数显表原理与应用

1、数显表原理与应用*数显表原理与应用数显表原理与应用一、数显表概念二、数显表在机床改造中的应用三、NEWALL数显与球删尺介绍四、GS9000 数显表介绍一、数显表概念v 数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有应数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场合下用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场合下已经代替了已经代替了指针式仪表。从我们指针式仪表。从我们家中的电子钟表到工家中的电子钟表到工厂用的显示数据牌，厂用的显示数据牌，无论是对时间的把握无论是对时间的把握还是对产量的控制都还是对产量的控制都提供了精准的数字显提供

2、了精准的数字显示，用数字量替换了示，用数字量替换了模拟量。模拟量。v 广义和狭义之分广义和狭义之分*二、数显表在机床改造中的应用二、数显表在机床改造中的应用v 数显表的选用原则数显表的选用原则 机床类型与控制轴数机床类型与控制轴数 检测元件类型检测元件类型 控制精度控制精度 可靠性可靠性 价格价格v 数显表安装方式：数显表安装方式：*四川工程职业技术学院四川工程职业技术学院v 如何安装球栅尺如何安装球栅尺 v 球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支架固球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支架固定在机床上。读数头固定在机床的走刀架上，与球栅尺做相对运定在机床上。读数头

3、固定在机床的走刀架上，与球栅尺做相对运动。有时小机床把读数头固定、球栅尺做运动。动。有时小机床把读数头固定、球栅尺做运动。v 3米以上的球栅尺（含米以上的球栅尺（含3米），要在尺的中间加装弹性支架。一般米），要在尺的中间加装弹性支架。一般1.5米距离装一个弹性支架。米距离装一个弹性支架。v 8米以下的（含米以下的（含8米）球栅尺不用接，米）球栅尺不用接，8米以上的尺需要接长。如米以上的尺需要接长。如10米的球栅尺要取两根米的球栅尺要取两根4.9米的钢管、各在一端内径车扣。再取米的钢管、各在一端内径车扣。再取0.2米的钢管一根米的钢管一根,两端都在外径上车扣。然后它们都装上等量的钢球两端都在外径

4、上车扣。然后它们都装上等量的钢球拧上即可。拧上即可。v 安装数显表时要注意尽可能远离机床的电动机。以避免产生不安装数显表时要注意尽可能远离机床的电动机。以避免产生不必要干扰信号。必要干扰信号。*三、三、NEWALLNEWALL数显与球删尺介绍数显与球删尺介绍v Newall公司于公司于1968年成立于英国年成立于英国Peterborough，现已发，现已发展成为施奈德电器集团的一份子，隶属于施奈德展成为施奈德电器集团的一份子，隶属于施奈德CST事业部（传感器事业部（传感器技术事业部）。自成立以来，技术事业部）。自成立以来，Newall公司一直致力于为机械及自动公司一直致力于为机械及自动化领域提

5、供定位准确的高可靠产品，旨在帮助客户不断提高生产力化领域提供定位准确的高可靠产品，旨在帮助客户不断提高生产力和制造效率。和制造效率。Newall作为球栅尺及数显表的生产商，其专业产品广受客户推崇。作为球栅尺及数显表的生产商，其专业产品广受客户推崇。Newall品牌的数显表，采用领先技术与制造工艺，专为提高机床品牌的数显表，采用领先技术与制造工艺，专为提高机床生产效率而设计。主要与生产效率而设计。主要与Newall Spherosyn和和Microsyn系系列球栅尺配套使用，是非常可靠的数显系统。列球栅尺配套使用，是非常可靠的数显系统。*NEWALL数显表型号数显表型号v A50v B60v C

6、80v E70v E90v SA100v TOPAZ-Dv DP-900*v Newall球栅尺优势球栅尺优势 防护等级防护等级IP67(6 灰尘难以进入，完全防尘。灰尘难以进入，完全防尘。7 浸在深度不超过浸在深度不超过1米的米的水下可防止水进入。水下可防止水进入。) 防尘、防油、防铁屑，能在恶劣环境下工作防尘、防油、防铁屑，能在恶劣环境下工作 无机械磨损无机械磨损 无需日常清理与维护无需日常清理与维护 抗冲击、耐震动抗冲击、耐震动 可靠性高可靠性高*v Newall球栅尺优势球栅尺优势v 位置传感器可粗略地被分为两大类，直流型和交流型。光电式和位置传感器可粗略地被分为两大类，直流型和交流型

