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     瑞士ELCO宜科旋轉(zhuǎn)編碼器如何使用和工作原理解析

ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測(cè)量轉(zhuǎn)速并配合PWM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)速的裝置，光電式ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出（REP）。

分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。

有軸型：有軸型又可分為夾緊法蘭型、同步法蘭型和伺服安裝型等。

軸套型：軸套型又可分為半空型、全空型和大口徑型等。

以編碼器工作原理可分為：光電式、磁電式和觸點(diǎn)電刷式。

按碼盤的刻孔方式不同分類編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無(wú)關(guān)。

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移的量是無(wú)從知道的，只有錯(cuò)誤的結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。

解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法。

比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機(jī)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。

這樣的方法對(duì)有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開機(jī)找零（開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了絕對(duì)編碼器的出現(xiàn)。

絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個(gè)位置絕對(duì)、抗、無(wú)需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長(zhǎng)度測(cè)量和定位控制。

絕對(duì)編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、的影響。

ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器/增量或絕對(duì)值編碼器/拉線編碼器

ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器/增量或絕對(duì)值編碼器/拉線編碼器(16張)

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

由于絕對(duì)編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。絕對(duì)型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號(hào)必須確保連接很好，對(duì)于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對(duì)編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國(guó)生產(chǎn)的絕對(duì)型編碼器串行輸出的是SSI（同步串行輸出）。

由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。

ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器。

信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。

如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。

A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。

A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。

A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，在后續(xù)的差分輸入電路中，將共模噪聲抑制，只取有用的差模信號(hào)，因此其抗能力強(qiáng)，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。

對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。

ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器由精密器件構(gòu)成，故當(dāng)受到較大的沖擊時(shí)，可能會(huì)損壞內(nèi)部功能，使用上應(yīng)充分注意。

安裝

安裝時(shí)不要給軸施加直接的沖擊。

編碼器軸與機(jī)器的連接，應(yīng)使用柔性連接器。在軸上裝連接器時(shí)，不要硬壓入。即使使用連接器，因安裝不良，也有可能給軸加上比允許負(fù)荷還大的負(fù)荷，或造成撥芯現(xiàn)象，因此，要特別注意。

軸承壽命與使用條件有關(guān)，受軸承荷重的影響特別大。如軸承負(fù)荷比規(guī)定荷重小，可大大延長(zhǎng)軸承壽命。

不要將ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行拆解，這樣做將有損防油和防滴性能。防滴型產(chǎn)品不宜長(zhǎng)期浸在水、油中，表面有水、油時(shí)應(yīng)擦拭干凈。

振動(dòng)

加在ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器上的振動(dòng)，往往會(huì)成為誤脈沖發(fā)生的原因。因此，應(yīng)對(duì)設(shè)置場(chǎng)所、安裝場(chǎng)所加以注意。每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖數(shù)越多，旋轉(zhuǎn)槽圓盤的槽孔間隔越窄，越易受到振動(dòng)的影響。在低速旋轉(zhuǎn)或停止時(shí)，加在軸或本體上的振動(dòng)使旋轉(zhuǎn)槽圓盤抖動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生誤脈沖。

關(guān)于配線和連接

誤配線，可能會(huì)損壞內(nèi)部回路，故在配線時(shí)應(yīng)充分注意：

配線應(yīng)在電源OFF狀態(tài)下進(jìn)行，電源接通時(shí)，若輸出線接觸電源，則有時(shí)會(huì)損壞輸出回路。

若配線錯(cuò)誤，則有時(shí)會(huì)損壞內(nèi)部回路，所以配線時(shí)應(yīng)充分注意電源的極性等。

若和高壓線、動(dòng)力線并行配線，則有時(shí)會(huì)受到感應(yīng)造成誤動(dòng)作成損壞，所以要分離開另行配線。

延長(zhǎng)電線時(shí)，應(yīng)在10m以下。并且由于電線的分布容量，波形的上升、下降時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，有問題時(shí)，采用施密特回路等對(duì)波形進(jìn)行整形。

