編碼器在醫療設備機械伺服系統中的應用和維護

郝濤

湖北文理學院附屬襄陽市中心醫院 設備處，湖北 襄陽 441021

編碼器是一種檢測機械運動狀態的傳感器，在自動控制領域的應用非常廣泛?，F代醫療設備復雜的機械運動，對診斷、治療及安全有著較大的影響，需要有精確的控制，因此運動狀態的檢測在醫療設備伺服系統中十分重要。很多醫療設備生產廠家使用高精度的編碼器來檢測機械運動的變量，甚至與電機一起做到緊密集成，渾然一體，系統能根據編碼器單元檢測出電機的轉子位置、速度、角度等變量，來達到控制機械運動的目的。醫院的工程師在面對此類集成系統時，如果能對其原理和結構有著相當的了解，就可以采用合適的方法和工具對其進行檢測和維修，能達到事半功倍的效果。

1 編碼器原理及分類

編碼器是把角位移或直線位移轉換成電信號的一種傳感器，主要用來偵測機械運動的速度、位置、角度、距離以及計數[1-2]，許多電機控制系統如伺服電機均需配備編碼器以供電機控制器作為機械運動狀態的測量。本文根據檢測原理，主要介紹應用較多的兩類編碼器——光電式和磁電式編碼器。

1.1 光電編碼器

光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，目前應用最多。光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是一個等分的若干個長方形孔的圓板（光電碼盤），與電動機同軸。當電動機旋轉時，光柵盤與電動機同步旋轉，經發光二極管、光敏管等電子元件組成的檢測裝置輸出若干脈沖信號，其原理示意圖，見圖1。可通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數反映當前電動機的轉速。而且，為判斷旋轉方向，光電碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號[3-4]。

1.2 磁電式編碼器

磁電式編碼器是一種新型的角度或位移測量裝置，見圖2。其采用磁電式設計，通過磁感應器件（磁阻或霍爾元件）利用磁場的變化來測量磁性材料的角度或位移。磁性材料角度或位移的變化會引起電阻或電壓的改變，編碼器通過放大電路對變化量進行放大，再通過單片機處理后輸出脈沖信號或模擬量信號，達到測量目的。

1.3 光電式和磁電式編碼器的特性

光電編碼器通過在碼盤上刻線來計算精度，所以精度越高，碼盤就越大，編碼器體積也就越大，但信號不連續。而磁電式編碼器利用磁敏器件代替傳統的光柵盤，相對于光電編碼器，磁電式編碼器體積小、精度高、更抗震、耐腐蝕、耐污染、寬溫度、性能可靠性高、結構更簡單，彌補了光電編碼器的缺陷，可應用于傳統光電編碼器不適用的領域。

2 編碼器的應用

2.1 角度測量

很多醫療影像設備的采集系統通過在電機傳動部分安裝具有一定傳動比的編碼器來檢測光學采集單元的旋轉角度。如西門子的血管機和胃腸機系列選用磁電式編碼器作傳感器。

2.2 長度測量

長度測量的方式有：① 聯軸直測，與驅動直線位移的動力裝置的主軸聯軸，通過輸出脈沖數計量長度；② 介質檢測，在直齒條、轉動鏈條的鏈輪、同步帶輪等來傳遞直線位移信息。典型應用有Draeger公司的Fabius CE麻醉機在活塞驅動電機的末端安裝光電式編碼器來檢測活塞的運動行程。

2.3 速度測量

測量電機、轉軸的線速度、角速度?？逻_CR系統的IP板掃描控制電機的速度控制應用了光電式編碼器。西門子AR系列螺旋CT也采用光電編碼器檢測機架的旋轉角度和速度。

2.4 位置測量

記憶電機在各個坐標點的坐標位置，如X光設備的準直器collimator控制電機與編碼器一體化，可以控制collimator在某個位置進行指定動作。

3 案例分析

由以上原理及結構可知編碼器是將模擬信號編碼成二進制的數字信號脈沖，來達到測量目的，而示波器能直觀地反映其輸出信號的頻率和幅度，所以要檢查編碼器的工作狀態，示波器是較好的選擇。

