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1、 光电编码器的原理及光电编码器的原理及应用应用 光电编码器的定义光电编码器的定义光电编码器光电编码器光电编码器光电编码器是利用是利用光电效应原理光电效应原理,将角度、,将角度、位置、转速等物理量转化为电气信号并加位置、转速等物理量转化为电气信号并加以输出的一种传感器。以输出的一种传感器。光电编码器在工业控制和自动化领域应用光电编码器在工业控制和自动化领域应用非常广泛。适用于测量的物理量有:速度;非常广泛。适用于测量的物理量有:速度;长度;角度;位置长度;角度;位置光电编码器的分类光电编码器的分类按测量方式的分类:旋转编码器直尺编码器旋转编码器:通过测量被测物体的旋转角度并将测量到的旋转角度转化
2、为脉冲电信号输出直尺编码器:直尺编码器:通过测量被测物体的直线行程长度并通过测量被测物体的直线行程长度并将测量到的行程长度转化为脉冲电信号输将测量到的行程长度转化为脉冲电信号输出出按编码方式的分类:按编码方式的分类:绝对式编码器绝对式编码器增量式编码器增量式编码器混合式编码器混合式编码器注:注:混合式绝对值编码器,它输出两组信息:混合式绝对值编码器,它输出两组信息:一组信息用于带有绝对信息功能;另一组一组信息用于带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。则完全同增量式编码器的输出信息。增量式旋转编码器增量式旋转编码器 增量式旋转编码器用光信号扫描码盘(码与转增量式旋转编码器用光信
3、号扫描码盘(码与转动轴相联),通过检测、统计信号的通断数量来动轴相联),通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度。计算旋转角度。工作原理工作原理工作原理工作原理:光学编码器由一个中心有轴的光电码盘,光学编码器由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,当圆盘旋转一个节距其上有环形通、暗的刻线,当圆盘旋转一个节距时,在发光元件照射下,光敏元件得到时,在发光元件照射下,光敏元件得到A A,B B信号信号为具有为具有9090度相位差的正弦波,这组信号经放大器度相位差的正弦波,这组信号经放大器放大与整形,得到的输出方波,放大与整形,得到的输出方波,A A相比相比B B相超前相超前9090度,其
4、电压幅值一般为度,其电压幅值一般为5V5V。当。当A A相超前前相超前前B B相时为相时为正方向旋转,若正方向旋转,若B B相超前相超前A A相时即为负方向旋转,相时即为负方向旋转,利用利用A A相与相与B B相的相位关系可以判别编码器的的正相的相位关系可以判别编码器的的正转与反转,转与反转,Z Z相产生的脉冲为基准脉冲,又称零点相产生的脉冲为基准脉冲,又称零点脉冲,它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉脉冲,它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲,可获得编码器的零位参考位。冲,可获得编码器的零位参考位。工作原理图工作原理图 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料,玻编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑
5、料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高;金属码盘直接以通和不通刻线,不好,精度高;金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级;塑料码其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级;塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。寿命均要差一些。分辨率分辨率分辨率分辨率:编码器以每旋转编码器以每旋转360360度提供多少的通或暗刻度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直
6、接称多少线,线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度一般在每转分度510000510000线。线。增量型旋转编码器的输出增量型旋转编码器的输出信号输出:信号输出有正弦波信号输出:信号输出有正弦波(电流或电压电流或电压),),方波方波(TTL(TTL、HTL),HTL),集电极开路集电极开路(PNP(PNP、NPN),NPN),推拉式多种推拉式多种形式,其中形式,其中TTLTTL为长线差分驱动为长线差分驱动(对称对称A,A-;B,B-A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL;Z,Z-),HTL也称推拉式、推挽式输出,编码器的也称推拉式、推挽式输出,编码器的信号接收设备接口应与编码