為了避免感應(yīng)噪聲等，要盡量用最短距離配線。向集成電路輸入時(shí)，特別需要注意。

電線延長(zhǎng)時(shí)，因?qū)w電阻及線間電容的影響，波形的上升、下降時(shí)間加長(zhǎng)，容易產(chǎn)生信號(hào)間的（串音），因此應(yīng)用電阻小、線間電容低的電線（雙絞線、屏蔽線）。

對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。

ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器。

增量式

增量式編碼器軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的相位輸出。其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減，需借助后部的判向電路和計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。其計(jì)數(shù)起點(diǎn)可任意設(shè)定，并可實(shí)現(xiàn)多圈的無(wú)限累加和測(cè)量。還可以把每轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖的Z信號(hào)，作為參考機(jī)械零位。當(dāng)脈沖已固定，而需要提高分辨率時(shí)，可利用帶90度相位差A(yù)，B的兩路信號(hào)，對(duì)原脈沖數(shù)進(jìn)行倍頻。

絕對(duì)值

絕對(duì)值編碼器軸旋轉(zhuǎn)器時(shí)，有與位置一一對(duì)應(yīng)的代碼（二進(jìn)制，BCD碼等）輸出，從代碼大小的變更即可判別正反方向和位移所處的位置，而無(wú)需判向電路。它有一個(gè)絕對(duì)零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后再開機(jī)重新測(cè)量時(shí)，仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置地代碼，并準(zhǔn)確地找到零位代碼。一般情況下絕對(duì)值編碼器的測(cè)量范圍為0～360度，但特殊型號(hào)也可實(shí)現(xiàn)多圈測(cè)量。

正弦波

正弦波編碼器也屬于增量式編碼器，主要的區(qū)別在于輸出信號(hào)是正弦波模擬量信號(hào)，而不是數(shù)字量信號(hào)。它的出現(xiàn)主要是為了滿足電氣領(lǐng)域的需要－用作電動(dòng)機(jī)的反饋檢測(cè)元件。在與其它系統(tǒng)相比的基礎(chǔ)上，人們需要提高動(dòng)態(tài)特性時(shí)可以采用這種編碼器。

為了保證良好的電機(jī)控制性能，編碼器的反饋信號(hào)必須能夠提供大量的脈沖，尤其是在轉(zhuǎn)速很低的時(shí)候，采用傳統(tǒng)的增量式編碼器產(chǎn)生大量的脈沖，從許多方面來看都有問題，當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)（6000rpm）時(shí)，傳輸和處理數(shù)字信號(hào)是困難的。

在這種情況下，處理給伺服電機(jī)的信號(hào)所需帶寬（例如編碼器每轉(zhuǎn)脈沖為10000）將很容易地超過MHz門限；而另一方面采用模擬信號(hào)大大減少了上述麻煩，并有能力模擬編碼器的大量脈沖。這要感謝正弦和余弦信號(hào)的內(nèi)插法，它為旋轉(zhuǎn)角度提供了計(jì)算方法。這種方法可以獲得基本正弦的高倍增加，例如可從每轉(zhuǎn)1024個(gè)正弦波編碼器中，獲得每轉(zhuǎn)超過1000，000個(gè)脈沖。接受此信號(hào)所需的帶寬只要稍許大于100KHz即已足夠。內(nèi)插倍頻需由二次系統(tǒng)完成。

信號(hào)序列

一般編碼器輸出信號(hào)除A、B兩相（A、B兩通道的信號(hào)序列相位差為90度）外，每轉(zhuǎn)一圈還輸出一個(gè)零位脈沖Z。

當(dāng)主軸以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，按圖1輸出脈沖，A通道信號(hào)位于B通道之前；當(dāng)主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A通道信號(hào)則位于B通道之后。從而由此判斷主軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

正弦輸出編碼器輸出的差分信號(hào)如圖2所示：

零位信號(hào)

編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)一個(gè)脈沖，稱之為零位脈沖或標(biāo)識(shí)脈沖，零位脈沖用于決定零位置或標(biāo)識(shí)位置。要準(zhǔn)確測(cè)量零位脈沖，不論旋轉(zhuǎn)方向，零位脈沖均被作為兩個(gè)通道的高位組合輸出。由于通道之間的相位差的存在，零位脈沖僅為脈沖長(zhǎng)度的一半。

