旋转增量式编码器性能测试及可靠性检测

王春楠

（上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233）

旋转增量式编码器性能测试及可靠性检测

王春楠

（上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233）

本文介绍了旋转增量式编码器基本性能的检测方法以及相应不确定度分析，同时也简单介绍了编码器在使用比较常见的电磁环境、气候环境和机械环境等环境模拟测试方法。通过实践的方式为编码器的综合性能指标考核提供了一些参考。

增量式编码器；分辨率；不确定度；可靠性测试

引言

编码器（Encoder）是利用光电效应原理，将旋转位移转化为电气信号的一种传感器。它将被测量进行处理和转换，使之成电信号形式输出，方便进行通讯、传输和存储。由于编码器一般需要通过旋转来实现功能，因此也称它为旋转编码器[1]。编码器的应用十分广泛，主要用来检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数。

编码器分为增量脉冲编码器和绝对脉冲编码器。增量脉冲编码器它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。编码器按连接方式又可分为轴型编码器和轴套型编码器。

1 旋转增量式编码器的组成及工作原理

旋转增量式编码器是用来测量转速和转向的装置。有的编码器是单路输出一组脉冲，有的编码器是双路输出两个脉冲信号，两组信号的相位差是90°，通过测量这两路脉冲信号的参数不仅可以得到旋转转速，还可以判断旋转的方向。旋转编码器将光电发射到光电码盘，通过码盘上环形刻线，最终通过接收器读取得到四组信号为相差90°的相位差的正弦波。如果将其中两路信号反向再叠加在另外两相上课起到增强稳定信号的作用。通过相位可以判断编码器旋转的正反，通过Z相脉冲获得编码器的零位参考位[2]。

图1

2 旋转增量式编码器的基本技术参数

在增量式编码器的主要技术指标有：分辨力高低、精度大小、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式等参数。

2．1 分辨力

增量式编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。编码器分辨力高低取决于码盘上的透光缝隙的数目多少，编码器的分辨率就越高，则码盘上刻的缝隙越多。

2．2 精度

增量式编码器的精度与分辨力完全无关，与编码器出厂前加工质量好坏和码盘机械旋转制造精细程度高低有关。编码器的精度最终会影响输出脉冲信号之间位置准确程度，精度通常用角度、角分或角秒来表示[3]。

2．3 输出信号的准确度和稳定性

编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。除了编码器加工制造等因素外，温度和电气环境的影响会使得编码器的输出信号出现偏差，信号也会出现一定的漂移，在设计和使用中都要给予充分考虑。旋转增量型编码器常见的输出信号有方波脉冲和正弦（余弦）波信号两种[4]，将编码器安装在固定转台上，电源线通入额定电压，编码器在开始旋转后，信号线会产生如下方波或者正弦波输出，根据输出波形参数可判断编码器的属性特征。

2．4 编码器输出的响应频率[5]

响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的处理速度。分辨率很高的编码器，当其转速很高时，编码器输出的信号频率将会很高。编码器出厂的分辨率大小决定了其最高转速，否则会使得输出波形发生严重畸变，编码器无法常常使用。因此分辨率指标直接影响到最大转速和响应频率这两个指标。分辨率和最高转速之间的关系如公式（1）所示。

其中，f为编码器响应频率，R为编码器转速，N为编码器分辨率

3 编码器的基本性能测试及不确定度分析

3．1 编码器输出信号直流偏置值测试

鉴于直流电压测量方法种类很多，而且准确度通常都很高，所以作者以常用的六位半数字多用表和三位半的手持式数字万用表测量为例。典型的34401A型六位半数字多用表一般在（1～10）V范围的准确度可达±0.005%；而精度逊于六位半数表的三位半手持式万用表17B在（1～10）V范围的准确度也能达到±2%以内。

图2 编码器方波输出

图3 编码器正弦波输出

一般编码器直流偏置信号输出的技术指标为（5±0.5）V或（2.5±0.3）V，约为输出值的10%左右，因此不低于三位半的数字电压表原则上都可以满足测试直流偏置信号的测试。以精度最低的17B为例，它在5 V点和2.5 V点处的最大允差分别为：±0.06 V和±0.016V，按均匀分布估计取因子，B类不确定度分别为：0.035 V和0.009 V。因此可以判断：电压表的测量精度对最终结果产生的影响，非常小，可以认为测量结果不确定度主要来源于每次结果的测量重复性，最大可取U=0.1V（k=2）。

3．2 交流输出峰-峰值测量

交流输出信号有效值可用高频电压表或者示波器测试，由于一般的数字电压表的频率带宽无法覆盖到编码器交流输出电压频率；因此采用高带宽数字示波器进行交流信号输出峰-峰值直接测量。

3.2.1交流输出峰-峰值测量结果A类不确定度的评定：

它主要是由重复测量时不同次读数带来的[6]标准不确定度

用数字示波器直接测量10次，所得数据见表1。

3.2.2交流输出峰-峰值测量结果B类不确定度的评定：

1）由垂直幅度测量误差引起的不确定度：以DPO 3014数字示波器为例，它在垂直幅度测量100mV/div处的精度为±1.5 %，按均匀分布估计取因子，B类不确定度为：uB1=9.0mV；

