本文主要討論位置傳感器，解釋了一些術(shù)語，選擇合適的測量儀器時的關(guān)鍵注意事項，以及一些常見的易犯錯誤。

   也許你在他們做儀器理論的那一天就離開了大學(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。那你是在一個很好的公司，但是很多工程師要么被遺忘了，要么從來沒有真正理解過這個工程領(lǐng)域。應(yīng)用于儀器領(lǐng)域的術(shù)語和相當(dāng)深奧的技術(shù)概念令人困惑。然而，它們對于為您的應(yīng)用選擇合適的測量儀器是至關(guān)重要的。如果選錯了，你可能最終會為超過所需指標(biāo)的傳感器付出代價；相反，你的產(chǎn)品或控制系統(tǒng)可能會達(dá)不到關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

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量位置上可測量的最小增加量或減少量

·        位置測量儀器的精度，是指它的重復(fù)精度

·        位置測量儀器的線性度，是測量傳感器輸出與實際位移之間的偏差

大多數(shù)工程師對準(zhǔn)確度和重復(fù)精度之間的差別困惑不已。我們可以通過對目標(biāo)靶的射箭來解釋準(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。

  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)為這個箭簇是精確的。

一個具備極佳線性度的測量傳感器，同時也是非常精確的。

明確需求

   那么，這就很簡單了—只要每次都指定非常準(zhǔn)確、非常精確的測量儀器，你就可以了嗎？不幸的是，這種方法存在很大的問題。首先，高準(zhǔn)確度、高精度的測量儀器總是昂貴的；其次,高準(zhǔn)確度、高精度測量儀器可能需要仔細(xì)而精密的安裝，這可能在有些場合不可能實現(xiàn)，比如存在振動、熱膨脹/冷縮等的環(huán)境中；第三，某些類型的高準(zhǔn)確度、高精度測量儀器比較脆弱，隨著環(huán)境條件變動容易出現(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，在一個工業(yè)流量計的位移傳感器中，線性度不是一個最關(guān)鍵的要求，因為流體的流動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)精度的位移測量儀器，即使長時間處于骯臟、潮濕環(huán)境中而不需要維護(hù)，才是最關(guān)鍵的要求。

一個好的建議，閱讀任何測量儀器性能的說明書—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。另一個好的建議是要弄清楚測量儀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幾個參考點進(jìn)行校正。例如，對于一個間隙測量，可以用一些滑尺來測量。在下面的例子中，一個具有嚴(yán)重非線性的傳感器，通過很少的一些參考點被校準(zhǔn)成一個高線性度（高準(zhǔn)確度）的傳感器。

然而，在第二個例子中，用10個參考點點來校準(zhǔn)一個誤差快速變化的傳感器，但是它的線性度幾乎沒有改變。對于這樣一種誤差快速變化的測量特性，它可能需要超過1000個參考點來實現(xiàn)線性化。用滑尺來實現(xiàn)這樣的過程不太實際，但是可以通過更高性能的參考測量儀器，比如激光干涉儀，然后在查找表中比較讀數(shù)，則有可能是實用的。

光電編碼器常見的易犯錯誤

光電編碼器的工作原理是將光源照射到一個光學(xué)元件—通常是一個玻璃盤。光線要么被阻擋，要么通過圓盤上的光柵，產(chǎn)生一個與位置對應(yīng)的信號。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，那么通常情況下會發(fā)生什么呢？事實上，即使是很細(xì)小的外來物質(zhì)也會導(dǎo)致讀數(shù)錯誤。更重要的是，在幾乎沒有任何故障告警下，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，對于光電編碼器，準(zhǔn)確度指標(biāo)不太為人所知。

假設(shè)一個光電編碼器，它采用1inch的編碼盤，分辨率18位（即256k個點）。通常，這個編碼器所宣稱的準(zhǔn)確度可能是+/-10角秒。但是，需要強調(diào)（實際上從來沒有說明）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，我們再考慮一個更實際的例子，光電編碼器安裝稍微有偏心，0.001inch（即0.025mm）。

偏心來源于幾個方面，見下面列表：

·        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，用一個螺釘固定會把編碼器旋轉(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

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。實際上，總是會有一個測量誤差，因為編碼盤不是在讀數(shù)頭認(rèn)為的地方。假設(shè)安裝誤差是0.001 inch，那么測量誤差就等于編碼盤讀數(shù)軌道上0.001 inch弧長所對應(yīng)的角度。為了在數(shù)學(xué)上變得簡單，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，具有10角秒準(zhǔn)確度指標(biāo)的編碼器，實際上的準(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。實際上，你更有可能只能達(dá)到0.002-0.01inch，所以，實際上你能達(dá)到的準(zhǔn)確度將會是最初計算的80-400倍。

一種新途徑

    旋轉(zhuǎn)變壓器和新一代感應(yīng)式傳感器IncOder的測量原理完全不同于以上其他傳感器。測量是基于轉(zhuǎn)子（盤）和定子（讀數(shù)器）之間的互感，而不是從某一點的讀數(shù)中計算位置。由于測量是在定子和轉(zhuǎn)子的整個工作表面上實現(xiàn)，因此，在編碼器某一部位中由于非同軸度引起的誤差，會在編碼器相對部位的相反效應(yīng)所抵消。相對于光電編碼器來講，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，總能保證測量性能。

 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量得出，而是基于在現(xiàn)實中能實現(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)式傳感器的測量性能不受外來物質(zhì)、濕度、壽命、軸承磨損或振動等因素的影響。