預(yù)警信號(hào)

有的編碼器還有報(bào)警信號(hào)輸出，可以對(duì)電源故障，發(fā)光二極管故障進(jìn)行報(bào)警，以便用戶及時(shí)更換編碼器。

NPN/PNP開路集電極輸出（NPN/PNP Open Collector)

圖3 NPN開路集電極輸出

圖3 NPN開路集電極輸出

最基本的輸出方式，抗能力差，輸出有效距離短。在ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器中用于增量型編碼器輸出，現(xiàn)已較少使用。

傳輸介質(zhì)：所有導(dǎo)線，光纖，無(wú)線電

高頻特性：佳

線驅(qū)動(dòng)（TTL/RS422）

對(duì)稱的正負(fù)信號(hào)輸出，抗能力強(qiáng)，最大傳輸距離1000m.

傳輸介質(zhì)：雙絞線

高頻特性：佳

在ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器乃至現(xiàn)今工業(yè)控制系統(tǒng)作為電氣連接接口使用非常普遍。

推挽輸出（Push-Pull)

組合了PNP和NPN兩種輸出，對(duì)稱的正負(fù)信號(hào)輸出，可以方便地駁接單端接收，抗能力強(qiáng)，（差分接收）；最大傳輸距離100m。

傳輸介質(zhì)：雙絞線（差分接收）；所有導(dǎo)線，光纖，無(wú)線電（單端接收）。

高頻特性：好

其它

其它的接口方式還有RS232（C），RS485以及絕對(duì)編碼器常用的SSI，各種現(xiàn)場(chǎng)總路線（如Profibus,Devicenet,CANopen等）

輸出脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)

ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)一圈所輸出的脈沖數(shù)發(fā)，對(duì)于光學(xué)式ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器，通常與ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部的光柵的槽數(shù)相同（也可在電路上使輸出脈沖數(shù)增加到槽數(shù)的2倍4倍）。

分辨率

分辨率表示ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器的主軸旋轉(zhuǎn)一周，讀出位置數(shù)據(jù)的最大等分?jǐn)?shù)。絕對(duì)值型不以脈沖形式輸出，而以代碼形式表示當(dāng)前主軸位置（角度）。與增量型不同，相當(dāng)于增量型的“輸出脈沖/轉(zhuǎn)" 。

光柵

光學(xué)式ELCO旋轉(zhuǎn)編碼器，其光柵有金屬和玻璃兩種。如是金屬制的，開有通光孔槽；如是玻璃制的，是在玻璃表面涂了一層遮光膜，在此上面沒有透明線條（槽）。槽數(shù)少的場(chǎng)合，可在金屬圓盤上用沖床加工或腐蝕法開槽。在耐沖擊型編碼器上使用了金屬的光柵，它與金屬制的光柵相比不耐沖擊，因此在使用上請(qǐng)注意，不要將沖擊直接施加于編碼器上。

最大響應(yīng)頻率是在1秒內(nèi)能響應(yīng)的最大脈沖數(shù)（例：最大響應(yīng)頻率為2KHz，即1秒內(nèi)可響應(yīng)2000個(gè)脈沖）

公式如下：

最大響應(yīng)轉(zhuǎn)速（rpm）/60×（脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）=輸出頻率Hz

最大響應(yīng)轉(zhuǎn)速是可響應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速下發(fā)生的脈沖可響應(yīng)公式如下：

最大響應(yīng)頻率（Hz）/ （脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）×60=軸的轉(zhuǎn)速rpm

