光電軸角編碼器的檢測方法分析及研究

馬程浩

（常州市測試技術(shù)研究院，江蘇常州，213000）

1 光電軸角編碼器原理分析

編碼器主要是由發(fā)光管、主軸、狹縫、碼盤、接收管、輸出電路等構(gòu)成。在實際運行過程中，需要固定夾縫，主軸會帶動碼盤轉(zhuǎn)動，碼盤和狹縫之間的相對位移會形成莫爾條紋。接收管與發(fā)光管之間相互配合，把摩爾條紋轉(zhuǎn)化成電信號。主軸會轉(zhuǎn)動碼盤光柵的距角，這樣就會讓莫爾條紋信號形成一個轉(zhuǎn)化周期，之后根據(jù)所處理的電路信息進行細(xì)分計算，即可得到編碼器角度位置信息數(shù)據(jù)。

通常情況下，編碼器可以按照碼盤的不同劃分為兩類，即增量式編碼器、絕對式編碼器。其中，增量式編碼器應(yīng)用更加廣泛，市場上大部分編碼器都是增量式工藝。絕對式編碼器也是采用零位固定，所輸出的代碼是角度值的二進制代碼，即使掉電也不會造成數(shù)據(jù)丟失。但是絕對式編碼器生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，并且設(shè)備的體積較大。

2 光電軸角編碼器檢測方法分析

隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對編碼器的精度要求越來越高。編碼器也逐漸朝向高分辨力、小體積、高精度等方面發(fā)展。與此同時，也需要編碼器在角速度、角加速度下保障了精度輸出信息。編碼器檢測誤差主要包括靜態(tài)誤差檢測和動態(tài)誤差檢測。當(dāng)今國內(nèi)外靜態(tài)誤差檢測技術(shù)相對比較成熟，所以動態(tài)檢誤差檢測成為了研究熱點。

2.1 國外提出的檢測方法

現(xiàn)如今，國外發(fā)達國家在編碼器誤差檢測方面處在領(lǐng)先地位，如日本、德國、俄羅斯等。

俄羅斯圣彼得堡大學(xué)在研究動態(tài)誤差中，主要是采用了激光準(zhǔn)直儀、激光環(huán)多面體構(gòu)成。整個檢測系統(tǒng)的精度為0.1”，轉(zhuǎn)速在10轉(zhuǎn)/s，可以實現(xiàn)編碼器的動態(tài)誤差檢測。具相關(guān)實驗調(diào)查結(jié)果顯示，如果編碼器的速度為250rad/s時，則編碼器的誤差在-0.22”～+0.33”范圍之內(nèi)。應(yīng)用該方法試下編碼器的動態(tài)檢測，所檢測的精度非常高，但是整個實驗裝置十分復(fù)雜，需要提供專門的實驗室環(huán)境，無法應(yīng)用到工作現(xiàn)場。

日本國立高級工業(yè)科技研究所也提出了新型的編碼器檢測系統(tǒng)（如圖1），系統(tǒng)中包括無刷直流電機、空氣軸承、基準(zhǔn)編碼器、空氣軸承、支架等。此系統(tǒng)的分辨率精度為0.001”，不確定度為-5”~+5”。該系統(tǒng)主要是適用于在實驗室對單體編碼器進行精度測試。

2.2 國內(nèi)提出的檢測方法

（1）絕對式編碼器檢測

圖1 日本國籍高級工業(yè)科技研究所的檢測系統(tǒng)

當(dāng)今我國在絕對式編碼器的誤差檢測當(dāng)中的主流方法是多面體棱鏡檢測法、高精度編碼器對比檢測方法。多面體棱鏡檢測方法主要是利用多面體和編碼器進行連接，并對多面體、塔差進行調(diào)節(jié)后，采用自準(zhǔn)直儀測量編碼器誤差。由于該方法檢測過程中具有較高的分辨率和精度，所以更加適合應(yīng)用到高分辨率編碼器檢測單重。而編碼器對比檢測則是采用高精度基準(zhǔn)編碼器對低精度編碼器進行檢測的方法。通常高精度編碼器的精度要比低精度編碼器高出3倍以上，這樣才能夠發(fā)揮該方法的作用，因此該方法更加適用于低分辨率精度的小型編碼器檢測中應(yīng)用。但是，這些檢測方法只能夠進行靜態(tài)誤差檢測，并在此基礎(chǔ)上，一些科研單位將設(shè)備上增設(shè)電機，從而實現(xiàn)編碼器誤差的自動檢測。

長春光機所與華南理工大學(xué)聯(lián)合推出編碼器誤差檢測系統(tǒng)（自動），采用了直流電機帶動編碼器和基準(zhǔn)編碼器轉(zhuǎn)動，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理電路獲取誤差信息，同時也能夠傳輸?shù)接嬎銠C中顯示所測量的誤差。長春理工大學(xué)利用了電機帶動多個多面棱體和編碼器轉(zhuǎn)動，把激光準(zhǔn)直儀測量數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接嬎銠C中完成誤差檢測。這兩種方法是采用了直流電動機帶動編碼器轉(zhuǎn)動檢測，但是將轉(zhuǎn)動范圍較為局限，無法實現(xiàn)完整的動態(tài)誤差檢測，檢測點也十分有限。

