線性編碼器

**線性編碼器**是一個傳感器、傳感器或讀取頭，與編碼位置的標尺配對。傳感器讀取刻度，以便將編碼的位置轉換為模擬或數位訊號，然後可以**通過數字讀出 (DRO)** 或運動控制器將其解碼為位置。

編碼器可以是增量的，也可以是絕對的。運動可以通過位置隨時間的變化來確定。線性編碼器技術包括光、磁、感應、電容和渦流。光學技術包括陰影、自成像和干涉測量。線性編碼器用於計量儀器、運動系統、噴墨印表機和高精度加工工具，從數字卡尺和坐標測量機到工作檯、數控磨床、製造龍門台和半導體步進機。

## 物理原理

線性編碼器是利用許多不同的物理屬性來編碼位置的傳感器：

### 基於比例 / 參考的

#### 光學的

光學線性編碼器主導著高解析度市場，可能採用快門 / 莫爾、衍射或全息原理。光學編碼器是標準樣式的編碼器中最準確的，也是工業自動化應用中最常用的。在指定光學編碼器時，重要的是編碼器具有內置的額外保護，以防止灰塵、振動和其他工業環境常見條件的污染。典型的增量刻度周期從數百微米到亞微米不等。插補可以提供精確到奈米級的解析度。

使用的光源包括紅外 LED、可見光 LED、微型燈泡和雷射二極體。

#### 磁的

磁線性編碼器 使用主動 (磁化) 或被動 (可變磁阻) 刻度，位置可以使用感應線圈、霍爾效應或磁阻讀數頭來檢測。對於比光學編碼器更粗的刻度周期 (通常是幾百微米到幾毫米)，解析度在微米量級是正常的。

#### 電容式

電容式線性編碼器的工作原理是感測讀卡器和刻度尺之間的電容。典型的應用是數字卡尺。缺點之一是對不均勻的污垢敏感，這可能會局部改變相對介電常數。

#### 感應的

感應技術對污染物有很強的抵抗力，允許卡尺和其他測量工具是防冷的。感應測量原理的一個著名應用是感應同步器 

#### 渦（電）流

美國專利 3820110 中的「渦流型數字編碼器和位置基準」給出了這種類型的編碼器的一個例子，它使用用高磁導率和低磁導率、非磁性材料編碼的標尺，通過監測包括電感線圈傳感器的交流電路的電感變化來檢測和解碼該標尺。Maxon 製造了一個例子 (旋轉編碼器) 產品 (里程編碼器)。

### 沒有尺度（Scales）的

#### 光學圖像傳感器

傳感器是基於圖像相關方法的。傳感器從被測表面拍攝後續照片，並比較圖像的位移。 解析度降至奈米級是可能的。

## 應用

線性編碼器有兩個主要的應用領域：

### 測量

測量應用包括**坐標測量機 (CMM)**、雷射掃描儀、卡尺、齒輪測量

### 運動系統

伺服控制的運動系統採用線性編碼器，以提供準確、高速的運動。典型的應用包括機器人、工具機、拾取和放置印刷電路板組裝設備；半導體搬運和測試設備、引線焊接機、印表機和數字印刷機。張力測試儀和**數字讀出 (DROS)**。

## 輸出型號格式

### 增量信號

線性編碼器可以有模擬或數位輸出。

#### 模擬的

按照行業標準，線性編碼器的模擬輸出為正弦和餘弦正交信號。這些信號通常以差分方式傳輸，以提高抗噪性。早期的行業標準是 12μA 峰峰值電流信號，但最近已被 1V 峰峰電壓信號所取代。與數字傳輸相比，模擬信號的較低帶寬有助於將 EMC 排放降至最低。

通過在 XY 模式下使用示波器顯示圓形李薩如圖形，可以輕鬆地監控正、餘弦信號。如果李薩如圖形是圓形的 (沒有增益或相位誤差) 並且完全居中，則可以獲得最高精度的信號。現代編碼器系統使用電路來自動修剪這些錯誤機制。線性編碼器的總體精度是刻度精度和讀數頭引入的誤差的組合。標度對誤差預算的貢獻包括線性和斜率 (標度因數誤差)。讀數頭誤差機制通常被描述為循環誤差或細分誤差 (SDE)，因為它們重複每個刻度周期。造成讀數頭誤差的最大因素是信號偏移，其次是信號不平衡 (橢圓度) 和相位誤差 (正交信號不完全相隔 90°)。總體信號大小不會影響編碼器的精度，但是，較小的信號可能會降低信噪比和抖動性能。自動信號補償機制可以包括自動偏移補償 (AOC)、自動平衡補償 (ABC) 和自動增益控制 (AGC)。相位更難動態補償，通常在安裝或校準過程中作為一次性補償應用。其他形式的不準確包括信號失真 (經常是正弦 / 餘弦信號的諧波失真)。