7、器对应。信号接收设备接口应与编码器对应。倍频原理倍频原理:对于方波信号,A,B两相相差90度相(1/4T),这样,在0度相位角,90度,180度,270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿,这样,实际上在1/4T方波周期就可以有角度变化的判断,这样1/4的T周期就是最小测量步距,通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取角度的变化,这就是方波的四倍频。这种判断,也可以用逻辑来做,0代表低,1代表高,A/B两相在一个周期内变化是0 0,0 1,1 1,1 0。这种判断不仅可以4倍频,还可以判断旋转方向。辩相原理:辩相原理:辩相原理:辩相原理:增量式光电编码器输出两路相位相差增量式
8、光电编码器输出两路相位相差90o90o的的脉冲信号脉冲信号A A和和B B,当电机正转时,脉冲信号,当电机正转时,脉冲信号A A的相位超前脉的相位超前脉冲信号冲信号B B的相位的相位90o90o,此时逻辑电路处理后可形成高电平的,此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号方向信号DirDir。当电机反转时,脉冲信号。当电机反转时,脉冲信号A A的相位滞后脉冲的相位滞后脉冲信号信号B B的相位的相位90o90o,此时逻辑电路处理后的方向信号,此时逻辑电路处理后的方向信号DirDir为为低电平。因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。低电平。因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。其转速辩相
9、的原理如下图所示:其转速辩相的原理如下图所示:各输出形式的特点:各输出形式的特点:单通道连接:用于单方向计数,单方向测速。不适单通道连接:用于单方向计数,单方向测速。不适用于变频器反转。用于变频器反转。A,BA,B通道连接:用于正反向计数,判断正反向和测速。通道连接:用于正反向计数,判断正反向和测速。A,B,ZA,B,Z通道连接:用于带参考位修正的位置测量。通道连接:用于带参考位修正的位置测量。A,A-,B,B-,Z,Z-A,A-,B,B-,Z,Z-连接:由于带有对称负信号的连接,连接:由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为电流对于电缆贡献的电磁场为0 0,衰减较少,抗干,衰减较
10、少,抗干扰最佳,可传输较远的距离。扰最佳,可传输较远的距离。对于对于TTLTTL的带有对称负信号输出的编码器,采用匹配的带有对称负信号输出的编码器,采用匹配电缆信号传输距离可达电缆信号传输距离可达150150米。米。对于对于HTLHTL的带有对称负信号输出的编码器,采用匹配的带有对称负信号输出的编码器,采用匹配电缆信号传输距离可达电缆信号传输距离可达300300米。米。增量式旋转编码器的特点增量式旋转编码器的特点 编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号,通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度,因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉冲信号,因此旋转角度的起始位可以任意设定由于采
11、用相对编码,因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位注:旋转增量值编码器以转动时输出脉冲,通过计数设备来计算其注:旋转增量值编码器以转动时输出脉冲,通过计数设备来计算其位置,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样,当停电后,编码器不能有任何的移动,当来电工作位置。这样,当停电后,编码器不能有任何的移动,当来电工作时,编码器输出脉冲过程中,也可能有干扰而丢失脉冲,不然,时,编码器输出脉冲过程中,也可能有干扰而丢失脉冲,不然,计数设备计算并记忆的零点就会偏移,而且这种偏移的量是无从计数设备计算并记忆的零点就会偏移,而且这
12、种偏移的量是无从知道的,只有错误的结果出现后才能知道。知道的,只有错误的结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点,编码器每经过参考点,将参考位解决的方法是增加参考点,编码器每经过参考点,将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前,但不能保证位置置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前,但不能保证位置的准确性的。在工控中就有每次操作先找参考点,开机找零等方的准确性的。在工控中就有每次操作先找参考点,开机找零等方法。法。这样的方法对有些工控项目比较麻烦,甚至不允许开机找零这样的方法对有些工控项目比较麻烦,甚至不允许开机找零(开机后就要知道准确位置开机后就要知道准确位置),有一些工况也不允许
13、使用中因干扰,有一些工况也不允许使用中因干扰影响而产生位置错误,于是就有了绝对值编码器的出现。影响而产生位置错误,于是就有了绝对值编码器的出现。绝对式旋转编码器绝对式旋转编码器用光信号扫描分度盘(分度盘与传动轴相用光信号扫描分度盘(分度盘与传动轴相联)上的格雷码或二进制码刻度盘以确定联)上的格雷码或二进制码刻度盘以确定被测物的绝对位置值,然后将检测到的格被测物的绝对位置值,然后将检测到的格雷码或二进制码数据转换为电信号以脉冲雷码或二进制码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量的形式输出测量的位移量绝对式旋转编码器的原理图绝对式旋转编码器的原理图 组成:由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘)、
