王春楠

（上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233）

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器性能測(cè)試及可靠性檢測(cè)

王春楠

（上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233）

本文介紹了旋轉(zhuǎn)增量式編碼器基本性能的檢測(cè)方法以及相應(yīng)不確定度分析，同時(shí)也簡(jiǎn)單介紹了編碼器在使用比較常見的電磁環(huán)境、氣候環(huán)境和機(jī)械環(huán)境等環(huán)境模擬測(cè)試方法。通過實(shí)踐的方式為編碼器的綜合性能指標(biāo)考核提供了一些參考。

增量式編碼器；分辨率；不確定度；可靠性測(cè)試

引言

編碼器（Encoder）是利用光電效應(yīng)原理，將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)化為電氣信號(hào)的一種傳感器。它將被測(cè)量進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，使之成電信號(hào)形式輸出，方便進(jìn)行通訊、傳輸和存儲(chǔ)。由于編碼器一般需要通過旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)功能，因此也稱它為旋轉(zhuǎn)編碼器[1]。編碼器的應(yīng)用十分廣泛，主要用來檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、距離或計(jì)數(shù)。

編碼器分為增量脈沖編碼器和絕對(duì)脈沖編碼器。增量脈沖編碼器它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)。編碼器按連接方式又可分為軸型編碼器和軸套型編碼器。

1 旋轉(zhuǎn)增量式編碼器的組成及工作原理

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器是用來測(cè)量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的裝置。有的編碼器是單路輸出一組脈沖，有的編碼器是雙路輸出兩個(gè)脈沖信號(hào)，兩組信號(hào)的相位差是90°，通過測(cè)量這兩路脈沖信號(hào)的參數(shù)不僅可以得到旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。旋轉(zhuǎn)編碼器將光電發(fā)射到光電碼盤，通過碼盤上環(huán)形刻線，最終通過接收器讀取得到四組信號(hào)為相差90°的相位差的正弦波。如果將其中兩路信號(hào)反向再疊加在另外兩相上課起到增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)的作用。通過相位可以判斷編碼器旋轉(zhuǎn)的正反，通過Z相脈沖獲得編碼器的零位參考位[2]。

圖1

2 旋轉(zhuǎn)增量式編碼器的基本技術(shù)參數(shù)

在增量式編碼器的主要技術(shù)指標(biāo)有：分辨力高低、精度大小、輸出信號(hào)的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、信號(hào)輸出形式等參數(shù)。

2．1 分辨力

增量式編碼器的分辨率是以編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)來表示的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（PPR）。編碼器分辨力高低取決于碼盤上的透光縫隙的數(shù)目多少，編碼器的分辨率就越高，則碼盤上刻的縫隙越多。

2．2 精度

增量式編碼器的精度與分辨力完全無關(guān)，與編碼器出廠前加工質(zhì)量好壞和碼盤機(jī)械旋轉(zhuǎn)制造精細(xì)程度高低有關(guān)。編碼器的精度最終會(huì)影響輸出脈沖信號(hào)之間位置準(zhǔn)確程度，精度通常用角度、角分或角秒來表示[3]。

2．3 輸出信號(hào)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性

編碼器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性是指在實(shí)際運(yùn)行條件下，保持規(guī)定精度的能力。除了編碼器加工制造等因素外，溫度和電氣環(huán)境的影響會(huì)使得編碼器的輸出信號(hào)出現(xiàn)偏差，信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)一定的漂移，在設(shè)計(jì)和使用中都要給予充分考慮。旋轉(zhuǎn)增量型編碼器常見的輸出信號(hào)有方波脈沖和正弦（余弦）波信號(hào)兩種[4]，將編碼器安裝在固定轉(zhuǎn)臺(tái)上，電源線通入額定電壓，編碼器在開始旋轉(zhuǎn)后，信號(hào)線會(huì)產(chǎn)生如下方波或者正弦波輸出，根據(jù)輸出波形參數(shù)可判斷編碼器的屬性特征。

2．4 編碼器輸出的響應(yīng)頻率[5]

響應(yīng)頻率取決于光電檢測(cè)器件、電子處理線路的處理速度。分辨率很高的編碼器，當(dāng)其轉(zhuǎn)速很高時(shí)，編碼器輸出的信號(hào)頻率將會(huì)很高。編碼器出廠的分辨率大小決定了其最高轉(zhuǎn)速，否則會(huì)使得輸出波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，編碼器無法常常使用。因此分辨率指標(biāo)直接影響到最大轉(zhuǎn)速和響應(yīng)頻率這兩個(gè)指標(biāo)。分辨率和最高轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如公式（1）所示。

其中，f為編碼器響應(yīng)頻率，R為編碼器轉(zhuǎn)速，N為編碼器分辨率

3 編碼器的基本性能測(cè)試及不確定度分析

3．1 編碼器輸出信號(hào)直流偏置值測(cè)試

鑒于直流電壓測(cè)量方法種類很多，而且準(zhǔn)確度通常都很高，所以作者以常用的六位半數(shù)字多用表和三位半的手持式數(shù)字萬用表測(cè)量為例。典型的34401A型六位半數(shù)字多用表一般在（1～10）V范圍的準(zhǔn)確度可達(dá)±0.005%；而精度遜于六位半數(shù)表的三位半手持式萬用表17B在（1～10）V范圍的準(zhǔn)確度也能達(dá)到±2%以內(nèi)。

