角度编码器的校准和应用

2019-11-04孙佳媛刘芳芳马建敏上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2019年5期

孙佳媛刘芳芳马建敏 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

角度编码器作为一种常用的高准确度测量仪器，按工作原理划分可分为增量型和绝对值型。增量式编码器是将角度变化转换成周期信号，再把这个信号转化为计算脉冲，用脉冲个数计算角度数值。绝对值型角度编码器的每一个角度位置对应一个确定的代码，因此它的示值只与测量的起止位置有关，和测量过程无关。按输出结果可划分为两个类型，直接输出角度型和输出电信号或编码型。角度编码器在汽车制造行业应用最为广泛，准确校准角度编码器的相关参数是非常重要的。

1 校准方法

角度编码器一般采用与标准角度器件或圆分度仪器比较的方法来校准。

利用标准角度器件测量时，一般选择用于细分角度值的奇数面正多面棱体，搭配高精度自准直仪组成测量系统。将角度编码器的基座固定在平板上，并在同一块平板上放置自准直仪。利用轴套和夹具将编码的转轴和棱体连接在一起，使转轴和棱体的旋转中心同轴并保持同步旋转，不能有间隙和卡顿。调整自准直仪的位置，使其光轴通过角度编码器和棱体的旋转轴并与之垂直。角度编码器处于零位时，调整自准直仪读数为零。角度编码器依次旋转至棱体每个工作面对应的标准角度位置，通过自准直仪的读数计算角度编码器的角度误差。角度编码器不能承受重物，棱体的自重不能直接施加在角度编码器上，旋转过程中如何保持同步并精准地旋转到棱体标准角度的附近位置都是在系统设计过程中需要解决的问题。

利用圆分度仪器也可校准角度编码器的分度误差。通过夹具将角度编码器的转轴固定在圆分度仪器的旋转中心，使其顺滑、同步旋转，固定角度编码器的基座。角度编码器的转轴与基座产生相对旋转输出角度值，与圆分度仪器的示值对比得到角度编码器的角度误差。在这种测试方法中，倒置的角度编码器如何调整同轴、固定基座的同时不给转轴施加偏向力等都是需要解决的问题。

在日常工作中，及时总结经验，摸索出一种易于操作的校准方法。通过测微仪和卡盘将角度编码器的基座固定在分度头上，使转轴与分度头的旋转中心同轴。水平方向放置一台自准直仪，使其出射光线的中心经过分度头的转轴并与之垂直。在转轴的侧面或者顶部放置一块薄量块，通过追踪薄量块的反射像来计算角度编码器旋转角度。调节卡盘的垫脚，使角度编码器旋转过程中反射像始终位于自准直仪视场中心附近。调整分度头、自准直仪的位置，使角度编码器输出角度值（或电信号值、模拟信号值）为0 时，自准直仪照准薄量块的反射像位于自准直仪视场的零位，同时分度头示数清零。转动角度编码器转轴到一定的角度，此时薄量块的反射像已偏离自准直仪视场，旋转分度头使得薄量块的反射像重新位于自准直仪视场的零位，分度头和角度编码器的读数差作为角度编码器的分度误差。此方法仪器安装便捷，装夹过程中引入的误差较少，测量准确度满足要求。可根据分度头台面的安装孔位置，设计一些简单的转动装置，便于角度编码器转轴旋转过程中的精细调整。如果测试过程中无固定点的测试要求，也可以手动旋转角度编码器转轴，随机测试测量范围内的任意测量点。

运用上述方法，测试一台分度值为0.1°输出值为角度值的角度编码器，具体数据如表1 所示。

图1 角度编码器测量装置

表1 角度编码器测试数据

上述方法也可用来测试角度编码器的线性度，校准结果符合校准不确定度的要求。测试一台量程为±60°的角度编码器，测量范围内随机采集11 个位置的数据，计算角度编码器输出值的线性度，两组数据采样位置不同，计算结果的变化符合不确定度的要求，具体数据如表2 所示。

表2 角度编码器输出值的线性度

线性斜率和线性度的计算依据最小二乘法。包括一个自变量和一个因变量，且两者的关系可用一条直线近似表示，属于一元线性回归分析。对于一元线性回归模型，假设实验中获取了n组观察样本值（xi，yi）。对于平面中的这n个点，可以使用无数条曲线来拟合。要求拟合函数尽可能合理地拟合这组值，使拟合直线处于样本数据的中心位置最合理。拟合函数模型如下：

yi=αxi+β+ei

式中：ei—— 样本（xi，yi）的误差；

α—— 线性斜率

最小二乘法所选择的拟合函数模型应该使所有观察值的残差平方和（即）达到最小，通过求导数得到求极值的条件，解得：

根据xi，yi，α，β，求得线性度γ

2 角度编码器的应用

角度编码器可以应用在生产线上监控角度变化量，也可作为标准测试一些角度类仪器。

将高精度角度编码器与被测角度编码器的转轴连接同轴，同步、顺滑旋转，对比两个角度编码器的读数从而计算被测角度编码器的分度误差。本单位利用高精度角度编码器建立了一套钻孔测斜仪校准装置。测斜仪广泛应用于地质灾害监控、交通与城建岩土工程领域等进行原位监测。在角度编码器上连接承载转轴和样品夹具，用于分离转轴承载的质量和连接安装被测样品。角度编码器和钻孔测斜仪同步旋转，角度编码器输出数据作为标准值，测斜仪的示值为被测值，从而计算出测斜仪的示值误差。此套测量装置实现了与分度头相近的测试能力，准确度高、成本低，满足测量要求。