本文主要討論位置傳感器，解釋了一些術(shù)語(yǔ)，選擇合適的測(cè)量?jī)x器時(shí)的關(guān)鍵注意事項(xiàng)，以及一些常見(jiàn)的易犯錯(cuò)誤。

也許你在他們做儀器理論的那一天就離開(kāi)了大學(xué)。如果你還知道準(zhǔn)確性，分辨率，可重復(fù)性等等這些東西。那你是在一個(gè)很好的公司，但是很多工程師要么被遺忘了，要么從來(lái)沒(méi)有真正理解過(guò)這個(gè)工程領(lǐng)域。應(yīng)用于儀器領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)和相當(dāng)深?yuàn)W的技術(shù)概念令人困惑。然而，它們對(duì)于為您的應(yīng)用選擇合適的測(cè)量?jī)x器是至關(guān)重要的。如果選錯(cuò)了，你可能最終會(huì)為超過(guò)所需指標(biāo)的傳感器付出代價(jià)；相反，你的產(chǎn)品或控制系統(tǒng)可能會(huì)達(dá)不到關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

本文主要討論位置傳感器，解釋了一些術(shù)語(yǔ)，選擇合適的測(cè)量?jī)x器時(shí)的關(guān)鍵注意事項(xiàng)，以及一些常見(jiàn)的易犯錯(cuò)誤。

首先是一些定義：

• 儀器的準(zhǔn)確性是衡量其輸出準(zhǔn)確性的一種方法

• 儀器的分辨率是在測(cè)量位置上可測(cè)量的最小增加量或減少量

• 位置測(cè)量?jī)x器的精度，是指它的重復(fù)精度

• 位置測(cè)量?jī)x器的線性度，是測(cè)量傳感器輸出與實(shí)際位移之間的偏差

大多數(shù)工程師對(duì)準(zhǔn)確度和重復(fù)精度之間的差別困惑不已。我們可以通過(guò)對(duì)目標(biāo)靶的射箭來(lái)解釋準(zhǔn)確度和重復(fù)精度之間的區(qū)別。準(zhǔn)確度就指箭頭距離靶心的距離。

圖1 準(zhǔn)確的射擊(左)和精確的射擊(右)

如果射出許多箭，那么重復(fù)精度就指箭簇的大小。如果所有的箭頭聚集在一起，則認(rèn)為這個(gè)箭簇是精確的。

一個(gè)具備極佳線性度的測(cè)量傳感器，同時(shí)也是非常精確的。

那么，這就很簡(jiǎn)單了—只要每次都指定非常準(zhǔn)確、非常精確的測(cè)量?jī)x器，你就可以了嗎？不幸的是，這種方法存在很大的問(wèn)題。首先，高準(zhǔn)確度、高精度的測(cè)量?jī)x器總是昂貴的；其次,高準(zhǔn)確度、高精度測(cè)量?jī)x器可能需要仔細(xì)而精密的安裝，這可能在有些場(chǎng)合不可能實(shí)現(xiàn)，比如存在振動(dòng)、熱膨脹/冷縮等的環(huán)境中；第三，某些類型的高準(zhǔn)確度、高精度測(cè)量?jī)x器比較脆弱，隨著環(huán)境條件變動(dòng)容易出現(xiàn)故障或失效，尤其是在溫度、灰塵、濕度和冷凝水環(huán)境下。

最優(yōu)策略是指定什么才是需要的—不多不少。例如，在一個(gè)工業(yè)流量計(jì)的位移傳感器中，線性度不是一個(gè)最關(guān)鍵的要求，因?yàn)榱黧w的流動(dòng)特性很有可能就是非線性的。更有可能的，在變化的環(huán)境條件下，重復(fù)精度和穩(wěn)定性才是最關(guān)鍵的要求。
再如，在數(shù)控機(jī)床上，準(zhǔn)確度和重復(fù)精度可能是關(guān)鍵的要求。因此，具有高準(zhǔn)確度（高線性度）、高分辨率、高重復(fù)精度的位移測(cè)量?jī)x器，即使長(zhǎng)時(shí)間處于骯臟、潮濕環(huán)境中而不需要維護(hù)，才是最關(guān)鍵的要求。

一個(gè)好的建議，閱讀任何測(cè)量?jī)x器性能的說(shuō)明書(shū)—特別是關(guān)于標(biāo)稱的準(zhǔn)確度和重復(fù)精度隨環(huán)境影響的變化，壽命或者安裝公差要求。另一個(gè)好的建議是要弄清楚測(cè)量?jī)x器的線性度是如何變化的，如果線性度的變化是單調(diào)或緩慢變化的，那么非線性就可以很容易地通過(guò)幾個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行校正。例如，對(duì)于一個(gè)間隙測(cè)量，可以用一些滑尺來(lái)測(cè)量。在下面的例子中，一個(gè)具有嚴(yán)重非線性的傳感器，通過(guò)很少的一些參考點(diǎn)被校準(zhǔn)成一個(gè)高線性度（高準(zhǔn)確度）的傳感器。

圖2 非線性傳感器的校準(zhǔn)，誤差緩慢變動(dòng)

然而，在第二個(gè)例子中，用10個(gè)參考點(diǎn)點(diǎn)來(lái)校準(zhǔn)一個(gè)誤差快速變化的傳感器，但是它的線性度幾乎沒(méi)有改變。對(duì)于這樣一種誤差快速變化的測(cè)量特性，它可能需要超過(guò)1000個(gè)參考點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化。用滑尺來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的過(guò)程不太實(shí)際，但是可以通過(guò)更高性能的參考測(cè)量?jī)x器，比如激光干涉儀，然后在查找表中比較讀數(shù)，則有可能是實(shí)用的。