輸出波形輸出脈沖（信號(hào)）的波形。

輸出信號(hào)相位差

二相輸出時(shí)，二個(gè)輸出脈沖波形的相對(duì)的的時(shí)間差。

輸出電壓

指輸出脈沖的電壓。輸出電壓會(huì)因輸出電流的變化而有所變化。各系列的輸出電壓請(qǐng)參照輸出電流特性圖

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

使處于靜止?fàn)顟B(tài)的編碼器軸旋轉(zhuǎn)必要的力矩。一般情況下運(yùn)轉(zhuǎn)中的力矩要比起動(dòng)力矩小。

軸允許負(fù)荷

表示可加在軸上的最大負(fù)荷，有徑向和軸向負(fù)荷兩種。徑向負(fù)荷對(duì)于軸來說，是垂直方向的，受力與偏心偏角等有關(guān)；軸向負(fù)荷對(duì)軸來說，是水平方向的，受力與推拉軸的力有關(guān)。這兩個(gè)力的大小影響軸的機(jī)械壽命

軸慣性力矩

該值表示旋轉(zhuǎn)軸的慣量和對(duì)轉(zhuǎn)速變化的阻力

轉(zhuǎn)速

該速度指示編碼器的機(jī)械載荷限制。如果超出該限制，將對(duì)軸承使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，另外信號(hào)也可能中斷。

格雷碼

格雷碼是高級(jí)數(shù)據(jù)，因?yàn)槭菃卧嚯x和循環(huán)碼，所以很安全。每步只有一位變化。數(shù)據(jù)處理時(shí)，格雷碼須轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制碼。

工作電流

指通道允許的負(fù)載電流。

工作溫度

參數(shù)表中提到的數(shù)據(jù)和公差，在此溫度范圍內(nèi)是保證的。如果稍高或稍低，編碼器不會(huì)損壞。當(dāng)恢復(fù)工作溫度又能達(dá)到技術(shù)規(guī)范

工作電壓

編碼器的供電電壓

要避免與編碼器剛性連接，應(yīng)采用板彈簧。

安裝時(shí)編碼器應(yīng)輕輕推入被套軸，嚴(yán)禁用錘敲擊，以免損壞軸系和碼盤。

長(zhǎng)期使用時(shí)，請(qǐng)檢查板彈簧相對(duì)編碼器是否松動(dòng)；固定倍恩編碼器的螺釘是否松動(dòng)。

實(shí)心軸編碼器

編碼器軸與用戶端輸出軸之間采用彈性軟連接，以避免因用戶軸的串動(dòng)、跳動(dòng)而造成BEN編碼器軸系和碼盤的損壞。

安裝時(shí)請(qǐng)注意允許的軸負(fù)載。

應(yīng)保證編碼器軸與用戶輸出軸的不同軸度<0.20mm，與軸線的偏角<1.5°。

安裝時(shí)嚴(yán)禁敲擊和摔打碰撞，以免損壞軸系和碼盤。

電器方面

接地線應(yīng)盡量粗，一般應(yīng)大于φ3。

編碼器的信號(hào)線不要接到直流電源上或交流電流上，以免損壞輸出電路。

編碼器的輸出線彼此不要搭接，以免損壞BEN編碼器輸出電路。

與編碼器相連的電機(jī)等設(shè)備，應(yīng)接地良好，不要有靜電。

開機(jī)前，應(yīng)仔細(xì)檢查，產(chǎn)品說明書與BEN編碼器型號(hào)是否相符，接線是否正確。

配線時(shí)應(yīng)采用屏蔽電纜。

長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，應(yīng)考慮信號(hào)衰減因素，選用輸出阻抗低，抗能力強(qiáng)的輸出方式。

避免在強(qiáng)電磁波環(huán)境中使用。

環(huán)境方面

編碼器是精密儀器，使用時(shí)要注意周圍有無(wú)振源及源。

請(qǐng)注意環(huán)境溫度、濕度是否在儀器使用要求范圍之內(nèi)。

不是防漏結(jié)構(gòu)的編碼器不要濺上水、油等，必要時(shí)要加上防護(hù)罩絕對(duì)是相對(duì)于增量而言的，顧名思義，所謂絕對(duì)就是編碼器的輸出信號(hào)在一周或多周運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，其每一位置和角度所對(duì)應(yīng)的輸出編碼值都是對(duì)應(yīng)的，如此，便具備掉電記憶之功能也。

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是的，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了