訊號問題圖鑑
症狀：高溫下訊號幅值下降——光源、間隙與近場條件的分離
高溫掉幅通常是光源光效下降、殼體與軸熱膨脹差改變間隙、波長紅移改變近場條件三項相乘。示例中 60 K 溫升三項分別約 −24%、−9.6%、−1.0%，合計約 −32%。本文給出疊加模型、工作點敏感度和從症狀分離碼盤、機械、讀數頭三側的試驗步驟。
馬達後端的編碼器常溫下幅值 1 Vpp，熱機到 85 ℃ 左右只剩約 0.7 Vpp，驅動器開始報訊號弱；停機冷卻後又恢復。這類問題的來源往往不止一個：光源發光效率隨溫度下降，殼體和軸的膨脹不一樣使讀數間隙變了，LED 波長紅移又改變了近場成像條件。讀數頭內部各溫漂項的機理在本文庫讀數頭溫度一篇裡已逐項討論，本文從症狀出發，回答一個更實際的問題：掉下去的幅值裡，碼盤、機械、讀數頭三側各佔多少，怎樣用幾組對比試驗把它們分開。
疊加模型：三個因子相乘
對影像式近場讀數，訊號幅值可以寫成
A(T)/A(T₀) = [P(T)/P₀] · [m(g(T), λ(T)) / m(g₀, λ₀)]
其中 P 為 LED 輻射功率，m 為基波調製度，g 為讀數間隙，λ 為峰值波長。佔空比 50% 的碼盤在部分相干照明下（推導見本文庫泰伯效應一篇）
m(g, λ) = cos(πλg/p²) · sinc(g·Δα/p)
p 為節距，Δα 為測量方向上的照明角寬。探測器響應度在近紅外段隨溫度略有上升，會抵消一小部分，下面的算例不計。三個因子分別對應：
- 光源光效：近紅外 LED 輻射功率溫度係數常見約 −0.1 ~ −0.6 %/K，隨材料和電流而異。
- 間隙：讀數頭裝在殼體上、碼盤裝在軸上，兩條熱膨脹路徑從同一個軸向定位面出發，Δg ≈ α_殼·L_殼·ΔT_殼 − α_軸·L_軸·ΔT_軸。鋁殼體（約 23×10⁻⁶/K）配鋼軸（假設約 12×10⁻⁶/K），軸向尺寸約 25 mm，均勻溫升 60 K 時約 16 μm。正負號取決於結構：轉子發熱使軸比殼體更熱時，差值可能變小甚至反號。
- 波長：峰值波長約 0.2–0.3 nm/K 紅移。在 cos 項裡 λ 與 g 以乘積出現，波長變化 Δλ 相當於間隙變化 g·Δλ/λ。
數值算例：60 K 溫升
假設 p = 20 μm、λ₀ = 880 nm、Δα = 20 mrad、g₀ = 100 μm，溫升 60 K：
| 專案 | 假設 | 幅值因子 |
|---|---|---|
| 光源光效 | −0.4 %/K | 0.760 |
| 間隙 | +15 μm | 0.904 |
| 波長 | +15 nm（0.25 nm/K） | 0.990 |
| 合計 | 三項相乘 | 0.678 |
總幅值下降約 32%，其中光源約佔四分之三。波長項只相當於約 1.7 μm 的間隙變化，比機械間隙項小一個數量級。
但這個比例強烈依賴工作點（見圖2）。同樣的 +15 μm 和 +15 nm，名義間隙 60 μm 時幅值分別只降約 5% 和 0.3%；名義間隙 200 μm 時，離基波零點 p²/(2λ) ≈ 227 μm 很近，分別降約 55% 和 12%，兩者疊加約 69%。也就是說，“高溫掉幅嚴重”有時並不是熱設計差，而是常溫工作點已經選在曲線陡峭段。
