孫佳媛 劉芳芳 馬建敏 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

角度編碼器作為一種常用的高準(zhǔn)確度測量儀器，按工作原理劃分可分為增量型和絕對值型。增量式編碼器是將角度變化轉(zhuǎn)換成周期信號，再把這個信號轉(zhuǎn)化為計算脈沖，用脈沖個數(shù)計算角度數(shù)值。絕對值型角度編碼器的每一個角度位置對應(yīng)一個確定的代碼，因此它的示值只與測量的起止位置有關(guān)，和測量過程無關(guān)。按輸出結(jié)果可劃分為兩個類型，直接輸出角度型和輸出電信號或編碼型。角度編碼器在汽車制造行業(yè)應(yīng)用最為廣泛，準(zhǔn)確校準(zhǔn)角度編碼器的相關(guān)參數(shù)是非常重要的。

1 校準(zhǔn)方法

角度編碼器一般采用與標(biāo)準(zhǔn)角度器件或圓分度儀器比較的方法來校準(zhǔn)。

利用標(biāo)準(zhǔn)角度器件測量時，一般選擇用于細(xì)分角度值的奇數(shù)面正多面棱體，搭配高精度自準(zhǔn)直儀組成測量系統(tǒng)。將角度編碼器的基座固定在平板上，并在同一塊平板上放置自準(zhǔn)直儀。利用軸套和夾具將編碼的轉(zhuǎn)軸和棱體連接在一起，使轉(zhuǎn)軸和棱體的旋轉(zhuǎn)中心同軸并保持同步旋轉(zhuǎn)，不能有間隙和卡頓。調(diào)整自準(zhǔn)直儀的位置，使其光軸通過角度編碼器和棱體的旋轉(zhuǎn)軸并與之垂直。角度編碼器處于零位時，調(diào)整自準(zhǔn)直儀讀數(shù)為零。角度編碼器依次旋轉(zhuǎn)至棱體每個工作面對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)角度位置，通過自準(zhǔn)直儀的讀數(shù)計算角度編碼器的角度誤差。角度編碼器不能承受重物，棱體的自重不能直接施加在角度編碼器上，旋轉(zhuǎn)過程中如何保持同步并精準(zhǔn)地旋轉(zhuǎn)到棱體標(biāo)準(zhǔn)角度的附近位置都是在系統(tǒng)設(shè)計過程中需要解決的問題。

利用圓分度儀器也可校準(zhǔn)角度編碼器的分度誤差。通過夾具將角度編碼器的轉(zhuǎn)軸固定在圓分度儀器的旋轉(zhuǎn)中心，使其順滑、同步旋轉(zhuǎn)，固定角度編碼器的基座。角度編碼器的轉(zhuǎn)軸與基座產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)輸出角度值，與圓分度儀器的示值對比得到角度編碼器的角度誤差。在這種測試方法中，倒置的角度編碼器如何調(diào)整同軸、固定基座的同時不給轉(zhuǎn)軸施加偏向力等都是需要解決的問題。

在日常工作中，及時總結(jié)經(jīng)驗，摸索出一種易于操作的校準(zhǔn)方法。通過測微儀和卡盤將角度編碼器的基座固定在分度頭上，使轉(zhuǎn)軸與分度頭的旋轉(zhuǎn)中心同軸。水平方向放置一臺自準(zhǔn)直儀，使其出射光線的中心經(jīng)過分度頭的轉(zhuǎn)軸并與之垂直。在轉(zhuǎn)軸的側(cè)面或者頂部放置一塊薄量塊，通過追蹤薄量塊的反射像來計算角度編碼器旋轉(zhuǎn)角度。調(diào)節(jié)卡盤的墊腳，使角度編碼器旋轉(zhuǎn)過程中反射像始終位于自準(zhǔn)直儀視場中心附近。調(diào)整分度頭、自準(zhǔn)直儀的位置，使角度編碼器輸出角度值（或電信號值、模擬信號值）為0 時，自準(zhǔn)直儀照準(zhǔn)薄量塊的反射像位于自準(zhǔn)直儀視場的零位，同時分度頭示數(shù)清零。轉(zhuǎn)動角度編碼器轉(zhuǎn)軸到一定的角度，此時薄量塊的反射像已偏離自準(zhǔn)直儀視場，旋轉(zhuǎn)分度頭使得薄量塊的反射像重新位于自準(zhǔn)直儀視場的零位，分度頭和角度編碼器的讀數(shù)差作為角度編碼器的分度誤差。此方法儀器安裝便捷，裝夾過程中引入的誤差較少，測量準(zhǔn)確度滿足要求。可根據(jù)分度頭臺面的安裝孔位置，設(shè)計一些簡單的轉(zhuǎn)動裝置，便于角度編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)過程中的精細(xì)調(diào)整。如果測試過程中無固定點的測試要求，也可以手動旋轉(zhuǎn)角度編碼器轉(zhuǎn)軸，隨機(jī)測試測量范圍內(nèi)的任意測量點。