圖3 非線性傳感器的校準(zhǔn)，誤差快速變動(dòng)

光電編碼器的工作原理是將光源照射到一個(gè)光學(xué)元件—通常是一個(gè)玻璃盤。光線要么被阻擋，要么通過(guò)圓盤上的光柵，產(chǎn)生一個(gè)與位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)。這些玻璃盤令人驚異—有非常精細(xì)的光柵，使得制造商聲稱可以達(dá)到很高的精度。如果這些微小光柵被灰塵、污垢、油脂等所掩蓋，那么通常情況下會(huì)發(fā)生什么呢？事實(shí)上，即使是很細(xì)小的外來(lái)物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤。更重要的是，在幾乎沒(méi)有任何故障告警下，光電編碼器完全停止工作。這就是所謂的“災(zāi)難性故障”。此外，對(duì)于光電編碼器，準(zhǔn)確度指標(biāo)不太為人所知。

假設(shè)一個(gè)光電編碼器，它采用1inch的編碼盤，分辨率18位（即256k個(gè)點(diǎn)）。通常，這個(gè)編碼器所宣稱的準(zhǔn)確度可能是+/-10角秒。但是，需要強(qiáng)調(diào)（實(shí)際上從來(lái)沒(méi)有說(shuō)明）標(biāo)稱的準(zhǔn)確度指標(biāo)是在編碼盤與讀數(shù)頭之間的旋轉(zhuǎn)是完美的，并且溫度是恒定的條件下得出的。

下面，我們?cè)倏紤]一個(gè)更實(shí)際的例子，光電編碼器安裝稍微有偏心，0.001inch（即0.025mm）。

偏心來(lái)源于幾個(gè)方面，見(jiàn)下面列表：

• 編碼盤和編碼器輪轂軸之間的同軸度

• 編碼器輪轂軸內(nèi)孔和編碼盤之間的同軸度

• 編碼器輪轂軸和編碼盤平面之間的垂直度

• 編碼盤平面與讀數(shù)頭平面之間的平行度

• 編碼器輪轂內(nèi)孔與安裝軸之間的同軸度

• 軸承間隙，軸承座間隙

• 軸承對(duì)準(zhǔn)不好

• 軸圓度，編碼器旋轉(zhuǎn)周內(nèi)孔圓度

• 定位方法（典型地，用一個(gè)螺釘固定會(huì)把編碼器旋轉(zhuǎn)軸中心拉到一邊）

• 軸承上的壓力，或者應(yīng)力引起的位移

• 熱效應(yīng)

• 等等

圖4 光碼盤和讀數(shù)頭不同軸

完美安裝光電編碼盤需要如此精細(xì)的技術(shù)，以致成本變得非常昂貴。實(shí)際上，總是會(huì)有一個(gè)測(cè)量誤差，因?yàn)榫幋a盤不是在讀數(shù)頭認(rèn)為的地方。假設(shè)安裝誤差是0.001 inch，那么測(cè)量誤差就等于編碼盤讀數(shù)軌道上0.001 inch弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的角度。為了在數(shù)學(xué)上變得簡(jiǎn)單，我們假設(shè)光學(xué)軌道的半徑是0.5 inch，這就等同于2mrad或412角秒的誤差。換句話說(shuō)，具有10角秒準(zhǔn)確度指標(biāo)的編碼器，實(shí)際上的準(zhǔn)確度比其數(shù)據(jù)表的準(zhǔn)確度要低40倍以上。

如果你的光學(xué)編碼盤能后精確定位在0.001inch以內(nèi)，你做的非常好。實(shí)際上，你更有可能只能達(dá)到0.002-0.01inch，所以，實(shí)際上你能達(dá)到的準(zhǔn)確度將會(huì)是最初計(jì)算的80-400倍。

旋轉(zhuǎn)變壓器和新一代感應(yīng)式傳感器（IncOder）的測(cè)量原理完全不同于以上其他傳感器。測(cè)量是基于轉(zhuǎn)子（盤）和定子（讀數(shù)器）之間的互感，而不是從某一點(diǎn)的讀數(shù)中計(jì)算位置。由于測(cè)量是在定子和轉(zhuǎn)子的整個(gè)工作表面上實(shí)現(xiàn)，因此，在編碼器某一部位中由于非同軸度引起的誤差，會(huì)在編碼器相對(duì)部位的相反效應(yīng)所抵消。相對(duì)于光電編碼器來(lái)講，分辨率和準(zhǔn)確度指標(biāo)通常不像光電編碼器那樣令人印象深刻。然而，關(guān)鍵在于，在大范圍非理想的條件下，總能保證測(cè)量性能。

圖5 新一代感應(yīng)式IncOder編碼器，在任何環(huán)境條件下達(dá)到高準(zhǔn)確度

新一代IncOder編碼器標(biāo)稱測(cè)量性能數(shù)據(jù)，不是基于轉(zhuǎn)子和定子之間的完美安裝下測(cè)量得出，而是基于在現(xiàn)實(shí)中能實(shí)現(xiàn)的公差（通常是+/-0.25mm)范圍內(nèi)給出的分辨率、重復(fù)精度和準(zhǔn)確度上都是可以考慮的。此外，這種感應(yīng)式傳感器的測(cè)量性能不受外來(lái)物質(zhì)、濕度、壽命、軸承磨損或振動(dòng)等因素的影響。