沉积或电镀在磁性标尺基体上的一层厚  的磁性材料，该磁性材料均匀分布在磁性标尺的基体上，且成膜状，故称磁性膜。磁性膜上有用录磁方法录制的波长为  的磁波。对于长磁性标尺来说，其磁性膜上的磁波波长一般取0.005，0.01,0.20，1mm等几种；对于圆磁性标尺，为了等分圆周，录制的磁波波长不一定是整数值。
在实际应用中，为防止磁头对磁性膜的磨损，一般在磁性膜上均匀地涂上一层厚  的耐磨塑料保护层，以提高磁性标尺的寿命。
按磁性标尺基体的形状，磁栅可分为实体式磁栅、带状磁栅、线状磁栅和回转形磁栅。前三种磁栅用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。各种磁尺结构形状见图4-18所示。
图 4-18 各种磁尺结构示意图
（a）实体式磁尺（b）带状磁尺（c）现状磁尺（d）回转形磁尺
2、拾磁磁头
拾磁磁头是进行磁电转换的器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。磁栅的拾磁磁头与一般录音机上使用的单间隙速度响应式磁头不同，它不仅能在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时拾取信号，而且也能在它们相对静止时拾取信号。这种磁头叫做磁通响应式磁头，其结构如图4-19所示，它的一个明显的特点就是在它的磁路中设有“可饱和铁心”，并在铁心的可饱和段上绕有两个可产生不同磁通方向的激磁绕组  和  。
图 4-19 磁通响应式磁头
二、 拾磁原理
图4-20是磁通响应式磁头中可饱和铁心的磁化曲线，H是施加于可饱和铁心的外磁场强度，B是可饱和铁心内的磁感应强度。当磁场强度H＜  时，磁感应强度B与H成正比，即B=  H, 是磁导率。当H＞  时，磁感应强度恒定于  值，不再随H的增加而提高，达到磁饱和状态。施加于可饱和铁心的外磁场强度可分为两部分。一是激磁电流I流过绕组  和  时产生的交变磁场强度  和  ，设激磁电流为
 （4—19）
则磁场强度为
 （4—20）
 （4—21）
式中  和  分别为绕组 和 单位长度内的匝数。
另一外磁场强度是磁尺上的磁信号  对可饱和铁心的作用，如图4-19所示，设 为：
 （4—22）
式中  一一磁场强度的振幅；
一一磁波 的波长；
x一一磁头相对于磁尺的位移。当磁头位于图示的a点时， =0。
磁通响应式磁头的制做，通过适当地选择磁头的物理参数和结构尺寸来实现。
当 =0时，保证 和 的共同作用，使可饱和铁心处于临界饱和状态。这时，根据
磁路定律，可饱和铁心内的磁感应强度为
 （4—23）
式中W是一个与磁头磁阻有关的系数。在可饱和铁心处于临界饱和状态时，  的工作点位
于图421所示的O点，即原点。在这种情况下， 在磁头的  段产生的交变磁通
 （4—24）
式中S为 段的横截面积。
交变磁通  使线圈 产生感应电势E，E用下式表示：
 （4—25）
若设e是E的二次谐波，显然，对于上述这种情况
e=0 （4—26）
当磁头偏离磁尺上的a点向右移动时，若  ，它的作用使可饱
和铁心上各段的外磁场强度有的加强，有的减弱。设AB段因 ≠0而加强，即AB段除外
磁场强度 和 共同作用外又叠加了一个正的直流分量 。 的作用，使AB段磁感应强度  的工作点上移(至f点，见图4-21)，从而导致AB段铁心内的磁感应强度 由临界饱和状态变为可饱和状态，出现磁饱和，使 的正弦波波顶被削掉。在这种情况下， 在磁头的 段产生的交变磁通
 (4--27)
它使线圈 产生感应电势E，用傅里叶级数将E展开，出现多级偶次谐波，其中二次谐波为
 (4--28)
式中  为系数。
图 4-20 可饱和铁心磁化曲线
图 4-21 可饱和铁心工作曲线
很显然，式(4-26)是式(4-28)在x= ／2, ,3 ／2,2 ,…条件下的特殊情况。
综合上述两种情况，通过设置选频滤波线路对拾磁绕组 中的感应电势进行调制，即只选取拾磁绕组 中感应电势的二次谐波e，这时，从式(4-26)及式(4-28)可以看出，根据这两个式子，由调制后得到的感应电势的二次谐波e，便可确定出拾磁磁头和磁尺的相对位移，且信号e与拾磁磁头和磁尺的相对移动的速度无关，而只与两者的相对位移大小相关。
三、 磁栅的工作原理
在实际应用时，为了提高拾磁绕组中感应电势的幅值，常将空间上相距  的几个磁头的线圈串联起来，作为一组拾磁磁头。
磁栅作为测量元件，根据对磁头上拾磁绕组中感应电势的不同处理方法，可做成鉴相式工作状态和振幅式工作状态两种。无论哪一种工作状态，都必须设置两个或两组间距为(n±1／4) 的拾磁磁头，如图4-22所示，n是任意整数。
图 4-22 双磁头配置原理图
1鉴相式工作状态
对图4-22所示的两组磁头A和B的激磁绕组分别通以同频率、同相位、同幅值的激磁电流
 （4—29）
取磁尺上的某N点为起点，若A磁头离开起点的距离为x，则A和B磁头上拾磁绕组输出的感应电势二次谐波为
 （4—30）
 （4—31）
式中  ——激磁电流幅值；
——磁头输出的感应电势二次谐波幅值；
 ——激磁电流频率的二倍值。
把A磁头输出的感应电势  中的 sin t移相  ／2，则得到 
=(  )sin(2 ／ )x （4—32）
将 和  相加，于是有
 （4—33）
通过鉴别e和 sin t之间的相位差(2 ／ )x，便可检测出磁头相对于磁尺的位移x。鉴别e和 sin t之间的相位差，与鉴相式旋转变压器及鉴相式感应同步器的原理和方法一致，它们的信号处理和应用方式也一样，请参见鉴相式旋转变压器的信息处理及应用。
2、振幅式工作方式
同鉴相式工作状态一样，对两组拾磁磁头A，B的激磁绕组通以同频率、同相位、同幅值的激磁电流，即从两磁头绕组输出感应电势，感应电势的二次谐波为
 （4—34）
这是磁头给出的原始信息。如果我们用检波器将 和 中的高频载波  滤掉，便可得到相位差为 ／2的两路交变电压信号，即
 （4—35）
 （4—36）
与光栅测量元件的信息处理方式一样，首先，对 和  进行放大、整形，将 和 转换成两路相差1／4周期的方波信号。此方波信号与被测位移即磁头相对于磁性标尺的位移有如下对应关系：
(1)方波信号每变化一个周期，即 或 变化一个周期，磁头相对于磁性标尺增加或减少一个波长 的距离。
(2) 方波信号变化频率越高，即  变化越快，表示磁头相对磁性标尺的移动速度越大。
(3) 因两磁头在空间上相差 ／4，即  或  的周期，与光栅读数头中的光敏元件布置方式相同。因此，由 和 转换而来的两路方波信号的超前滞后关系反映了磁头相对于磁性标尺的移动方向。
这两路方波信号经鉴向倍频之后，就变成了便于应用的正反向数字脉冲信号，具体线路与光栅信息处理线路相同，不再重述。
振幅式工作状态信息处理框图如图4-23所示。
 
图4-23 振幅式工作状态工作原理 |
