高沖擊和振動(dòng)環(huán)境如何選擇合適的編碼器？

工業(yè)環(huán)境經(jīng)常使設(shè)備受到高度沖擊和振動(dòng)。這可能會影響性能并損壞設(shè)備本身。作為Dynapar編碼器(經(jīng)過品牌變更之后，Dynapar現(xiàn)在已歸于hengstler旗下)在國內(nèi)的代理，和大家一起討論一理在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境中選擇編碼器所涉及的權(quán)衡，以及如何確保應(yīng)用程序的適當(dāng)壽命和性能。

在指定高沖擊和高振動(dòng)環(huán)境下的編碼器振動(dòng)水平較高的應(yīng)用時(shí)，需要考慮三個(gè)關(guān)鍵因素：編碼器傳感引擎：光學(xué)與磁性、編碼盤材料：玻璃、金屬、聚酯薄膜、編碼器組件：軸承、連接器等。

Dynapar編碼器傳感引擎

編碼器可分為光學(xué)和磁性引擎。最常見的光電編碼器由一個(gè)光源（通常是一個(gè)LED）、一個(gè)探測器和一個(gè)在它們之間傳遞的薄型編碼盤組成。

光學(xué)編碼器可以具有極高的分辨率，因此對于科學(xué)應(yīng)用和半導(dǎo)體制造等專業(yè)制造至關(guān)重要。然而，它們可能容易受到?jīng)_擊和振動(dòng)。磁盤和源/探測器之間的氣隙可小至0.020”。過度的沖擊和振動(dòng)會導(dǎo)致錯(cuò)位，從而使這些部件接觸，導(dǎo)致?lián)p壞甚至災(zāi)難性故障。


相控陣光學(xué)編碼器提供了一種替代方案。顧名思義，相控陣編碼器使用一組探測器來捕獲信號。這有助于平均由于編碼器震動(dòng)或編碼器振動(dòng)引起的信號變化。探測器陣列的固態(tài)特性也使其不易受到損壞。相控陣光學(xué)編碼器可用于400G沖擊和20G振動(dòng)，并用于Dynapar編碼器，如HS35R重型光學(xué)編碼器。

對于最困難的環(huán)境，磁性編碼器可能是最佳選擇。磁性編碼器的工作原理類似于旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器，盡管它們是基于具有交替磁疇圖案的金屬輪。它們往往比光學(xué)編碼器更堅(jiān)固，不易受到編碼器沖擊和編碼器振動(dòng)的影響。這些設(shè)備是非接觸式的，磁輪和探測器是廣泛分離的。采用寬氣隙設(shè)計(jì)的磁性編碼器具有更大的間隙，如RIMTach RT8磁性系列的北極星編碼器。

取舍是，磁輪的圖案不能像光學(xué)編碼器上的編碼輪那樣密集。因此，磁性編碼器無法與光學(xué)設(shè)計(jì)的分辨率相匹配。

Dynapar編碼器盤材料

光學(xué)編碼器使用三種不同類型的磁盤材料：玻璃、金屬和聚酯薄膜。磁盤的選擇涉及性能和對沖擊和振動(dòng)的響應(yīng)以及其他環(huán)境因素之間的權(quán)衡。對于直接讀取編碼器（不包括多分辨率正交插值），Dynapar為帶玻璃盤的編碼器提供高達(dá)10000 PPR，為帶金屬盤的編碼器提供5000 PPR聚酯薄膜盤，為帶金屬盤的編碼器提供高達(dá)2540 PPR。

雖然金屬磁盤在承受高沖擊載荷時(shí)非常堅(jiān)固，但它們的分辨率有一個(gè)上限。光刻圖案的玻璃磁盤提供了更高的分辨率，但它們?nèi)菀资艿骄幋a器沖擊，并且可能會破碎。聚酯薄膜提供了更好的選擇。有一種常見的誤解，即玻璃的性能超過了聚酯薄膜，但這是不正確的。Mylar碼盤提供光學(xué)編碼器中的最高分辨率，同時(shí)保持極強(qiáng)的魯棒性。

