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換成周期信號，再把這個信號轉化為計算脈沖，用脈沖個數計算角度數值。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應用最為廣泛，準確校準角度編碼器的相關參數是非常重要的。

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面正多面棱體，搭配高精度自準直儀組成測量系統。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軸和棱體連接在一起，使轉軸和棱體的旋轉中心同軸并保持同步旋轉，不能有間隙和卡頓。調整自準直儀的位置，使其光軸通過角度編碼器和棱體的旋轉軸并與之垂直。角度編碼器處于零位時，調整自準直儀讀數為零。角度編碼器依次旋轉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，旋轉過程中如何保持同步并精準地旋轉到棱體標準角度的附近位置都是在系統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軸固定在圓分度儀器的旋轉中心，使其順滑、同步旋轉，固定角度編碼器的基座。角度編碼器的轉軸與基座產生相對旋轉輸出角度值，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整同軸、固定基座的同時不給轉軸施加偏向力等都是需要解決的問題。

在日常工作中，及時總結經驗，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，使轉軸與分度頭的旋轉中心同軸。水平方向放置一臺自準直儀，使其出射光線的中心經過分度頭的轉軸并與之垂直。在轉軸的側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角度。調節卡盤的墊腳，使角度編碼器旋轉過程中反射像始終位于自準直儀視場中心附近。調整分度頭、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，同時分度頭示數清零。轉動角度編碼器轉軸到一定的角度，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。可根據分度頭臺面的安裝孔位置，設計一些簡單的轉動裝置，便于角度編碼器轉軸旋轉過程中的精細調整。如果測試過程中無固定點的測試要求，也可以手動旋轉角度編碼器轉軸，隨機測試測量范圍內的任意測量點。

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，具體數據如表1 所示。

圖1 角度編碼器測量裝置

表1 角度編碼器測試數據

上述方法也可用來測試角度編碼器的線性度，校準結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，測量范圍內隨機采集11 個位置的數據，計算角度編碼器輸出值的線性度，兩組數據采樣位置不同，計算結果的變化符合不確定度的要求，具體數據如表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，可以使用無數條曲線來擬合。要求擬合函數盡可能合理地擬合這組值，使擬合直線處于樣本數據的中心位置最合理。擬合函數模型如下：

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，通過求導數得到求極值的條件，解得：

根據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線上監控角度變化量，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軸連接同軸，同步、順滑旋轉，對比兩個角度編碼器的讀數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災害監控、交通與城建巖土工程領域等進行原位監測。在角度編碼器上連接承載轉軸和樣品夾具，用于分離轉軸承載的質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，角度編碼器輸出數據作為標準值，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，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。