14、组成:由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘)、窄缝窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。原理:码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,原理:码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,通过亮区的光线经窄缝后,通过亮区的光线经窄缝后,由光敏元件接收。光敏元由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应,件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗区的光敏对应于亮区和
15、暗区的光敏元件输出的信号,前者为元件输出的信号,前者为“1”1”,后者为,后者为“0”0”。当码当码盘旋至不同位置时,光敏元件输出信号的组合,反映出盘旋至不同位置时,光敏元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘轴的角位移大小。按一定规律编码的数字量,代表了码盘轴的角位移大小。绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以2 2线、线、4 4线、线、8 8线、线、16 16 线线编排,这样,在编码器的每一个位置,编排,这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2
16、 2的零次方到的零次方到2 2的的n-1n-1次次方的唯一的方的唯一的2 2进制编码进制编码(格雷码格雷码),这就称为,这就称为n n位绝对编码器。这样位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的的编码器是由光电码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的,它无绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位置,什么时候就去读取它的位置。这样,编码器的抗干扰特性、位置,什么时候就去读取它的位置。这样,编
17、码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。数据的可靠性大大提高了。旋转单圈绝对值编码器,以转动中测量光电码盘各道刻线,旋转单圈绝对值编码器,以转动中测量光电码盘各道刻线,以获取唯一的编码,当转动超过以获取唯一的编码,当转动超过360360度时,编码又回到原点,这度时,编码又回到原点,这样就不符合绝对编码唯一的原则,这样的编码只能用于旋转范围样就不符合绝对编码唯一的原则,这样的编码只能用于旋转范围360360度以内的测量,称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超度以内的测量,称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过过360360度范围,就要用到多圈绝对值编码器度范围,就要用到多圈绝对值编码器 单圈
18、原理单圈原理图图绝对位置从码盘上读取在码盘上,每一位对应一个码道每个数位编码器对应一个输出电路每一个通道都包含一个光源的接收器每圈(360)读数完成后,将重复读数输出对于多转绝对值旋转编码器对于多转绝对值旋转编码器 编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮,多组码盘),在单圈编码的基础上再增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围,这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器,它同样是由机械位置确定编码,每个位置编码唯一不重复,而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大,实际使用往往富裕较多,这样在安装时不必要费劲找零点,将某一中间位置作为起始点就
19、可以了,而大大简化了安装调试难度。码盘按其所用码制可分为二进制码、循环码、BCD码等。码制转换码制转换采用二进制编码器时,任何微小的制作误差,都采用二进制编码器时,任何微小的制作误差,都可能造成读数的粗误差。可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时,当某一较高的数码改变时,所有比它低的各位数所有比它低的各位数码均需同时改变。码均需同时改变。为了消除粗误差,可用循环码代替二进制码。循为了消除粗误差,可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码,从任何数变到相邻数时,仅环码是一种无权码,从任何数变到相邻数时,仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差,有
