高冲击和振动环境如何选择合适的编码器？

高冲击和振动环境如何选择合适的编码器？

工业环境经常使设备受到高度冲击和振动。这可能会影响性能并损坏设备本身。作为Dynapar编码器(经过品牌变更之后，Dynapar现在已归于hengstler旗下)在国内的代理，和大家一起讨论一理在高冲击和振动环境中选择编码器所涉及的权衡，以及如何确保应用程序的适当寿命和性能。

在指定高冲击和高振动环境下的编码器振动水平较高的应用时，需要考虑三个关键因素：编码器传感引擎：光学与磁性、编码盘材料：玻璃、金属、聚酯薄膜、编码器组件：轴承、连接器等。

Dynapar编码器传感引擎

编码器可分为光学和磁性引擎。最常见的光电编码器由一个光源（通常是一个LED）、一个探测器和一个在它们之间传递的薄型编码盘组成。

光学编码器可以具有极高的分辨率，因此对于科学应用和半导体制造等专业制造至关重要。然而，它们可能容易受到冲击和振动。磁盘和源/探测器之间的气隙可小至0.020”。过度的冲击和振动会导致错位，从而使这些部件接触，导致损坏甚至灾难性故障。


相控阵光学编码器提供了一种替代方案。顾名思义，相控阵编码器使用一组探测器来捕获信号。这有助于平均由于编码器震动或编码器振动引起的信号变化。探测器阵列的固态特性也使其不易受到损坏。相控阵光学编码器可用于400G冲击和20G振动，并用于Dynapar编码器，如HS35R重型光学编码器。

对于最困难的环境，磁性编码器可能是最佳选择。磁性编码器的工作原理类似于旋转光学编码器，尽管它们是基于具有交替磁畴图案的金属轮。它们往往比光学编码器更坚固，不易受到编码器冲击和编码器振动的影响。这些设备是非接触式的，磁轮和探测器是广泛分离的。采用宽气隙设计的磁性编码器具有更大的间隙，如RIMTach RT8磁性系列的北极星编码器。

取舍是，磁轮的图案不能像光学编码器上的编码轮那样密集。因此，磁性编码器无法与光学设计的分辨率相匹配。

Dynapar编码器盘材料

光学编码器使用三种不同类型的磁盘材料：玻璃、金属和聚酯薄膜。磁盘的选择涉及性能和对冲击和振动的响应以及其他环境因素之间的权衡。对于直接读取编码器（不包括多分辨率正交插值），Dynapar为带玻璃盘的编码器提供高达10000 PPR，为带金属盘的编码器提供5000 PPR聚酯薄膜盘，为带金属盘的编码器提供高达2540 PPR。

虽然金属磁盘在承受高冲击载荷时非常坚固，但它们的分辨率有一个上限。光刻图案的玻璃磁盘提供了更高的分辨率，但它们容易受到编码器冲击，并且可能会破碎。聚酯薄膜提供了更好的选择。有一种常见的误解，即玻璃的性能超过了聚酯薄膜，但这是不正确的。Mylar码盘提供光学编码器中的最高分辨率，同时保持极强的鲁棒性。

然而，Mylar代码盘确实有一个报警。材料可能因过热、变色甚至变形而损坏。为了成功，编码器应根据应用的全套条件进行评级。

Dynapar编码器组件

选择合适的传感引擎和磁盘材料仅代表编码器规格的一部分。编码器是一个系统，系统的有效性取决于其最薄弱的环节。为了使编码器可靠运行，需要根据环境选择电缆和轴承等支撑组件。

如果电缆松动，编码器无法工作。选择即使在编码器长时间振动后仍保持接触的锁定连接器。根据振幅、频率和持续时间，接线可能需要拧入接头或直接与端子接触。

布线不是唯一易受连接问题影响的元件。长时间的振动会使固定电子设备的PCB上的焊点断裂。甚至连连接到连接器的电缆内的导线也可能断裂。由于这个特殊的原因，Dynapar的磁性编码器完全封装了电子元件。

尽可能避免使用轴承。高水平的振动会改变轴承的负载。这会导致不均匀磨损，从而导致轴承过早失效，这也是为什么在造纸厂和钢厂等恶劣环境中首选无轴承磁性编码器的另一个原因。

冲击和振动对编码器信号的影响

所有这些震动不仅仅是将编码器的操作置于危险之中。冲击和振动会影响性能。由于磁性编码器非常坚固，它们可能不会显示振动的物理效应。然而，信号中可能会出现问题。


振动在信号中表现为过量噪声，表现为抖动。这是一种不同于通常由磁盘偏心引起的抖动类型。偏心抖动通常只出现在一个通道上，而另一个通道信号看起来很好。所有通道上都会显示由过度系统振动引起的抖动。查看编码器抖动示例，并将其与失去耦合导致的编码器振动进行比较

极高的冲击可能使车轮或码盘错位，这也可能影响信号质量。这可能导致所有信道上的过度抖动和/或两个信道之间的相位变化。

Dynapar编码器冲击和振动测试方法

在为高冲击和振动环境选择编码器时，数据表是不够的。设计需要经过严格的测试。Dynapar编码器按照MIL-STD-202进行测试，这需要扫描测试等技术。在此过程中，编码器在给定范围内以不同频率暴露于指定周期的正弦振动。例如，在5至2000 Hz的频率下，符合20Gs要求的编码器将沿所有三个轴振动24次10分钟，总持续时间为12小时。供应商应提供每种设计的测试协议和性能的详细结果。

像工程中的所有事情一样，为恶劣环境选择编码器需要权衡。以上几点给出了一般准则。专门的应用程序，如那些在恶劣环境下需要极高分辨率的应用程序，将把这些技术推向极限。在某些情况下，OEM需要更频繁地更换反馈设备。然而，在大多数情况下，与供应商密切合作并告知他们所有专业需求将产生一个能够满足应用程序需求的解决方案。

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