運用上述方法，測試一臺分度值為0.1°輸出值為角度值的角度編碼器，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖1 角度編碼器測量裝置

表1 角度編碼器測試數(shù)據(jù)

上述方法也可用來測試角度編碼器的線性度，校準(zhǔn)結(jié)果符合校準(zhǔn)不確定度的要求。測試一臺量程為±60°的角度編碼器，測量范圍內(nèi)隨機(jī)采集11 個位置的數(shù)據(jù)，計算角度編碼器輸出值的線性度，兩組數(shù)據(jù)采樣位置不同，計算結(jié)果的變化符合不確定度的要求，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 角度編碼器輸出值的線性度

線性斜率和線性度的計算依據(jù)最小二乘法。包括一個自變量和一個因變量，且兩者的關(guān)系可用一條直線近似表示，屬于一元線性回歸分析。對于一元線性回歸模型，假設(shè)實驗中獲取了n組觀察樣本值（xi，yi）。對于平面中的這n個點，可以使用無數(shù)條曲線來擬合。要求擬合函數(shù)盡可能合理地擬合這組值，使擬合直線處于樣本數(shù)據(jù)的中心位置最合理。擬合函數(shù)模型如下：

yi=αxi+β+ei

式中：ei—— 樣本（xi，yi）的誤差；

α—— 線性斜率

最小二乘法所選擇的擬合函數(shù)模型應(yīng)該使所有觀察值的殘差平方和（即）達(dá)到最小，通過求導(dǎo)數(shù)得到求極值的條件，解得：

根據(jù)xi，yi，α，β，求得線性度γ

2 角度編碼器的應(yīng)用

角度編碼器可以應(yīng)用在生產(chǎn)線上監(jiān)控角度變化量，也可作為標(biāo)準(zhǔn)測試一些角度類儀器。

將高精度角度編碼器與被測角度編碼器的轉(zhuǎn)軸連接同軸，同步、順滑旋轉(zhuǎn)，對比兩個角度編碼器的讀數(shù)從而計算被測角度編碼器的分度誤差。本單位利用高精度角度編碼器建立了一套鉆孔測斜儀校準(zhǔn)裝置。測斜儀廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控、交通與城建巖土工程領(lǐng)域等進(jìn)行原位監(jiān)測。在角度編碼器上連接承載轉(zhuǎn)軸和樣品夾具，用于分離轉(zhuǎn)軸承載的質(zhì)量和連接安裝被測樣品。角度編碼器和鉆孔測斜儀同步旋轉(zhuǎn)，角度編碼器輸出數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，測斜儀的示值為被測值，從而計算出測斜儀的示值誤差。此套測量裝置實現(xiàn)了與分度頭相近的測試能力，準(zhǔn)確度高、成本低，滿足測量要求。

3 結(jié)語

本文提到的角度編碼器校準(zhǔn)方法利用高精度分度頭和自準(zhǔn)直儀組成測量系統(tǒng)，安裝簡便，裝夾過程中引入的隨機(jī)誤差較少，操作方便，測量準(zhǔn)確度滿足角度編碼器的校準(zhǔn)要求。