圖2 編碼器方波輸出

圖3 編碼器正弦波輸出

一般編碼器直流偏置信號(hào)輸出的技術(shù)指標(biāo)為（5±0.5）V或（2.5±0.3）V，約為輸出值的10%左右，因此不低于三位半的數(shù)字電壓表原則上都可以滿足測(cè)試直流偏置信號(hào)的測(cè)試。以精度最低的17B為例，它在5 V點(diǎn)和2.5 V點(diǎn)處的最大允差分別為：±0.06 V和±0.016V，按均勻分布估計(jì)取因子，B類不確定度分別為：0.035 V和0.009 V。因此可以判斷：電壓表的測(cè)量精度對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生的影響，非常小，可以認(rèn)為測(cè)量結(jié)果不確定度主要來源于每次結(jié)果的測(cè)量重復(fù)性，最大可取U=0.1V（k=2）。

3．2 交流輸出峰-峰值測(cè)量

交流輸出信號(hào)有效值可用高頻電壓表或者示波器測(cè)試，由于一般的數(shù)字電壓表的頻率帶寬無法覆蓋到編碼器交流輸出電壓頻率；因此采用高帶寬數(shù)字示波器進(jìn)行交流信號(hào)輸出峰-峰值直接測(cè)量。

3.2.1交流輸出峰-峰值測(cè)量結(jié)果A類不確定度的評(píng)定：

它主要是由重復(fù)測(cè)量時(shí)不同次讀數(shù)帶來的[6]標(biāo)準(zhǔn)不確定度

用數(shù)字示波器直接測(cè)量10次，所得數(shù)據(jù)見表1。

3.2.2交流輸出峰-峰值測(cè)量結(jié)果B類不確定度的評(píng)定：

1）由垂直幅度測(cè)量誤差引起的不確定度：以DPO 3014數(shù)字示波器為例，它在垂直幅度測(cè)量100mV/div處的精度為±1.5 %，按均勻分布估計(jì)取因子，B類不確定度為：uB1=9.0mV；

2）由垂直幅度測(cè)量分辨率引起的不確定度：測(cè)量分辨率和檔位設(shè)置有關(guān)，DPO3014數(shù)字示波器在100 mV/div處的分辨率為2 mV,為檔位設(shè)置值的2 %，按均勻分布估計(jì)取因子，B類不確定度為：uB2=1.15 mV；

3.2.3交流輸出峰-峰值測(cè)量結(jié)果合成不確定度和擴(kuò)展不確定度：

各輸入量之間相互獨(dú)立且不相關(guān)，則:

取置信概率p=95 %，擴(kuò)展不確定度，U95= k95×u合=2.0×9.4=19 mV，U95rel=19/500×100 %=3.8 %；（k=2）

3．3 波形時(shí)間量測(cè)量

編碼器輸出波形需要測(cè)試它的半周期和四分之一周期的時(shí)間大?。ㄒ妶D1和圖2中a，b，c，d所示），用數(shù)字示波器直接測(cè)量最直觀。

3.3.1波形時(shí)間測(cè)量結(jié)果A類不確定度的評(píng)定：

它主要是由重復(fù)測(cè)量時(shí)不同次讀數(shù)帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

用數(shù)字示波器直接測(cè)量10次，所得數(shù)據(jù)見表2。

3.3.2波形時(shí)間測(cè)量結(jié)果B類不確定度的評(píng)定：

1）由水平時(shí)間測(cè)量誤差引起的不確定度：以DPO3014數(shù)字示波器為例，它在水平時(shí)間測(cè)量精度為±10 ppm，按均勻分布估計(jì)取因子，B類不確定度為：uB1=5.8 ppm；

2）由水平時(shí)間測(cè)量分辨率引起的不確定度：測(cè)量分辨率和檔位設(shè)置有關(guān)，DPO3014數(shù)字示波器在4 μs /div處的分辨率為0.04μs,為檔位設(shè)置值的1%，按均勻分布估計(jì)取因子k=，B類不確定度為：uB2=0.023μs；

表1

表2

3.3.3交流輸出峰-峰值測(cè)量結(jié)果合成不確定度和擴(kuò)展不確定度：

各輸入量之間相互獨(dú)立且不相關(guān)，則:

取置信概率p=95%,擴(kuò)展不確定度， U95= k95×u合=2.0×0.048=0.1μs，U95rel=0.1/8×100%=1.2%；（k=2）

4 編碼器的可靠性測(cè)試舉例

編碼器僅僅進(jìn)行基本性能測(cè)試還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，編碼器的使用環(huán)境遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜，安裝在電梯控制系統(tǒng)中的編碼器會(huì)經(jīng)受電磁環(huán)境的影響，受到環(huán)境溫濕度等考驗(yàn)，因此還需要進(jìn)行一系列電磁環(huán)境、氣候環(huán)境和振動(dòng)環(huán)境的模擬測(cè)試。

