角度編碼器的校準和應用

孫佳媛 劉芳芳 馬建敏 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

角度編碼器作為一種常用的高準確度測量儀器，按工作原理劃分可分為增量型和絕對值型。增量式編碼器是將角度變化轉(zhuǎn)換成周期信號，再把這個信號轉(zhuǎn)化為計算脈沖，用脈沖個數(shù)計算角度數(shù)值。絕對值型角度編碼器的每一個角度位置對應一個確定的代碼，因此它的示值只與測量的起止位置有關，和測量過程無關。按輸出結(jié)果可劃分為兩個類型，直接輸出角度型和輸出電信號或編碼型。角度編碼器在汽車制造行業(yè)應用最為廣泛，準確校準角度編碼器的相關參數(shù)是非常重要的。

1 校準方法

角度編碼器一般采用與標準角度器件或圓分度儀器比較的方法來校準。

利用標準角度器件測量時，一般選擇用于細分角度值的奇數(shù)面正多面棱體，搭配高精度自準直儀組成測量系統(tǒng)。將角度編碼器的基座固定在平板上，并在同一塊平板上放置自準直儀。利用軸套和夾具將編碼的轉(zhuǎn)軸和棱體連接在一起，使轉(zhuǎn)軸和棱體的旋轉(zhuǎn)中心同軸并保持同步旋轉(zhuǎn)，不能有間隙和卡頓。調(diào)整自準直儀的位置，使其光軸通過角度編碼器和棱體的旋轉(zhuǎn)軸并與之垂直。角度編碼器處于零位時，調(diào)整自準直儀讀數(shù)為零。角度編碼器依次旋轉(zhuǎn)至棱體每個工作面對應的標準角度位置，通過自準直儀的讀數(shù)計算角度編碼器的角度誤差。角度編碼器不能承受重物，棱體的自重不能直接施加在角度編碼器上，旋轉(zhuǎn)過程中如何保持同步并精準地旋轉(zhuǎn)到棱體標準角度的附近位置都是在系統(tǒng)設計過程中需要解決的問題。

利用圓分度儀器也可校準角度編碼器的分度誤差。通過夾具將角度編碼器的轉(zhuǎn)軸固定在圓分度儀器的旋轉(zhuǎn)中心，使其順滑、同步旋轉(zhuǎn)，固定角度編碼器的基座。角度編碼器的轉(zhuǎn)軸與基座產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)輸出角度值，與圓分度儀器的示值對比得到角度編碼器的角度誤差。在這種測試方法中，倒置的角度編碼器如何調(diào)整同軸、固定基座的同時不給轉(zhuǎn)軸施加偏向力等都是需要解決的問題。

在日常工作中，及時總結(jié)經(jīng)驗，摸索出一種易于操作的校準方法。通過測微儀和卡盤將角度編碼器的基座固定在分度頭上，使轉(zhuǎn)軸與分度頭的旋轉(zhuǎn)中心同軸。水平方向放置一臺自準直儀，使其出射光線的中心經(jīng)過分度頭的轉(zhuǎn)軸并與之垂直。在轉(zhuǎn)軸的側(cè)面或者頂部放置一塊薄量塊，通過追蹤薄量塊的反射像來計算角度編碼器旋轉(zhuǎn)角度。調(diào)節(jié)卡盤的墊腳，使角度編碼器旋轉(zhuǎn)過程中反射像始終位于自準直儀視場中心附近。調(diào)整分度頭、自準直儀的位置，使角度編碼器輸出角度值（或電信號值、模擬信號值）為0 時，自準直儀照準薄量塊的反射像位于自準直儀視場的零位，同時分度頭示數(shù)清零。轉(zhuǎn)動角度編碼器轉(zhuǎn)軸到一定的角度，此時薄量塊的反射像已偏離自準直儀視場，旋轉(zhuǎn)分度頭使得薄量塊的反射像重新位于自準直儀視場的零位，分度頭和角度編碼器的讀數(shù)差作為角度編碼器的分度誤差。此方法儀器安裝便捷，裝夾過程中引入的誤差較少，測量準確度滿足要求。可根據(jù)分度頭臺面的安裝孔位置，設計一些簡單的轉(zhuǎn)動裝置，便于角度編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)過程中的精細調(diào)整。如果測試過程中無固定點的測試要求，也可以手動旋轉(zhuǎn)角度編碼器轉(zhuǎn)軸，隨機測試測量范圍內(nèi)的任意測量點。

運用上述方法，測試一臺分度值為0.1°輸出值為角度值的角度編碼器，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖1 角度編碼器測量裝置

表1 角度編碼器測試數(shù)據(jù)

上述方法也可用來測試角度編碼器的線性度，校準結(jié)果符合校準不確定度的要求。測試一臺量程為±60°的角度編碼器，測量范圍內(nèi)隨機采集11 個位置的數(shù)據(jù)，計算角度編碼器輸出值的線性度，兩組數(shù)據(jù)采樣位置不同，計算結(jié)果的變化符合不確定度的要求，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 角度編碼器輸出值的線性度

線性斜率和線性度的計算依據(jù)最小二乘法。包括一個自變量和一個因變量，且兩者的關系可用一條直線近似表示，屬于一元線性回歸分析。對于一元線性回歸模型，假設實驗中獲取了n組觀察樣本值（xi，yi）。對于平面中的這n個點，可以使用無數(shù)條曲線來擬合。要求擬合函數(shù)盡可能合理地擬合這組值，使擬合直線處于樣本數(shù)據(jù)的中心位置最合理。擬合函數(shù)模型如下：

yi=αxi+β+ei

式中：ei—— 樣本（xi，yi）的誤差；

α—— 線性斜率

最小二乘法所選擇的擬合函數(shù)模型應該使所有觀察值的殘差平方和（即）達到最小，通過求導數(shù)得到求極值的條件，解得：

根據(jù)xi，yi，α，β，求得線性度γ

2 角度編碼器的應用

角度編碼器可以應用在生產(chǎn)線上監(jiān)控角度變化量，也可作為標準測試一些角度類儀器。

將高精度角度編碼器與被測角度編碼器的轉(zhuǎn)軸連接同軸，同步、順滑旋轉(zhuǎn)，對比兩個角度編碼器的讀數(shù)從而計算被測角度編碼器的分度誤差。本單位利用高精度角度編碼器建立了一套鉆孔測斜儀校準裝置。測斜儀廣泛應用于地質(zhì)災害監(jiān)控、交通與城建巖土工程領域等進行原位監(jiān)測。在角度編碼器上連接承載轉(zhuǎn)軸和樣品夾具，用于分離轉(zhuǎn)軸承載的質(zhì)量和連接安裝被測樣品。角度編碼器和鉆孔測斜儀同步旋轉(zhuǎn)，角度編碼器輸出數(shù)據(jù)作為標準值，測斜儀的示值為被測值，從而計算出測斜儀的示值誤差。此套測量裝置實現(xiàn)了與分度頭相近的測試能力，準確度高、成本低，滿足測量要求。

3 結(jié)語

本文提到的角度編碼器校準方法利用高精度分度頭和自準直儀組成測量系統(tǒng)，安裝簡便，裝夾過程中引入的隨機誤差較少，操作方便，測量準確度滿足角度編碼器的校準要求。