摘 要 介绍光电编码器原理和结构，结合医疗仪器西门子AR-STAR螺旋CT、柯达900及850系列CR、Fabius CE型麻醉机故障维修案例，讨论光电编码器的故障分析和处理方法。

　　关键词 传感器 光电编码器 脉冲波形
　　引 言
　　光电编码器是集光、机、电技术一体的数字化传感器，能有效地测量仪器的机械运动状态，是现代工业中应用最多的编码器[1]，在各类医疗仪器中也得到大量采用，如：CT机架旋转角度、速度测量，麻醉机活塞行程长度的转换测量，机械部件的位置测量以及运动方向的测量等等。
其输出脉冲往往与控制电路形成一个闭环控制，精确有效地控制着仪器运动。
因为光电编码器输出是具有一定相位的脉冲波形，容易受环境影响[2]，在分析测量光电编码器的工作状态和影响因素时，广东深圳专业永磁核磁共振产品设计公司工业设计心得体会有一定难度。
所以了解光电编码器的原理结构和特性，有助于工程师对机械运动控制系统的故障做出准确判断。

　　1 光电编码器的工作原理和结构
　　光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器（见图1）。
光电编码器由光电检测装置和光栅盘组成[3]。
光电检测装置是由发光二极管、光敏管等电子元件组成；光栅盘的形状是一个等分、开通若干个长方形孔的圆板（光电码盘），与电动机同轴。
当电动机旋转时，光栅盘与电动机同步旋转，发光二极管的光束被光栅盘调制，通过光敏管接收产生若干脉冲信号（见图2）。
通过计算单位时间内光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速或距离；为判断旋转方向，光电码盘还可提供相位相差90°的2路脉冲信号[4]。

　　光电编码器与传统机械测量位移装置相比，具有精度高、抗干扰能力强、易维护、性价比高的优势[5]，但是它的结构也决定自身的局限性。
光电编码器是通过在码盘上刻线来计算精度，所以精度越高，码盘越大，编码器体积越大，工艺和成本就越高；并且精度也不是连续的。
此外，在恶劣环境下，如振动、污染、温度变化大的条件下，性能不够稳定。

　　医疗仪器是仪器设备中一个较为高端的领域，光电编码器有着大量应用，其中进口元器件占有相当大比例，价值昂贵，了解光电编码器的原理结构和特性，可以提高维护效率，降低成本。

　　2 案例分析
　　2.1 故障1
　　为保证扫描图像质量及设备安全，螺旋CT扫描对机架旋转部分的要求是：测量范围内保持恒定速度、旋转机架位置的检测。

　　2.1.1 故障现象 西门子AR-STAR螺旋CT控制广东深圳专业医用器材工业产品设计深圳台作warm up及calibration等与机架旋转相关的程序都失败；且每次机架刚启动，电机保护性停止，能清楚地听到继电器跳开的声音。

　　2.1.2 故障分析和处理 该型螺旋CT的旋转机架检测单元是个典型的光电编码器结构。
该型CT在扫描机架孔的一圈安装一个圆环状的光阑系统，圆环上有2047个割槽以及外端一个割槽[6]，如同一个巨大的光电码盘。
在机架孔内侧的D33光电检测板上安装光偶GP1A30R。
当机架旋转时候，光阑使得光敏管接收光线间断，产生反映机架旋转状态的脉冲AP（Angular pulse）[7]，传送至计算机控制板master板，控制电机驱动单元。

　　检查errorlog中错误代码，发现ER07b多次随故障现象出现。
ER07b是提示机架AP信号异常。
因为螺旋CT机架经常工作在高速旋转的状态，空气流动较快，细小灰尘很容易污染光电电路。
所以根据故障现象和编码器结构原理，重点怀疑D33光电部分出现故障。
在机架断电状态下，确认D33板上电路无损坏后，清洁光阑和光电管。
然后机架上电，作reset通过，与机架旋转相关的执行程序皆正常通过。

　　光电编码器的结构导致其易受环境的振动影响，机架高速旋转中，特别是在启动和停止时刻，有机械位置振动等微小变化，随着位移量的积累，需及时校正光电编码器至与旋转部件同步位置。
所以该型CT维护程序之一是要作光电编码器的位置校正。

　　2.2 故障2
　　柯达900及850系列CR通过激光扫描装置对IP板进行逐行扫描来获取原始影像。
为保证图像质量的一致性和预置位置点的机械配合，系统要求IP板扫描电机匀速并精确可控。
CR900设计SLOW SCAN扫描装置，由电机连接丝杆带动IP板在扫描区域匀速运动。
在SLOW SCAN电机最下端，使用光电编码器联动来测量电机转速、行程及方向等变量，并传输给控制板A6来控制电机运动[8]。