4．1 安規(guī)類試驗(yàn)

包括絕緣電阻和耐電壓測(cè)試。由于編碼器的使用環(huán)境可能會(huì)有高電壓等其他原因，此有關(guān)絕緣性的測(cè)試十分有必要；

4．2 電磁兼容類試驗(yàn)

包括電壓暫降中斷試驗(yàn)，靜電放電抗擾度試驗(yàn)，電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)，EMI測(cè)試（包括：射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)，射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)，外殼端口輻射發(fā)射試驗(yàn)，傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)）等。編碼器是一種傳感器，必然會(huì)與其他一些電器配合使用，其工作環(huán)境也很可能非常復(fù)雜和惡劣，電磁干擾可靠性要盡可能全面測(cè)試檢驗(yàn)?？蓞⒖紘?guó)內(nèi)國(guó)外相對(duì)應(yīng)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行試驗(yàn)[7]，以產(chǎn)品說明書企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為判據(jù)。

4．3 環(huán)境可靠性試驗(yàn)

包括高低溫試驗(yàn)箱，溫濕度交變循環(huán)試驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，正弦振動(dòng)試驗(yàn)，包裝跌落試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)和外殼防護(hù)試驗(yàn)[8]。

4．4 HALT 試驗(yàn)

此試驗(yàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)初期發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品應(yīng)力缺陷的有限而快速的試驗(yàn)方法。相對(duì)于一般振動(dòng)試驗(yàn)，其可達(dá)到的頻率范圍較高，且可實(shí)現(xiàn)六自由度振動(dòng)和快速溫變的綜合。相對(duì)于一般環(huán)境試驗(yàn)中的高低溫試驗(yàn)，其溫變速率快很多。鑒于此試驗(yàn)方法的優(yōu)越性，HALT試驗(yàn)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)階段中已被廣泛使用。此試驗(yàn)分為：試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)備，低溫，高溫，快速溫變循環(huán)，振動(dòng)和溫度與振動(dòng)綜合應(yīng)力共6個(gè)測(cè)試階段。通過模擬編碼器低溫、高溫操作及破壞極限。一般環(huán)境試驗(yàn)的低溫、高溫試驗(yàn)的極限溫度值是產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)里面來提供，試驗(yàn)?zāi)康氖谴_認(rèn)樣品在已知極限條件下是否能正常工作[9]。

5 結(jié)束語

在如今的電梯等眾多機(jī)械設(shè)備上以旋轉(zhuǎn)增量式編碼器作為轉(zhuǎn)速、位移、線速度和角速度傳感器之實(shí)例不勝枚舉[10]。在電梯行業(yè)中，編碼器的主要作用是通過每秒的轉(zhuǎn)數(shù)脈沖記錄和反饋給控制柜電梯的運(yùn)行速度和確認(rèn)電梯位置。隨著近些年關(guān)于電梯（自動(dòng)扶梯）相關(guān)安全規(guī)范[11]的出臺(tái)也許將對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的可靠性測(cè)試有了新的要求，因?yàn)楦鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)要求與電梯中的傳感器芯片部分如果與編程相關(guān)就需要進(jìn)行軟件驗(yàn)證（validation and verification）測(cè)試。

[1]Tyw.光電編碼器.2010.03.10.

[2] www.elecfans.com, 2010.光電編碼器的工作原理分析來源[Z].

[3]湯鴻來,等.單片機(jī)控制的光電編碼器測(cè)速系統(tǒng)[S].1998.

[4]費(fèi)偉中,等.增量式光電編碼器計(jì)數(shù)與接口電路的設(shè)計(jì)[S].2007.

[5]增量式光電編碼器原理及其結(jié)構(gòu).

[6] JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].

[7] IEC 61000:Electromagnetic compatibility Testing and Measurement Techniques和GB 17626電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)[S].

[8] GB 2423《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程》和 GB4208-2008外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)[S].

[9]史曉雯,徐劍峰,徐丹. HALT試驗(yàn)技術(shù)綜述.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院.2011.

[10]王守信.電梯用編碼器.1998.

[11] GB 16899-2011自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范.

Performance and Reliability Testing of Rotate Incremental Encoder

WANG Chun-nan
(Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation, Shanghai 200233)

This paper introduces test method of Rotate Incremental Encoder’s fundamental characteristics and relevant uncertainty analysis. Meanwhile, this text also introduces usage of encoder within the common electromagnetic environment, climatic environment, mechanical environment and so on. By practical mode, this text provides encoder’s overall performance index for suggestion.

incremental encoder; resolution ratio; uncertainty; reliability testing

TM93

A

1004-7204(2017)04-0070-04

王春楠，男，1982年生，工程碩士，主要從事自動(dòng)化儀器儀表檢測(cè)校準(zhǔn)工作。