7、。光电式和磁力式传感器就属于直流型，这两类传感器均包含线性传感器和磁力式传感器就属于直流型，这两类传感器均包含线性传感器和旋转编码器。交流型传感器要么是电感型，要么是电容型。旋转旋转编码器。交流型传感器要么是电感型，要么是电容型。旋转器属于电感型角度传感器，而器属于电感型角度传感器，而LVDT、感应同步器和、感应同步器和Newall球栅球栅则属于电感型线性传感器。则属于电感型线性传感器。v 交流传感器的信号为含基波分量的交流调制信号，直流传感器的信号则交流传感器的信号为含基波分量的交流调制信号，直流传感器的信号则为直流调制信号。在存在偏置误差、信号漂移和低频干扰的情况下，直为直流调制信号。在存

8、在偏置误差、信号漂移和低频干扰的情况下，直流信号有其致命弱点。流信号有其致命弱点。v 偏置误差可通过专门的运算放大器消除，实际上就是将直流信号偏置误差可通过专门的运算放大器消除，实际上就是将直流信号先转化为交流信号，消除误差偏置后再转换回直流信号。而交流先转化为交流信号，消除误差偏置后再转换回直流信号。而交流传感器内的耦合电路本身就能消除大部分偏置误差。传感器内的耦合电路本身就能消除大部分偏置误差。*v 信号漂移也是让直流传感器头疼的一个问题，尤其是对于光栅来信号漂移也是让直流传感器头疼的一个问题，尤其是对于光栅来说，说，LED光源和太阳电池会不断老化，更容易引起输出信号的光源和太阳电池会不断

9、老化，更容易引起输出信号的漂移。像漂移。像Newall球栅这样的传感器，采用电磁感应的测量方式，是球栅这样的传感器，采用电磁感应的测量方式，是基于系统某些稳定的物理特性，如：线圈圈数比、磁导率等，这些是不基于系统某些稳定的物理特性，如：线圈圈数比、磁导率等，这些是不会随时间而改变特性的。会随时间而改变特性的。v 低频干扰，尤其是低频电源的干扰，会作用于直流信号，除非低频干扰，尤其是低频电源的干扰，会作用于直流信号，除非延长系统响应时间，否则很难被排除。交流传感器，是在某一延长系统响应时间，否则很难被排除。交流传感器，是在某一精确稳定的频率下工作，故可以采用高频和低频滤波器消除干精确稳定的频率下

10、工作，故可以采用高频和低频滤波器消除干扰，且不影响系统响应速度。扰，且不影响系统响应速度。v Newall球栅曾因其原始球栅距大于光栅距而遭人置疑。但事实上，球栅曾因其原始球栅距大于光栅距而遭人置疑。但事实上，对于交流信号而言，通过电细分插补实现高分辨率，比直流信号更容对于交流信号而言，通过电细分插补实现高分辨率，比直流信号更容易实现。就像旋转编码器能够实现同光电编码器一样的精度和分辨率易实现。就像旋转编码器能够实现同光电编码器一样的精度和分辨率，Newall球栅也可以达到与直线光栅和磁栅一样的高性能。球栅也可以达到与直线光栅和磁栅一样的高性能。*v球栅尺与微栅尺性能比较球栅尺与微栅尺性能比较

11、*技术参数技术参数球栅尺球栅尺SPHEROSYN微栅尺微栅尺MICROSYN测量分辨率测量分辨率0.005mm/0.001mm0.001mm/0.0005mm测量准确度测量准确度(0.01+0.005/m)mm0.005mm最大运行速度最大运行速度2m/sec0.75m/sec有效行程有效行程5011684mm(30m)501050mm信号输出信号输出Sin/Cos或或RS422-TTLSin/Cos或或RS422-TTL读数头尺寸读数头尺寸54mm131mm28mm 35mm75mm25mm防护等级防护等级IP67(IEC529)IP67(IEC529)抗冲击抗冲击100g(IEC69-2-

12、6)100g(IEC69-2-6)耐振动耐振动30g(IEC-2-27)30g(IEC-2-27)热膨胀系数热膨胀系数1210-6/K1210-6/Kv 球栅尺原理球栅尺原理v 球栅采用电磁感应技术，含读数头和尺身两部分。球栅采用电磁感应技术，含读数头和尺身两部分。v 尺身是一根不锈钢管，内装精密的镍镉合金球构成。生产调试时，会对合金球加尺身是一根不锈钢管，内装精密的镍镉合金球构成。生产调试时，会对合金球加载一定的预紧力，使其紧密排列。读数头内封装有线圈组及电路，测量时，读数载一定的预紧力，使其紧密排列。读数头内封装有线圈组及电路，测量时，读数头沿尺身滑动。头沿尺身滑动。*v 上图显示了读数头

13、内线圈的排列情况。采集线圈共有上图显示了读数头内线圈的排列情况。采集线圈共有6组，在一个球栅距内，相同绕向的组，在一个球栅距内，相同绕向的ABCD四个线圈组成一组，鉴于合金球是紧密排列的，相邻的两个四个线圈组成一组，鉴于合金球是紧密排列的，相邻的两个A线圈间距是一线圈间距是一定的，即为一个球距。采集线圈之外是激磁线圈。定的，即为一个球距。采集线圈之外是激磁线圈。v 在一个球栅距内，不同位置的合金球切割磁力线的截面积不同，因而磁导率会成周期性变在一个球栅距内，不同位置的合金球切割磁力线的截面积不同，因而磁导率会成周期性变化。线圈采集到的感应电压，亦随之变化。化。线圈采集到的感应电压，亦随之变化。

