旋轉增量式編碼器性能測試及可靠性檢測

王春楠

（上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233）

旋轉增量式編碼器性能測試及可靠性檢測

王春楠

（上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233）

本文介紹了旋轉增量式編碼器基本性能的檢測方法以及相應不確定度分析，同時也簡單介紹了編碼器在使用比較常見的電磁環境、氣候環境和機械環境等環境模擬測試方法。通過實踐的方式為編碼器的綜合性能指標考核提供了一些參考。

增量式編碼器；分辨率；不確定度；可靠性測試

引言

編碼器（Encoder）是利用光電效應原理，將旋轉位移轉化為電氣信號的一種傳感器。它將被測量進行處理和轉換，使之成電信號形式輸出，方便進行通訊、傳輸和存儲。由于編碼器一般需要通過旋轉來實現功能，因此也稱它為旋轉編碼器[1]。編碼器的應用十分廣泛，主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、距離或計數。

編碼器分為增量脈沖編碼器和絕對脈沖編碼器。增量脈沖編碼器它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。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 旋轉增量式編碼器的組成及工作原理

旋轉增量式編碼器是用來測量轉速和轉向的裝置。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脈沖信號，兩組信號的相位差是90°，通過測量這兩路脈沖信號的參數不僅可以得到旋轉轉速，還可以判斷旋轉的方向。旋轉編碼器將光電發射到光電碼盤，通過碼盤上環形刻線，最終通過接收器讀取得到四組信號為相差90°的相位差的正弦波。如果將其中兩路信號反向再疊加在另外兩相上課起到增強穩定信號的作用。通過相位可以判斷編碼器旋轉的正反，通過Z相脈沖獲得編碼器的零位參考位[2]。

圖1

2 旋轉增量式編碼器的基本技術參數

在增量式編碼器的主要技術指標有：分辨力高低、精度大小、輸出信號的穩定性、響應頻率、信號輸出形式等參數。

2．1 分辨力

增量式編碼器的分辨率是以編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號基本周期數來表示的，即脈沖數/轉（PPR）。編碼器分辨力高低取決于碼盤上的透光縫隙的數目多少，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，與編碼器出廠前加工質量好壞和碼盤機械旋轉制造精細程度高低有關。編碼器的精度最終會影響輸出脈沖信號之間位置準確程度，精度通常用角度、角分或角秒來表示[3]。

2．3 輸出信號的準確度和穩定性

編碼器輸出信號的穩定性是指在實際運行條件下，保持規定精度的能力。除了編碼器加工制造等因素外，溫度和電氣環境的影響會使得編碼器的輸出信號出現偏差，信號也會出現一定的漂移，在設計和使用中都要給予充分考慮。旋轉增量型編碼器常見的輸出信號有方波脈沖和正弦（余弦）波信號兩種[4]，將編碼器安裝在固定轉臺上，電源線通入額定電壓，編碼器在開始旋轉后，信號線會產生如下方波或者正弦波輸出，根據輸出波形參數可判斷編碼器的屬性特征。

2．4 編碼器輸出的響應頻率[5]

響應頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的處理速度。分辨率很高的編碼器，當其轉速很高時，編碼器輸出的信號頻率將會很高。編碼器出廠的分辨率大小決定了其最高轉速，否則會使得輸出波形發生嚴重畸變，編碼器無法常常使用。因此分辨率指標直接影響到最大轉速和響應頻率這兩個指標。分辨率和最高轉速之間的關系如公式（1）所示。

其中，f為編碼器響應頻率，R為編碼器轉速，N為編碼器分辨率

3 編碼器的基本性能測試及不確定度分析

3．1 編碼器輸出信號直流偏置值測試

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

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輸出的技術指標為（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字電壓表原則上都可以滿足測試直流偏置信號的測試。以精度最低的17B為例，它在5 V點和2.5 V點處的最大允差分別為：±0.06 V和±0.016V，按均勻分布估計取因子，B類不確定度分別為：0.035 V和0.009 V。因此可以判斷：電壓表的測量精度對最終結果產生的影響，非常小，可以認為測量結果不確定度主要來源于每次結果的測量重復性，最大可取U=0.1V（k=2）。

3．2 交流輸出峰-峰值測量

交流輸出信號有效值可用高頻電壓表或者示波器測試，由于一般的數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；因此采用高帶寬數字示波器進行交流信號輸出峰-峰值直接測量。