20、一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差,只要误差不太大,且只可能有一个码道出现读数只要误差不太大,且只可能有一个码道出现读数误差,产生的误差最多等于最低位的一个比特误差,产生的误差最多等于最低位的一个比特 以6位二进制码盘例:对于6位二进制码盘,最内圈码盘一半透光,一半不透光,最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000(全黑);第23个方位对应于010111。这样在测量时,只要根据码盘的起始和终止位置,就可以确定角位移,而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率,即能分辨的角度为=360/2n,一个6位二进制码盘,其最小分辨的角
21、度5.6。对于n位循环码码盘,与二进制码一样,具有2n种不同编码,最小分辨率=360/2n。绝对值旋转编码器的输出绝对值旋转编码器的输出 绝对值编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线绝对值编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出等,单圈低位数的编码器一般用并行信号输出,型输出等,单圈低位数的编码器一般用并行信号输出,而高位数的和多圈的编码器输出信号不用并行信号(并而高位数的和多圈的编码器输出信号不用并行信号(并行信号连接线多,易错码易损坏),一般为串行或总线行信号连接线多,易错码易损坏),一般为串行或总线型输出。其中串行最常用的是时钟同步串联信号型输出。其中串行最常用的是时钟同步串联信
22、号(SSISSI);总线型最常用的是);总线型最常用的是PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP型,其他的还型,其他的还有有DeviceNet,CAN,CC-linkDeviceNet,CAN,CC-link等。等。注:对于现场总线接口要对编码器的参数进行设置可编程的参数有:旋转方向;旋转方向;脉冲数和转数;脉冲数和转数;总分辨率;总分辨率;预置值;预置值;诊断模式等诊断模式等绝对式旋转编码器的特点绝对式旋转编码器的特点在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码,因此编码器输出的位置数据是唯一的因使用机械连接的方式,在掉电时编码器的位置不会改变,上电后立即可以取得当前位置数据检测到的数
23、据为格雷码,因此不存在模拟量信号的检测误差混合式旋转编码器混合式旋转编码器 用光信号扫描分度盘(分度盘与转动轴相联),通过检测、统计光信号的通断数量来计算旋转角度 混合式旋转编码器的特点:同时输出绝对旋转角度编码与相对旋转角度编码具备绝对编码器的旋转角度编码的唯一性与增量编码器的应用灵活性特点:数字编码,根据旋转角度输出脉冲信号根据旋转脉冲数量可以转换为速度选型:-旋转一周对应的脉冲数(256,512,1024,2048)-输出信号类型(TTL,HTL,push-pull mode)-电压类型(5V,24V)-最大分辨率优点:-分辨能力强-测量范围大-适应大多数情况缺点:-断电后丢失位置信号-
24、技术专有,兼容性较差用途:主要用于测速增量式编码器综述增量式编码器综述特点:数字编码,根据旋转角度输出脉冲信号根据输出的脉冲信号可以转化为速度.选型:-单编码盘/多编码盘(测量一个或二个旋转变量)-代码(格雷码,BCD码,二进制码)-信号传输方式(并口,串口)-分辨率-最大旋转速度优点:-结构简单-角行程编码(通过旋转轴获得)-线性编码(激光远距离测量)-掉电不影响编码数据的获得-最大24位编码缺点:-比较贵用途:角度控制;定位;测长绝对式编码器综述绝对式编码器综述旋转编码器的安装旋转编码器的安装机械方面:机械方面:由于编码器属于高精度机电一体化设备,由于编码器属于高精度机电一体化设备,所以编
25、码器轴与用户端输出轴之间需要采所以编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接,以避免因用户轴的串动、用弹性软连接,以避免因用户轴的串动、跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏安装时注意允许的轴负载安装时注意允许的轴负载应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度0.20mm0.20mm,与轴线的偏角,与轴线的偏角1.51.5安装时严禁敲击和摔打碰撞,以免损坏轴安装时严禁敲击和摔打碰撞,以免损坏轴系和码盘系和码盘 长期使用时,定期检查固定编码器的螺钉长期使用时,定期检查固定编码器的螺钉是否松动是否松动 (每季度一次)(每季度一次)电气方面:
26、电气方面:接地线应尽量粗,一般应大于接地线应尽量粗,一般应大于1.51.5平方平方 编码器的输出线彼此不要搭接,以免损坏输出电编码器的输出线彼此不要搭接,以免损坏输出电路路 编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上,以免损坏输出电路上,以免损坏输出电路 与编码器相连的电机等设备,应接地良好,不要与编码器相连的电机等设备,应接地良好,不要有静电有静电 配线时应采用屏蔽电缆配线时应采用屏蔽电缆 开机前,应仔细检查,产品说明书与编码器型号开机前,应仔细检查,产品说明书与编码器型号是否相符,接线是否正确是否相符,接线是否正确 长距离传输时,应考虑信号衰减因