然而，Mylar代碼盤確實(shí)有一個(gè)報(bào)警。材料可能因過熱、變色甚至變形而損壞。為了成功，編碼器應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的全套條件進(jìn)行評級。

Dynapar編碼器組件

選擇合適的傳感引擎和磁盤材料僅代表編碼器規(guī)格的一部分。編碼器是一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的有效性取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。為了使編碼器可靠運(yùn)行，需要根據(jù)環(huán)境選擇電纜和軸承等支撐組件。

如果電纜松動(dòng)，編碼器無法工作。選擇即使在編碼器長時(shí)間振動(dòng)后仍保持接觸的鎖定連接器。根據(jù)振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間，接線可能需要擰入接頭或直接與端子接觸。

布線不是唯一易受連接問題影響的元件。長時(shí)間的振動(dòng)會使固定電子設(shè)備的PCB上的焊點(diǎn)斷裂。甚至連連接到連接器的電纜內(nèi)的導(dǎo)線也可能斷裂。由于這個(gè)特殊的原因，Dynapar的磁性編碼器完全封裝了電子元件。

盡可能避免使用軸承。高水平的振動(dòng)會改變軸承的負(fù)載。這會導(dǎo)致不均勻磨損，從而導(dǎo)致軸承過早失效，這也是為什么在造紙廠和鋼廠等惡劣環(huán)境中首選無軸承磁性編碼器的另一個(gè)原因。

沖擊和振動(dòng)對編碼器信號的影響

所有這些震動(dòng)不僅僅是將編碼器的操作置于危險(xiǎn)之中。沖擊和振動(dòng)會影響性能。由于磁性編碼器非常堅(jiān)固，它們可能不會顯示振動(dòng)的物理效應(yīng)。然而，信號中可能會出現(xiàn)問題。


振動(dòng)在信號中表現(xiàn)為過量噪聲，表現(xiàn)為抖動(dòng)。這是一種不同于通常由磁盤偏心引起的抖動(dòng)類型。偏心抖動(dòng)通常只出現(xiàn)在一個(gè)通道上，而另一個(gè)通道信號看起來很好。所有通道上都會顯示由過度系統(tǒng)振動(dòng)引起的抖動(dòng)。查看編碼器抖動(dòng)示例，并將其與失去耦合導(dǎo)致的編碼器振動(dòng)進(jìn)行比較

極高的沖擊可能使車輪或碼盤錯(cuò)位，這也可能影響信號質(zhì)量。這可能導(dǎo)致所有信道上的過度抖動(dòng)和/或兩個(gè)信道之間的相位變化。

Dynapar編碼器沖擊和振動(dòng)測試方法

在為高沖擊和振動(dòng)環(huán)境選擇編碼器時(shí)，數(shù)據(jù)表是不夠的。設(shè)計(jì)需要經(jīng)過嚴(yán)格的測試。Dynapar編碼器按照MIL-STD-202進(jìn)行測試，這需要掃描測試等技術(shù)。在此過程中，編碼器在給定范圍內(nèi)以不同頻率暴露于指定周期的正弦振動(dòng)。例如，在5至2000 Hz的頻率下，符合20Gs要求的編碼器將沿所有三個(gè)軸振動(dòng)24次10分鐘，總持續(xù)時(shí)間為12小時(shí)。供應(yīng)商應(yīng)提供每種設(shè)計(jì)的測試協(xié)議和性能的詳細(xì)結(jié)果。

像工程中的所有事情一樣，為惡劣環(huán)境選擇編碼器需要權(quán)衡。以上幾點(diǎn)給出了一般準(zhǔn)則。專門的應(yīng)用程序，如那些在惡劣環(huán)境下需要極高分辨率的應(yīng)用程序，將把這些技術(shù)推向極限。在某些情況下，OEM需要更頻繁地更換反饋設(shè)備。然而，在大多數(shù)情況下，與供應(yīng)商密切合作并告知他們所有專業(yè)需求將產(chǎn)生一個(gè)能夠滿足應(yīng)用程序需求的解決方案。

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