圖2 成都光電所的誤差檢測設(shè)備

成都光電技術(shù)研究所應(yīng)用了微動螺桿、斜面、正弦杠桿四級縮小理念，可以檢測高分辨率編碼器監(jiān)測（如圖2）。在應(yīng)用該檢測系統(tǒng)時，要把每個測量位置光柵柵距內(nèi)分為8段，并測量四個位置細(xì)分誤差，取得一個最大誤差，之后將誤差細(xì)分成小間隔形式。使用該方法有效對25位編碼器的檢測工作。但是該系統(tǒng)對機械結(jié)構(gòu)要求非常高，檢測環(huán)境苛刻，也容易造成人工讀取誤差問題。

（2）增量式編碼器檢測

對于增量式編碼器檢測來說，我國各個機構(gòu)、高校也進行了深度研究。汕頭大學(xué)提出了一種圓光柵增量編碼器的檢測方法，可以快速得出編碼器精度以及性能參數(shù)。該方法是通過對編碼器個轉(zhuǎn)速范圍中增加輸入信號，從而得出分度精度、頻響、正弦性、正交性、信號周期、脈沖信號占比等各項數(shù)據(jù)。

北京長城計量測試技術(shù)所研制出了一種圓光柵檢測儀，是由空氣軸系、壓縮空氣系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、光柵盤、莫爾條紋系統(tǒng)、信號接受系統(tǒng)等構(gòu)成。整個儀器的核心技術(shù)是高回轉(zhuǎn)精度空氣靜壓軸承和多頭均化技術(shù)，這樣可以大大減少參考盤刻劃誤差影響。與此同時，應(yīng)用計算機來監(jiān)測整個測量流程，并對數(shù)據(jù)信息進行處理，實現(xiàn)檢測的自動化，所測誤差曲線可以通過打印機輸出，光山盤的擴展不確定度為0.08’’。

西安交通大學(xué)采用了一種計量圓光柵動態(tài)檢測技術(shù)，使用該技術(shù)能夠通過計算機軟件可以修正安裝偏離心等誤差問題，而硬件系統(tǒng)主要應(yīng)用了高精度脈沖計算電路，從而大大提高整個系統(tǒng)的測量精度，也避免了在誤差測量中因為人為因素、環(huán)境因素所造成的精度差異。檢測過程中，采用兩個圓光柵同轉(zhuǎn)動互檢形式，利用計算機軟件計量出轉(zhuǎn)角誤差。此方法的待測光柵重復(fù)精度會直接影響的檢測精度，光柵精度和檢測精度成正比。

3 光電軸角編碼器檢測技術(shù)展望

3.1 簡化檢測過程

當(dāng)今大部分檢測方法都需要經(jīng)過十分復(fù)雜的安裝與調(diào)教過程，檢測效率相對較低，通常要對一個編碼器進行誤差檢測需要20-30分鐘，所以提出一種更加簡單的檢測方法勢在必行。

3.2 減少裝置復(fù)雜度，提高適應(yīng)性

當(dāng)今國外所研發(fā)的編碼器誤差檢測都是在非常理想的環(huán)境下展開，如果有外界因素干擾，如今檢測臺出現(xiàn)振動等問題，會提高檢測數(shù)據(jù)的偏離值。并且在實際工作現(xiàn)場，通常都不具備理想的檢測環(huán)境。這就需要研發(fā)出可以適用于實際工作現(xiàn)場的檢測設(shè)備，并且可以保證檢測精度。

3.3 提高檢測精度

由于編碼器的精度不斷提高，這就需要采用精度更高的誤差檢測儀器。提出高精度誤差檢測設(shè)備是確保編碼器精度的基礎(chǔ)。此外，在提高檢裝置誤差同時，也要實現(xiàn)對編碼器全分辨率的檢測，這樣即可全面測量編碼器的誤差。

3.4 進一步研究動態(tài)誤差檢測技術(shù)

從編碼器檢測設(shè)備來說，當(dāng)今國內(nèi)并沒有提出一款較好的動態(tài)誤差檢測設(shè)備，即使部分研究單位提出了動態(tài)誤差檢測設(shè)備，但無法良好的反應(yīng)編碼器在各個速度下的特性，導(dǎo)致動態(tài)誤差存在著一定局限性。國外動態(tài)檢測誤差的設(shè)備造價十分昂貴，并且也沒有達到理想的狀態(tài)，不適合國內(nèi)使用。因此，我國在對動態(tài)誤差檢測中需要加大研究力度，也是誤差檢測技術(shù)今后研究的重要課題。

4 結(jié)束語

光電軸角編碼器是一種光、機、電為一體的角度位置傳感器，在當(dāng)今各個高精度工業(yè)領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。由于編碼器存在一定的測量誤差，這就需要加強誤差檢測技術(shù)的研究力度，完善編碼器性能。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，編碼器誤差檢測技術(shù)勢必也將更加完善。