27、素,选用具备长距离传输时,应考虑信号衰减因素,选用具备输出阻抗低,抗干扰能力强的型号输出阻抗低,抗干扰能力强的型号环境方面:编码器是精密仪器,使用时要注意周围有无振源及干扰源 不是防漏结构的编码器不要溅上水、油等,必要时要加上防护罩 注意环境温度、湿度是否在仪器使用要求范围之内光电编码器的测速方法光电编码器的测速方法 在下图中列出了三种常用的基于光电编码器的测速方法,假定时钟频率为 f,光电编码器每转脉冲数为 P。M1 和 M2 分别是对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值。1.“M 法”测速 通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速,适用于高速场合。如图1(a)所示;设在固定时间
28、 T 内测得的编码器脉冲数为 M1,则转速为:2.“T 法”测速 通过测量编码器两个相邻脉冲的时间 间隔来计算转速,适用于速度比较低的场 合,当转速较高时其准确性较差。由图1(b)可以得到:3.“M/T 法”测速 “M/TM/T法法”则是前两种方法的结合则是前两种方法的结合,同时测量一定个数编码器脉同时测量一定个数编码器脉冲和产生这些脉冲所花的时间,在整个速度范围内都有较好的准冲和产生这些脉冲所花的时间,在整个速度范围内都有较好的准确性,但是对于低速,该方法需要较长的检测时间才能保证结果确性,但是对于低速,该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性,无法满足转速检测系统的快速动态响应指标。的
29、准确性,无法满足转速检测系统的快速动态响应指标。由由(c c)得:)得:变频器与编码器的连接变频器与编码器的连接 对于有对于有DRIVE-CLIQDRIVE-CLIQ口的编码器,可于口的编码器,可于S120S120的控制单的控制单元元CU320CU320的的DRIVE-CLIQDRIVE-CLIQ口直接相连。口直接相连。编码器的使用实例编码器的使用实例 其内容包括编码器的硬件连接,软件的组态以及程序的实现 硬件连接硬件连接:将编码器接入PROFIBUS网络中,根据物理位置将编码器放在了网络的中,按照下图进行接线连接软件组态软件组态:硬件设备连接完成以后,硬件设备连接完成以后,开始对开始对PRO
30、FIBUS-DP PROFIBUS-DP 网络进行组态及设置编码器的从站地网络进行组态及设置编码器的从站地址。址。程序实现程序实现:编码器的控制程序主要包括:编码器编码器的控制程序主要包括:编码器在主站中的组态器取值范围的设定,在主站中的组态器取值范围的设定,编码器的编编码器的编码值要与机械位置的一一对应。码值要与机械位置的一一对应。TR_ENCODER 功能功能 1.1.Read the raw data value from the Profibus DP encoder and convert to a Read the raw data value from the Profibus
31、DP encoder and convert to a physical measurement value,whilst factoring in the encoder constant.physical measurement value,whilst factoring in the encoder constant.(读取(读取编码器原始数据,转换成带物理含义测量值)编码器原始数据,转换成带物理含义测量值)2.2.Calibrate the encoder with/without offset(zero point shift).Calibrate the encoder with
32、/without offset(zero point shift).(校准编(校准编码器)码器)3.3.Monitor the calibration range in automatic calibration procedures.Monitor the calibration range in automatic calibration procedures.(监(监视校准范围)视校准范围)4.4.Configuration error monitoring.Configuration error monitoring.(参数配置故障监视)(参数配置故障监视)ENC_VALUE :DIN
33、TACT_VALUE :Real旋转编码器Maximum Measurement Length 409640961 线性传感器Maximum Measurement Length测量范围/精度 200mm,0.1=2000Normalize the EncoderCONST_PER_I ACT_VALUE=ENC_VALUE*CONST_PER_I Calibrate Encoder 校准校准PRES_VALUEENC_PRESMonitoring the Calibration RangeMONIT_TOLPRES_VALUE Configuration Error MonitoringThe configuration error is set when:ADDRESSE_L_S is invalid,orADDRESSE_L_S is invalid,or0 MAX_MEAS_RANGE 1,6777,215,or0 MAX_MEAS_RANGE 1,6777,215,orCONST_PER_I 0,orCONST_PER_I 0,orPRES_VAL OFFSET,or PRES_VAL MAX_MEAS_VAL*CONST_PER_IPRES_VAL MAX_MEAS_VAL*CONST_PER_I
限制150内