本文主要讨论位置传感器,解释了一些术语,选择合适的测量仪器时的关键注意事项,以及一些常见的易犯错误。

也许你在他们做仪器理论的那一天就离开了大学。如果你还知道准确性,分辨率,可重复性等等这些东西。那你是在一个很好的公司,但是很多工程师要么被遗忘了,要么从来没有真正理解过这个工程领域。应用于仪器领域的术语和相当深奥的技术概念令人困惑。然而,它们对于为您的应用选择合适的测量仪器是至关重要的。如果选错了,你可能最终会为超过所需指标的传感器付出代价;相反,你的产品或控制系统可能会达不到关键的性能指标。

本文主要讨论位置传感器,解释了一些术语,选择合适的测量仪器时的关键注意事项,以及一些常见的易犯错误。

定义

首先是一些定义:

  • 仪器的准确性是衡量其输出准确性的一种方法
  • 仪器的分辨率是在测量位置上可测量的最小增加量或减少量
  • 位置测量仪器的精度,是指它的重复精度
  • 位置测量仪器的线性度,是测量传感器输出与实际位移之间的偏差

大多数工程师对准确度和重复精度之间的差别困惑不已。我们可以通过对目标靶的射箭来解释准确度和重复精度之间的区别。准确度就指箭头距离靶心的距离。

准确性
准确

1 准确的射击(左)和精确的射击(右)

如果射出许多箭,那么重复精度就指箭簇的大小。如果所有的箭头聚集在一起,则认为这个箭簇是精确的。

一个具备极佳线性度的测量传感器,同时也是非常精确的。

明确需求

那么,这就很简单了—只要每次都指定非常准确、非常精确的测量仪器,你就可以了吗?不幸的是,这种方法存在很大的问题。首先,高准确度、高精度的测量仪器总是昂贵的;其次,高准确度、高精度测量仪器可能需要仔细而精密的安装,这可能在有些场合不可能实现,比如存在振动、热膨胀/冷缩等的环境中;第三,某些类型的高准确度、高精度测量仪器比较脆弱,随着环境条件变动容易出现故障或失效,尤其是在温度、灰尘、湿度和冷凝水环境下。

最优策略是指定什么才是需要的—不多不少。例如,在一个工业流量计的位移传感器中,线性度不是一个最关键的要求,因为流体的流动特性很有可能就是非线性的。更有可能的,在变化的环境条件下,重复精度和稳定性才是最关键的要求。
再如,在数控机床上,准确度和重复精度可能是关键的要求。因此,具有高准确度(高线性度)、高分辨率、高重复精度的位移测量仪器,即使长时间处于肮脏、潮湿环境中而不需要维护,才是最关键的要求。

一个好的建议,阅读任何测量仪器性能的说明书—特别是关于标称的准确度和重复精度随环境影响的变化,寿命或者安装公差要求。另一个好的建议是要弄清楚测量仪器的线性度是如何变化的,如果线性度的变化是单调或缓慢变化的,那么非线性就可以很容易地通过几个参考点进行校正。例如,对于一个间隙测量,可以用一些滑尺来测量。在下面的例子中,一个具有严重非线性的传感器,通过很少的一些参考点被校准成一个高线性度(高准确度)的传感器。

测量术语

图2 非线性传感器的校准,误差缓慢变动

然而,在第二个例子中,用10个参考点点来校准一个误差快速变化的传感器,但是它的线性度几乎没有改变。对于这样一种误差快速变化的测量特性,它可能需要超过1000个参考点来实现线性化。用滑尺来实现这样的过程不太实际,但是可以通过更高性能的参考测量仪器,比如激光干涉仪,然后在查找表中比较读数,则有可能是实用的。

位置测量

3 非线性传感器的校准,误差快速变动

光电编码器常见的易犯错误

光电编码器的工作原理是将光源照射到一个光学元件—通常是一个玻璃盘。光线要么被阻挡,要么通过圆盘上的光栅,产生一个与位置对应的信号。这些玻璃盘令人惊异—有非常精细的光栅,使得制造商声称可以达到很高的精度。如果这些微小光栅被灰尘、污垢、油脂等所掩盖,那么通常情况下会发生什么呢?事实上,即使是很细小的外来物质也会导致读数错误。更重要的是,在几乎没有任何故障告警下,光电编码器完全停止工作。这就是所谓的“灾难性故障”。此外,对于光电编码器,准确度指标不太为人所知。

假设一个光电编码器,它采用1inch的编码盘,分辨率18位(即256k个点)。通常,这个编码器所宣称的准确度可能是+/-10角秒。但是,需要强调(实际上从来没有说明)标称的准确度指标是在编码盘与读数头之间的旋转是完美的,并且温度是恒定的条件下得出的。

下面,我们再考虑一个更实际的例子,光电编码器安装稍微有偏心,0.001inch(即0.025mm)。

偏心来源于几个方面,见下面列表:

  • 编码盘和编码器轮毂轴之间的同轴度
  • 编码器轮毂轴内孔和编码盘之间的同轴度
  • 编码器轮毂轴和编码盘平面之间的垂直度
  • 编码盘平面与读数头平面之间的平行度
  • 编码器轮毂内孔与安装轴之间的同轴度
  • 轴承间隙,轴承座间隙
  • 轴承对准不好
  • 轴圆度,编码器旋转周内孔圆度
  • 定位方法(典型地,用一个螺钉固定会把编码器旋转轴中心拉到一边)
  • 轴承上的压力,或者应力引起的位移
  • 热效应
  • 等等
光电编码器

图4 光码盘和读数头不同轴

完美安装光电编码盘需要如此精细的技术,以致成本变得非常昂贵。实际上,总是会有一个测量误差,因为编码盘不是在读数头认为的地方。假设安装误差是0.001 inch,那么测量误差就等于编码盘读数轨道上0.001 inch弧长所对应的角度。为了在数学上变得简单,我们假设光学轨道的半径是0.5 inch,这就等同于2mrad或412角秒的误差。换句话说,具有10角秒准确度指标的编码器,实际上的准确度比其数据表的准确度要低40倍以上。

如果你的光学编码盘能后精确定位在0.001inch以内,你做的非常好。实际上,你更有可能只能达到0.002-0.01inch,所以,实际上你能达到的准确度将会是最初计算的80-400倍。

一种新途径

旋转变压器和新一代感应式传感器(IncOder)的测量原理完全不同于以上其他传感器。测量是基于转子(盘)和定子(读数器)之间的互感,而不是从某一点的读数中计算位置。由于测量是在定子和转子的整个工作表面上实现,因此,在编码器某一部位中由于非同轴度引起的误差,会在编码器相对部位的相反效应所抵消。相对于光电编码器来讲,分辨率和准确度指标通常不像光电编码器那样令人印象深刻。然而,关键在于,在大范围非理想的条件下,总能保证测量性能。

感应编码器

5 新一代感应式IncOder编码器,在任何环境条件下达到高准确度

新一代IncOder编码器标称测量性能数据,不是基于转子和定子之间的完美安装下测量得出,而是基于在现实中能实现的公差(通常是+/-0.25mm)范围内给出的分辨率、重复精度和准确度上都是可以考虑的。此外,这种感应式传感器的测量性能不受外来物质、湿度、寿命、轴承磨损或振动等因素的影响。

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