光电轴角编码器的检测方法分析及研究

马程浩

（常州市测试技术研究院，江苏常州，213000）

1 光电轴角编码器原理分析

编码器主要是由发光管、主轴、狭缝、码盘、接收管、输出电路等构成。在实际运行过程中，需要固定夹缝，主轴会带动码盘转动，码盘和狭缝之间的相对位移会形成莫尔条纹。接收管与发光管之间相互配合，把摩尔条纹转化成电信号。主轴会转动码盘光栅的距角，这样就会让莫尔条纹信号形成一个转化周期，之后根据所处理的电路信息进行细分计算，即可得到编码器角度位置信息数据。

通常情况下，编码器可以按照码盘的不同划分为两类，即增量式编码器、绝对式编码器。其中，增量式编码器应用更加广泛，市场上大部分编码器都是增量式工艺。绝对式编码器也是采用零位固定，所输出的代码是角度值的二进制代码，即使掉电也不会造成数据丢失。但是绝对式编码器生产工艺十分复杂，并且设备的体积较大。

2 光电轴角编码器检测方法分析

随着我国科学技术不断发展，对编码器的精度要求越来越高。编码器也逐渐朝向高分辨力、小体积、高精度等方面发展。与此同时，也需要编码器在角速度、角加速度下保障了精度输出信息。编码器检测误差主要包括静态误差检测和动态误差检测。当今国内外静态误差检测技术相对比较成熟，所以动态检误差检测成为了研究热点。

2.1 国外提出的检测方法

现如今，国外发达国家在编码器误差检测方面处在领先地位，如日本、德国、俄罗斯等。

俄罗斯圣彼得堡大学在研究动态误差中，主要是采用了激光准直仪、激光环多面体构成。整个检测系统的精度为0.1”，转速在10转/s，可以实现编码器的动态误差检测。具相关实验调查结果显示，如果编码器的速度为250rad/s时，则编码器的误差在-0.22”～+0.33”范围之内。应用该方法试下编码器的动态检测，所检测的精度非常高，但是整个实验装置十分复杂，需要提供专门的实验室环境，无法应用到工作现场。

日本国立高级工业科技研究所也提出了新型的编码器检测系统（如图1），系统中包括无刷直流电机、空气轴承、基准编码器、空气轴承、支架等。此系统的分辨率精度为0.001”，不确定度为-5”~+5”。该系统主要是适用于在实验室对单体编码器进行精度测试。

2.2 国内提出的检测方法

（1）绝对式编码器检测

图1 日本国籍高级工业科技研究所的检测系统

当今我国在绝对式编码器的误差检测当中的主流方法是多面体棱镜检测法、高精度编码器对比检测方法。多面体棱镜检测方法主要是利用多面体和编码器进行连接，并对多面体、塔差进行调节后，采用自准直仪测量编码器误差。由于该方法检测过程中具有较高的分辨率和精度，所以更加适合应用到高分辨率编码器检测单重。而编码器对比检测则是采用高精度基准编码器对低精度编码器进行检测的方法。通常高精度编码器的精度要比低精度编码器高出3倍以上，这样才能够发挥该方法的作用，因此该方法更加适用于低分辨率精度的小型编码器检测中应用。但是，这些检测方法只能够进行静态误差检测，并在此基础上，一些科研单位将设备上增设电机，从而实现编码器误差的自动检测。

长春光机所与华南理工大学联合推出编码器误差检测系统（自动），采用了直流电机带动编码器和基准编码器转动，应用数据处理电路获取误差信息，同时也能够传输到计算机中显示所测量的误差。长春理工大学利用了电机带动多个多面棱体和编码器转动，把激光准直仪测量数据直接传输到计算机中完成误差检测。这两种方法是采用了直流电动机带动编码器转动检测，但是将转动范围较为局限，无法实现完整的动态误差检测，检测点也十分有限。

图2 成都光电所的误差检测设备

成都光电技术研究所应用了微动螺杆、斜面、正弦杠杆四级缩小理念，可以检测高分辨率编码器监测（如图2）。在应用该检测系统时，要把每个测量位置光栅栅距内分为8段，并测量四个位置细分误差，取得一个最大误差，之后将误差细分成小间隔形式。使用该方法有效对25位编码器的检测工作。但是该系统对机械结构要求非常高，检测环境苛刻，也容易造成人工读取误差问题。

（2）增量式编码器检测

对于增量式编码器检测来说，我国各个机构、高校也进行了深度研究。汕头大学提出了一种圆光栅增量编码器的检测方法，可以快速得出编码器精度以及性能参数。该方法是通过对编码器个转速范围中增加输入信号，从而得出分度精度、频响、正弦性、正交性、信号周期、脉冲信号占比等各项数据。

北京长城计量测试技术所研制出了一种圆光栅检测仪，是由空气轴系、压缩空气系统、驱动系统、光栅盘、莫尔条纹系统、信号接受系统等构成。整个仪器的核心技术是高回转精度空气静压轴承和多头均化技术，这样可以大大减少参考盘刻划误差影响。与此同时，应用计算机来监测整个测量流程，并对数据信息进行处理，实现检测的自动化，所测误差曲线可以通过打印机输出，光山盘的扩展不确定度为0.08’’。

西安交通大学采用了一种计量圆光栅动态检测技术，使用该技术能够通过计算机软件可以修正安装偏离心等误差问题，而硬件系统主要应用了高精度脉冲计算电路，从而大大提高整个系统的测量精度，也避免了在误差测量中因为人为因素、环境因素所造成的精度差异。检测过程中，采用两个圆光栅同转动互检形式，利用计算机软件计量出转角误差。此方法的待测光栅重复精度会直接影响的检测精度，光栅精度和检测精度成正比。

3 光电轴角编码器检测技术展望

3.1 简化检测过程

当今大部分检测方法都需要经过十分复杂的安装与调教过程，检测效率相对较低，通常要对一个编码器进行误差检测需要20-30分钟，所以提出一种更加简单的检测方法势在必行。

3.2 减少装置复杂度，提高适应性

当今国外所研发的编码器误差检测都是在非常理想的环境下展开，如果有外界因素干扰，如今检测台出现振动等问题，会提高检测数据的偏离值。并且在实际工作现场，通常都不具备理想的检测环境。这就需要研发出可以适用于实际工作现场的检测设备，并且可以保证检测精度。

3.3 提高检测精度

由于编码器的精度不断提高，这就需要采用精度更高的误差检测仪器。提出高精度误差检测设备是确保编码器精度的基础。此外，在提高检装置误差同时，也要实现对编码器全分辨率的检测，这样即可全面测量编码器的误差。

3.4 进一步研究动态误差检测技术

从编码器检测设备来说，当今国内并没有提出一款较好的动态误差检测设备，即使部分研究单位提出了动态误差检测设备，但无法良好的反应编码器在各个速度下的特性，导致动态误差存在着一定局限性。国外动态检测误差的设备造价十分昂贵，并且也没有达到理想的状态，不适合国内使用。因此，我国在对动态误差检测中需要加大研究力度，也是误差检测技术今后研究的重要课题。

4 结束语

光电轴角编码器是一种光、机、电为一体的角度位置传感器，在当今各个高精度工业领域都有着十分广泛的应用。由于编码器存在一定的测量误差，这就需要加强误差检测技术的研究力度，完善编码器性能。在科学技术不断发展的背景下，编码器误差检测技术势必也将更加完善。