3.1 故障一

3.1.1 故障現象

柯達900CR掃描圖像有橫向水平偽影。

3.1.2 故障分析

柯達900及850系列CR通過激光掃描裝置對IP板進行逐行掃描來獲取原始影像，為了保證圖像質量的一致性和預置位置點的機械配合，系統對IP板掃描電機的要求是勻速并精確可控。CR900設計了SLOW SCAN（慢掃描）裝置，由電機連接絲桿帶動IP板在掃描區域勻速運動。在SLOW SCAN電機的最下端，使用光電編碼器聯動來測量電機的轉速、行程及方向等，并傳輸給控制板A6來控制電機的運動[5-6]。

3.1.3 故障檢修

進入維修模式做SLOW SCAN測試程序，發現電流及速度幅值圖與標準圖形明顯不同，可確定是SLOW SCAN電機或伺服控制系統故障。把SLOW SCAN電機連同絲桿、編碼器一起拆下，發現絲桿的油泥很厚，電機運動的部分行程阻尼較大；而且考慮到編碼器在電機的最下面水平放置，很容易受到灰塵、濕氣的污染，拆開編碼器，發現碼盤及光電發送接收部分都很臟，已經嚴重影響了光電脈沖的正常輸出。

對編碼器碼盤和發光二極管、光敏管進行清潔，保證脈沖的正常輸出，并清除電機絲桿的油泥，再作SLOW SCAN的電流及速度測試，幅值圖符合標準，作正常掃描，圖像偽影消失。

3.2 故障二

3.2.1 故障現象

西門子FA型血管機的機架在切換檢查體位時，圖像垂直方向偏離約30°，手動調整縮光器（Collimator），圖像也無法回正。

3.2.2 故障分析

該機的Collimator設計思路是始終與CCD攝像機同步，無論攝像機處于何種角度，Collimator都能與之保持正確的成像位置。在兩者同步運動的過程中，攝像單元旋轉電機的實時位置及轉速、方向等變量由編碼器測得，并與Collimator的編碼器測量值相比較，形成閉環控制。如果編碼器出現故障將導致Collimator和攝像機無法同步，成像位置偏離。該機攝像單元運動電機與磁電式編碼器是一體化集成設計，其輸出圖，見圖3。

圖3 磁電編碼器IE2-128輸出信號波形

3.2.3 故障檢修

首先，進入維修模式下的位置檢測程序觀測伺服電機的各項傳感器的輸出值變化。發現在機架轉動的過程中，攝像機編碼器數值始終沒有變化，而與之同步的Collimator編碼器輸出值則連續可變，可能原因是：① 編碼器無輸出；② 處理單元MCU板故障。經查資料，該編碼器輸出為兩路方波脈沖，頻率約為20 kHz。因此采用示波器測量可盡快鎖定故障點。

先測得電機編碼器的4腳Vdd電壓為5 V，然后將示波器的兩路輸入端子分別接在編碼器的兩路輸出腳，在反復手動旋轉攝像機的情況下觀察示波器，均無法測得圖3所示的方波波形，因此可判定該編碼器已損壞，拆開該編碼器后發現霍爾元件損壞。更換該編碼器并做校正后故障排除。

4 小結

編碼器在醫療設備的機械伺服系統中發揮著至關重要的作用，未來將向著高精度、集成化、小型化、非接觸和網絡化數據傳送的方向發展，對環境的適應性也更強，所以有必要充分了解編碼器的原理和特性，在做好相關理論儲備的情況下，可以使我們對各類精密控制設備中的電機及編碼器維護工作更加高效，在故障處理中達到元件級維護。

[1]于躍深.淺談Kubler編碼器在西門子Profibus-DP總線中的應用[J].中國新技術新產品,2012,(6):7.

[2]王鵬.編碼器的原理特性及應用[J].重工與起重技術,2011,(3):20-22.

[3]皮光宇.淺談光電編碼器在提升機電控系統中的應用[J].礦山機械,2009,(5):102-103.

[4]姜義.光電編碼器的原理與應用[J].機床電器,2010,37(2):25-28.

[5]周軍.CR950 ERROR 14008的維修[J].臨床放射學雜志,2009,28(8):1112.

[6]董海斌.10例CR-950系統的保養及故障維修[J].中國醫療設備,2011,26(8):139.