2）由垂直幅度测量分辨率引起的不确定度：测量分辨率和档位设置有关，DPO3014数字示波器在100 mV/div处的分辨率为2 mV,为档位设置值的2 %，按均匀分布估计取因子，B类不确定度为：uB2=1.15 mV；

3.2.3交流输出峰-峰值测量结果合成不确定度和扩展不确定度：

各输入量之间相互独立且不相关，则:

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

3．3 波形时间量测量

编码器输出波形需要测试它的半周期和四分之一周期的时间大小（见图1和图2中a，b，c，d所示），用数字示波器直接测量最直观。

3.3.1波形时间测量结果A类不确定度的评定：

它主要是由重复测量时不同次读数带来的标准不确定度

用数字示波器直接测量10次，所得数据见表2。

3.3.2波形时间测量结果B类不确定度的评定：

1）由水平时间测量误差引起的不确定度：以DPO3014数字示波器为例，它在水平时间测量精度为±10 ppm，按均匀分布估计取因子，B类不确定度为：uB1=5.8 ppm；

2）由水平时间测量分辨率引起的不确定度：测量分辨率和档位设置有关，DPO3014数字示波器在4 μs /div处的分辨率为0.04μs,为档位设置值的1%，按均匀分布估计取因子k=，B类不确定度为：uB2=0.023μs；

表1

表2

3.3.3交流输出峰-峰值测量结果合成不确定度和扩展不确定度：

各输入量之间相互独立且不相关，则:

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

4 编码器的可靠性测试举例

编码器仅仅进行基本性能测试还远远不够，编码器的使用环境远比我们想象的要复杂，安装在电梯控制系统中的编码器会经受电磁环境的影响，受到环境温湿度等考验，因此还需要进行一系列电磁环境、气候环境和振动环境的模拟测试。

4．1 安规类试验

包括绝缘电阻和耐电压测试。由于编码器的使用环境可能会有高电压等其他原因，此有关绝缘性的测试十分有必要；

4．2 电磁兼容类试验

包括电压暂降中断试验，静电放电抗扰度试验，电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，EMI测试（包括：射频电磁场辐射抗扰度试验，射频场感应传导骚扰抗扰度试验，外壳端口辐射发射试验，传导发射试验）等。编码器是一种传感器，必然会与其他一些电器配合使用，其工作环境也很可能非常复杂和恶劣，电磁干扰可靠性要尽可能全面测试检验。可参考国内国外相对应的专业标准来进行试验[7]，以产品说明书企业标准作为判据。

4．3 环境可靠性试验

包括高低温试验箱，温湿度交变循环试验，随机振动试验，正弦振动试验，包装跌落试验，盐雾试验和外壳防护试验[8]。

4．4 HALT 试验

此试验是产品设计研发初期发现新产品应力缺陷的有限而快速的试验方法。相对于一般振动试验，其可达到的频率范围较高，且可实现六自由度振动和快速温变的综合。相对于一般环境试验中的高低温试验，其温变速率快很多。鉴于此试验方法的优越性，HALT试验在电子产品设计、研发阶段中已被广泛使用。此试验分为：试验夹具设计准备，低温，高温，快速温变循环，振动和温度与振动综合应力共6个测试阶段。通过模拟编码器低温、高温操作及破坏极限。一般环境试验的低温、高温试验的极限温度值是产品技术指标里面来提供，试验目的是确认样品在已知极限条件下是否能正常工作[9]。

5 结束语

在如今的电梯等众多机械设备上以旋转增量式编码器作为转速、位移、线速度和角速度传感器之实例不胜枚举[10]。在电梯行业中，编码器的主要作用是通过每秒的转数脉冲记录和反馈给控制柜电梯的运行速度和确认电梯位置。随着近些年关于电梯（自动扶梯）相关安全规范[11]的出台也许将对旋转编码器的可靠性测试有了新的要求，因为根据标准要求与电梯中的传感器芯片部分如果与编程相关就需要进行软件验证（validation and verification）测试。

[1]Tyw.光电编码器.2010.03.10.

[2] www.elecfans.com, 2010.光电编码器的工作原理分析来源[Z].

[3]汤鸿来,等.单片机控制的光电编码器测速系统[S].1998.

[4]费伟中,等.增量式光电编码器计数与接口电路的设计[S].2007.

[5]增量式光电编码器原理及其结构.

[6] JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].

[7] IEC 61000:Electromagnetic compatibility Testing and Measurement Techniques和GB 17626电磁兼容试验和测量技术[S].

[8] GB 2423《电工电子产品基本环境试验规程》和 GB4208-2008外壳防护等级(IP代码)[S].

[9]史晓雯,徐剑峰,徐丹. HALT试验技术综述.上海工业自动化仪表研究院.2011.

[10]王守信.电梯用编码器.1998.

[11] GB 16899-2011自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范.

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，工程硕士，主要从事自动化仪器仪表检测校准工作。