14、*v 如图，一个球栅距内，不同位置的如图，一个球栅距内，不同位置的线圈，采集到的线圈，采集到的ABCD四向感应信号四向感应信号幅值的变化。同组的四个线圈，位置需幅值的变化。同组的四个线圈，位置需满足一定要求，例如，当一个感应信号满足一定要求，例如，当一个感应信号（如（如A）在波峰位置时，对应的另一）在波峰位置时，对应的另一个感应信号（如个感应信号（如C）应在波谷位置。）应在波谷位置。这对信号经过差分混合产生如图这对信号经过差分混合产生如图2b所所示的信号（如示的信号（如A-C），这一中间信），这一中间信号与原始感应信号有一定相位差。号与原始感应信号有一定相位差。如如A-C信号相位超强信号相位超

15、强45度，而度，而D-B信信号的相位则滞后号的相位则滞后45度。中间信号再进度。中间信号再进行滤波整合，才得到最终输出信号。读行滤波整合，才得到最终输出信号。读数头沿着尺身滑动时，输出信号的相位数头沿着尺身滑动时，输出信号的相位将随其在将随其在0度至度至360度之间变化。度之间变化。*v 输出信号基波频率为输出信号基波频率为10KHz，峰峰值约为，峰峰值约为5伏，直流输出电位约为伏，直流输出电位约为5伏。在一伏。在一个球栅距（如每个球栅距（如每12.7毫米）内，测量出的位置值都是绝对值。如图就说明毫米）内，测量出的位置值都是绝对值。如图就说明了：了：90度相位差对应的是度相位差对应的是3.17

16、5mm的位移。的位移。*v光栅尺原理与应用光栅尺原理与应用v光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为玻璃透射式光栅和金属反射式光栅。玻璃透射式光栅和金属反射式光栅。直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。图所示。 透射式光栅检测装置反射式光栅检测装置v 玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属玻璃透射式光栅是

17、在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与不透明线镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，线纹之间的间纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹密度为距称为栅距。常用的线纹密度为25条条/、50条条/、100条条/、250条条/。条数越多，光栅的分辨率越高。条数越多，光栅的分辨率越高。v 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相间的条纹，圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等。条纹呈辐射状，相互间的夹角

18、相等。v 直线透射式光栅直线透射式光栅v 1. 组成组成v 由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图透镜、光电元件、指示光栅等。如图9-14所示。所示。v 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。光

19、栅读数头安装在机床的移动部件上。光栅位置检测装置的组成1光源 2透镜 3标尺光栅4指示光栅 5光电元件v 2. 工作原理工作原理v 在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持0.01至至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度转一个微小的角度。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角衍射效应，在与两光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上，的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹会出现明暗交替

20、、间隔相等的粗条纹莫尔条纹，如图所示。莫尔条纹，如图所示。莫尔条纹形成原理v 两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅，若光栅的栅距为距为W，则，则因为因为很小，则很小，则由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。 2sin2WB WB 莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点： v 由上式可知，莫尔条纹的间距由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距是光栅栅距W的的1/，由于，由于很小（小于很小（小于10），故），故BW，即莫尔条纹具有放大作用。例如，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为当

21、栅距为W=0.01，=0.001rad时，莫尔条纹的间距时，莫尔条纹的间距B=10。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。子放大线路，这是光栅技术独有的特点。v （2）起均化误差作用）起均化误差作用 v 莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10，当，当W=0.01时，时， 10宽的莫尔条纹就由宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此，条线纹组成，

22、因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以，莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应。平均效应。v （3）莫尔条纹的变化规律）莫尔条纹的变化规律v 长短两光栅相对移动一个栅距长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间，莫尔条纹移动一个条纹间距距B，即光栅某一固定点的光强按明，即光栅某一固定点的光强按明暗暗明规律交替变化一次。光明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，电元

23、件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。从而也就知道了运动部件的准确位移量。3. 光栅的辨向与信号处理光栅的辨向与信号处理v 在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号，然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可数的电压信号，然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台

24、输出与检测位移成比例的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，如图所示的光栅用了移动的方向，如图所示的光栅用了4个光电元件。每个光电元件相个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（距四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位相差一样，但相位相差1/4周期。根据各光电元件输出信号的相位关周期。根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向。系，就可确定指示光栅移动的方向。v 光栅的特点光栅的特点v 1. 有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级，再经细分电有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级，再经细分电路可以达到路可以达到0.1微米。微米。v