3.2.1交流輸出峰-峰值測量結果A類不確定度的評定：

它主要是由重復測量時不同次讀數帶來的[6]標準不確定度

用數字示波器直接測量10次，所得數據見表1。

3.2.2交流輸出峰-峰值測量結果B類不確定度的評定：

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

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

3.2.3交流輸出峰-峰值測量結果合成不確定度和擴展不確定度：

各輸入量之間相互獨立且不相關，則:

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

3．3 波形時間量測量

編碼器輸出波形需要測試它的半周期和四分之一周期的時間大小（見圖1和圖2中a，b，c，d所示），用數字示波器直接測量最直觀。

3.3.1波形時間測量結果A類不確定度的評定：

它主要是由重復測量時不同次讀數帶來的標準不確定度

用數字示波器直接測量10次，所得數據見表2。

3.3.2波形時間測量結果B類不確定度的評定：

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

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

表1

表2

3.3.3交流輸出峰-峰值測量結果合成不確定度和擴展不確定度：

各輸入量之間相互獨立且不相關，則:

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

4 編碼器的可靠性測試舉例

編碼器僅僅進行基本性能測試還遠遠不夠，編碼器的使用環境遠比我們想象的要復雜，安裝在電梯控制系統中的編碼器會經受電磁環境的影響，受到環境溫濕度等考驗，因此還需要進行一系列電磁環境、氣候環境和振動環境的模擬測試。

4．1 安規類試驗

包括絕緣電阻和耐電壓測試。由于編碼器的使用環境可能會有高電壓等其他原因，此有關絕緣性的測試十分有必要；

4．2 電磁兼容類試驗

包括電壓暫降中斷試驗，靜電放電抗擾度試驗，電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，EMI測試（包括：射頻電磁場輻射抗擾度試驗，射頻場感應傳導騷擾抗擾度試驗，外殼端口輻射發射試驗，傳導發射試驗）等。編碼器是一種傳感器，必然會與其他一些電器配合使用，其工作環境也很可能非常復雜和惡劣，電磁干擾可靠性要盡可能全面測試檢驗。可參考國內國外相對應的專業標準來進行試驗[7]，以產品說明書企業標準作為判據。

4．3 環境可靠性試驗

包括高低溫試驗箱，溫濕度交變循環試驗，隨機振動試驗，正弦振動試驗，包裝跌落試驗，鹽霧試驗和外殼防護試驗[8]。

4．4 HALT 試驗

此試驗是產品設計研發初期發現新產品應力缺陷的有限而快速的試驗方法。相對于一般振動試驗，其可達到的頻率范圍較高，且可實現六自由度振動和快速溫變的綜合。相對于一般環境試驗中的高低溫試驗，其溫變速率快很多。鑒于此試驗方法的優越性，HALT試驗在電子產品設計、研發階段中已被廣泛使用。此試驗分為：試驗夾具設計準備，低溫，高溫，快速溫變循環，振動和溫度與振動綜合應力共6個測試階段。通過模擬編碼器低溫、高溫操作及破壞極限。一般環境試驗的低溫、高溫試驗的極限溫度值是產品技術指標里面來提供，試驗目的是確認樣品在已知極限條件下是否能正常工作[9]。

5 結束語

在如今的電梯等眾多機械設備上以旋轉增量式編碼器作為轉速、位移、線速度和角速度傳感器之實例不勝枚舉[10]。在電梯行業中，編碼器的主要作用是通過每秒的轉數脈沖記錄和反饋給控制柜電梯的運行速度和確認電梯位置。隨著近些年關于電梯（自動扶梯）相關安全規范[11]的出臺也許將對旋轉編碼器的可靠性測試有了新的要求，因為根據標準要求與電梯中的傳感器芯片部分如果與編程相關就需要進行軟件驗證（validation and verification）測試。

[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.單片機控制的光電編碼器測速系統[S].1998.

[4]費偉中,等.增量式光電編碼器計數與接口電路的設計[S].2007.

[5]增量式光電編碼器原理及其結構.

[6] JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S].

[7] IEC 61000:Electromagnetic compatibility Testing and Measurement Techniques和GB 17626電磁兼容試驗和測量技術[S].

[8] GB 2423《電工電子產品基本環境試驗規程》和 GB4208-2008外殼防護等級(IP代碼)[S].

[9]史曉雯,徐劍峰,徐丹. HALT試驗技術綜述.上海工業自動化儀表研究院.2011.

[10]王守信.電梯用編碼器.1998.

[11] GB 16899-2011自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范.

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，主要從事自動化儀器儀表檢測校準工作。