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

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

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據丟失。但是絕對式編碼器生產工藝十分復雜，并且設備的體積較大。

2 光電軸角編碼器檢測方法分析

隨著我國科學技術不斷發展，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誤差檢測和動態誤差檢測。當今國內外靜態誤差檢測技術相對比較成熟，所以動態檢誤差檢測成為了研究熱點。

2.1 國外提出的檢測方法

現如今，國外發達國家在編碼器誤差檢測方面處在領先地位，如日本、德國、俄羅斯等。

俄羅斯圣彼得堡大學在研究動態誤差中，主要是采用了激光準直儀、激光環多面體構成。整個檢測系統的精度為0.1”，轉速在10轉/s，可以實現編碼器的動態誤差檢測。具相關實驗調查結果顯示，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。應用該方法試下編碼器的動態檢測，所檢測的精度非常高，但是整個實驗裝置十分復雜，需要提供專門的實驗室環境，無法應用到工作現場。

日本國立高級工業科技研究所也提出了新型的編碼器檢測系統（如圖1），系統中包括無刷直流電機、空氣軸承、基準編碼器、空氣軸承、支架等。此系統的分辨率精度為0.001”，不確定度為-5”~+5”。該系統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 日本國籍高級工業科技研究所的檢測系統

當今我國在絕對式編碼器的誤差檢測當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、塔差進行調節后，采用自準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用。但是，這些檢測方法只能夠進行靜態誤差檢測，并在此基礎上，一些科研單位將設備上增設電機，從而實現編碼器誤差的自動檢測。

長春光機所與華南理工大學聯合推出編碼器誤差檢測系統（自動），采用了直流電機帶動編碼器和基準編碼器轉動，應用數據處理電路獲取誤差信息，同時也能夠傳輸到計算機中顯示所測量的誤差。長春理工大學利用了電機帶動多個多面棱體和編碼器轉動，把激光準直儀測量數據直接傳輸到計算機中完成誤差檢測。這兩種方法是采用了直流電動機帶動編碼器轉動檢測，但是將轉動范圍較為局限，無法實現完整的動態誤差檢測，檢測點也十分有限。

圖2 成都光電所的誤差檢測設備

成都光電技術研究所應用了微動螺桿、斜面、正弦杠桿四級縮小理念，可以檢測高分辨率編碼器監測（如圖2）。在應用該檢測系統時，要把每個測量位置光柵柵距內分為8段，并測量四個位置細分誤差，取得一個最大誤差，之后將誤差細分成小間隔形式。使用該方法有效對25位編碼器的檢測工作。但是該系統對機械結構要求非常高，檢測環境苛刻，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、高校也進行了深度研究。汕頭大學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。該方法是通過對編碼器個轉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據。

北京長城計量測試技術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、驅動系統、光柵盤、莫爾條紋系統、信號接受系統等構成。整個儀器的核心技術是高回轉精度空氣靜壓軸承和多頭均化技術，這樣可以大大減少參考盤刻劃誤差影響。與此同時，應用計算機來監測整個測量流程，并對數據信息進行處理，實現檢測的自動化，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’’。

西安交通大學采用了一種計量圓光柵動態檢測技術，使用該技術能夠通過計算機軟件可以修正安裝偏離心等誤差問題，而硬件系統主要應用了高精度脈沖計算電路，從而大大提高整個系統的測量精度，也避免了在誤差測量中因為人為因素、環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動互檢形式，利用計算機軟件計量出轉角誤差。此方法的待測光柵重復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展望

3.1 簡化檢測過程

當今大部分檢測方法都需要經過十分復雜的安裝與調教過程，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 減少裝置復雜度，提高適應性

當今國外所研發的編碼器誤差檢測都是在非常理想的環境下展開，如果有外界因素干擾，如今檢測臺出現振動等問題，會提高檢測數據的偏離值。并且在實際工作現場，通常都不具備理想的檢測環境。這就需要研發出可以適用于實際工作現場的檢測設備，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備是確保編碼器精度的基礎。此外，在提高檢裝置誤差同時，也要實現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 進一步研究動態誤差檢測技術

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

4 結束語

光電軸角編碼器是一種光、機、電為一體的角度位置傳感器，在當今各個高精度工業領域都有著十分廣泛的應用。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的研究力度，完善編碼器性能。在科學技術不斷發展的背景下，編碼器誤差檢測技術勢必也將更加完善。