　　2.2.1 故广东深圳专业威力方舟输液泵产品设计公司工业设计障现象 柯达900CR扫描图像有横向水平伪影。

　　2.2.2 故障分析和处理 进入维修模式做SLOW SCAN的测试程序，发现电机驱动电流及速度幅值图与标准图形明显不同，可确定是SLOW SCAN电机或伺服控制系统故障。
该电机伺服系统的主要元件——光电编码器在机器的最下面水平放置，容易受到湿气、灰尘污染，恶劣的工作环境导致光电编码器输出异常，直接影响到电机控制。

　　把SLOW SCAN电机连同丝杆、编码器拆下，发现丝杆油泥较厚，电机运动部分行程有一定阻尼；继续拆开编码器，发现码盘及光电发送接收部分都很脏，已经严重影响光电脉冲的正常输出。

　　对编码器码盘和发光二极管、光敏管进行清洁，保证脉冲正常输出，并清除电机丝杆油泥，再作SLOW SCAN的电流及速度测试，幅值图符合标准，作正常扫描，图像伪影消失。

　　2.3 故障3
　　Draeger公司Fabius CE型麻醉机的呼吸机马达控制采用光电编码器（Incremental encoder）检测活塞行程和运动[9]。

　　2.3.1 故障现象 开机后，活塞一直冲顶到螺杆机械位置的顶端。

　　2.3.2 故障分析和处理 首先，从POWER板测量呼吸机马达电源为正常的27V，排除马达驱动电源问题。
马达的起步位置设计一个光耦开关来确定行程初始位；马达运行中，通过广东深圳专业永磁核磁共振产品设计公司工业设计心广东深圳专业医用产品外壳工业产品设计医疗信息系统安全性设计得体会光电编码器来测量行程位置和长度。
　　从故障现象初步判断控制系统失控。
从马达底部拆下光电编码器，在通电情况下，观察其结构由发光二级管、光敏管和很小的码盘组成；是通过脉冲计数来测量电机运动状态，但是始终无法看到发光管的红光。
因此判断光电编码器损坏，更换同型号编码器后，马达不再冲顶，顺应性测试也顺利通过，仪器恢复正常。

　　3 小结
　　光电编码器多为进口元器件，当其发生故障时，国外公司多以更换整个控制单元来维修，价格昂贵（约几万到十几万元）且修复周期长。
如果工程师能在掌握其特性基础上，采用合适方法，即可提高维护效率又可为医院节省大量经费，对保障医疗设备正常运行起到事半功倍的效果。

　　目前，光电编码器以其诸多的优点在医疗仪器领域中发挥着重要作用，未来也会向着更高精度、小型化和提高恶劣环境下可靠性等方面不断发展[10]，这就要求维护人员不断充实自己，总结出规律，并结合仪器的工作状态，灵活运用各种方法，提高对该类元器件的维护能力。

　　参考文献
　　[1] 李红果. 一种光电编码器位置检测系统研究与应用[J]. 微计算机信息， 2008， 24（2）：88-89， 211.
　　[2] 吕恒毅， 刘扬 陈兴林. 光电编码器的高可靠性数字译码方案研究[J].自动化技术与应用， 2009， 28（1广东深圳专业医用器材工业产品设计深圳2）：47-49， 53.
　　[3] 皮光宇. 浅谈光电编码器在提升机电控系统中的应用[J]. 矿山机械， 2009， （5）：102-103.
　　[4] 郑建华. 光电编码器在矿井提升电控系统中的应用[J].新疆有色金属， 2010， （2）：64，66.
　　[5] 翟世宽. Z脉冲信号在光电编码器位移校正中的研究和应用[J]. 自动化应用， 2002， （4）：81-84.
　　[6] 李自强. SOMATOM AR CT故障维修2例[J].医疗设备信息， 2005， 20（10）：86.
　　[7] 杨兴民， 姜小平， 祝莉. 旋转编码器的原理及调整[J].医疗设备信息， 2002， （9）：16， 28.
　　[8] 周军. CR950 ERROR 14008的维修[J]. 临床放射学杂志， 2009， 28（8）：11-12.
　　[9] 王海鹰. Draeger麻醉广东深圳专业华大基因产品设计公司工业设计机常见故障解析[J].医疗装备， 2010， 23（9）：20.
　　[10] 刘长顺，王显军，韩旭东，等. 八矩阵超小型绝对式光电编码器[J].光学精密仪器，2010，18（2）：326-333.