讀數頭有恆光閉環時，光源一項被 LED 電流補償，外部看到的掉幅只剩調製度部分，算例中約 11%；代價是驅動電流要增加約 1/0.76 − 1 ≈ 32%。若驅動餘量不夠，到某個溫度閉環飽和，幅值會在該點之後突然加速下降，這也是一個典型現象。
分離試驗：先看 A 和 S，再逐項確認
- 同時記錄幅值 A 與直流和 S。 S 為四相光電流之和，扣除 LED 關斷時測得的暗電流（高溫下暗電流會抬高 S）。升溫、保溫、再降回室溫，把軌跡畫在 A/A₀–S/S₀ 平面上（見圖3）：A 與 S 同比例下降，是光源或光路穿透率；S 基本不變而 A 下降，是調製度，即間隙、波長或碼盤姿態；降溫後回不到起點，是不可逆因素。有恆光閉環時 S 被鎖住，改為記錄 LED 驅動電流。
- 外部恆流點亮。 斷開板上驅動，用實驗室恆流源以常溫電流直接點亮 LED，再測 S 的溫度曲線。它反映 LED 本身的光效溫漂；若板上驅動時下降得更多，說明驅動電流本身在漂，查取樣電阻和基準。
- 冷熱態測間隙。 常溫下用墊片測出幅值—間隙曲線的斜率，再分別在冷態、熱態測實際間隙（塞尺、電容測頭或測讀數頭安裝面與碼盤面的相對位置），用 Δg 乘斜率預測調製度變化，與第 1 步的結果對賬。
- 分割槽加熱。 只加熱讀數頭、機械保持常溫，得到光源、波長和電路項；只加熱軸系和殼體、讀數頭吹風保持常溫，得到間隙項。兩者之和應接近整機升溫的結果。
- 換波長對比。 常溫下換一顆不同峰值波長的 LED，或在兩個間隙下各測一次，直接求出 ∂m/∂λ，乘以實際紅移量得到波長項。工作點遠離零點時它通常在 1% 量級，可以最先排除。
碼盤側的原因多半落在“不可逆”一類：膠粘劑或潤滑脂在高溫下揮發，冷凝在碼盤或視窗上形成薄霧；膠層軟化使碼盤傾斜，端跳增大，幅值每轉起伏一次的幅度隨溫度明顯加大。冷卻後用顯微鏡檢查碼盤表面，熱態複測端跳，即可確認。鉻膜本身的光學密度隨溫度和波長的變化很小，一般不是主因。
工程要點
- 用 A/A₀–S/S₀ 軌跡先分大類：沿對角線是光源，豎直下降是調製度，回不到起點是不可逆汙染或蠕變。
- 名義間隙儘量遠離 p²/(2λ)：p = 20 μm 時 g₀ 從 100 μm 移到 200 μm，同樣 15 μm 熱間隙變化的影響從約 10% 增到約 55%。
- 波長紅移等效於 g·Δλ/λ 的間隙變化，工作點合理時通常是最小的一項。
- 恆光閉環的驅動餘量要覆蓋最高溫度下的光效損失再加老化，算例中至少需 +32% 電流。
- 熱設計上讓讀數頭和碼盤的軸向基準儘量靠近同一個定位面，並核算軸比殼體更熱的工況。
- 先做外部恆流點亮和冷熱態測間隙這兩項低成本試驗，再決定是改讀數頭、改結構還是改工作點。
小結
高溫掉幅可以分解為光源光效、熱膨脹間隙和波長近場三個因子的乘積，示例中三者分別約 −24%、−9.6%、−1.0%，但比例隨名義間隙劇烈變化。記錄幅值與直流和的升降溫軌跡先分出光源型、調製度型和不可逆型，再用外部恆流點亮、冷熱態測間隙、分割槽加熱和換波長逐項確認，就能把責任落到碼盤、機械或讀數頭的具體一側。
延伸閱讀：ENC7 編碼器碼盤生產廠家（中文首頁） · 碼盤技術文庫
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