#### 數位的

線性增量式編碼器有兩個數字輸出信號 A 和 B，它們發出正交方波。根據其內部機制，編碼器可以直接從本質上是數字的傳感器獲得 A 和 B，或者它可以內插其內部的模擬正弦 / 餘弦信號。在後一種情況下，內插過程有效地細分刻度周期，從而獲得更高的測量解析度。

在任何一種情況下，編碼器都將輸出正交方波，兩個通道的邊緣之間的距離是編碼器的解析度。參考標記或索引脈衝也以數字形式輸出，作為一到四個解析度單位寬的脈衝。輸出信號可以直接傳輸到數字增量式編碼器接口用於位置跟蹤。

線性增量式編碼器的主要優勢是提高了抗噪性、高測量精度和低延遲的位置變化報告。然而，高頻、快速的信號邊緣可能會產生更多的 EMC 發射。

### 絕對參考信號

除了模擬或數字增量輸出信號外，線性編碼器還可以提供絕對參考或定位信號。

#### 參照符號

大多數增量式線性編碼器可以產生索引或參考標記脈衝，提供沿標尺的基準位置，以便在通電或斷電後使用。該指示信號必須能夠在刻度的一個唯一周期內識別位置。參考標記可以包括標尺上的單個特徵、自相關器圖案 (通常為巴克碼) 或線性調頻圖案。

**距離編碼參考標記 (DCRM)** 以獨特的模式放置在秤上，允許最小的移動 (通常移動超過兩個參考標記) 來定義讀取頭的位置。也可以在天平上放置多個等間距的參考標記，以便在安裝後，可以選擇所需的標記 -- 通常通過磁鐵或光學標記，或使用標籤取消選擇不需要的標記，或通過塗抹來選擇。

#### 絕對代碼

利用適當編碼的標尺 (多軌道、游標、數字代碼或偽隨機碼)，編碼器可以在不移動或不需要找到參考位置的情況下確定其位置。這種絕對式編碼器還使用串行通信協議進行通信。這些協議中的許多是專有的 (例如：_Fanuc、三菱、FeeDat (費戈爾自動化)、HeIDENHAIN EnDat、DriveCliq、松下、安川電機_)，但現在出現了諸如 _BISS_ 之類的開放標準，它們避免了用戶與特定供應商的捆綁。

### 限位開關

許多線性編碼器都有內置的限位開關；可以是光學的，也可以是磁式的。經常包括兩個限位開關，這樣在通電時，控制器可以確定編碼器是否處於行程結束以及驅動軸的方向。

## 物理布置和保護

線性編碼器可以是封閉的，也可以是開放的。封閉式線性編碼器用於骯髒、惡劣的環境，如工具機。它們通常包括包圍玻璃或金屬秤的鋁擠壓件。靈活的唇形密封件允許內部引導的讀數頭讀取刻度。由於這種機械布置造成的摩擦和滯後，精度受到限制。

為了獲得最高的精度、最低的測量滯後和最低的摩擦力，使用開放式線性編碼器。

線性編碼器可以使用透射式 (玻璃) 或反射式標尺，使用朗奇或位相柵格。刻度材料包括玻璃上的鉻、金屬 (不鏽鋼、鍍金鋼、因瓦鋼)、陶瓷 (零度) 和塑料。秤可以是自支撐的，通過熱控制 (通過膠粘劑或膠帶) 或軌道安裝在襯底上。軌道安裝可以使天平保持其自身的熱膨脹係數，並允許大型設備在裝運時被分解。

## 編碼器術語

* 解析度
* 重複度
* 磁滯
* 信噪比 / 噪聲 / 抖動
* 李薩如曲線
* 求積法
* 索引 / 參考標記 /datum（基準）/ 基準
* 距離編碼參考標記 (DCRM)

## 參見

* 旋轉編碼器

## 參考

## 進一步閱讀

* Nyce, David S. 线阵位置传感器的原理与应用。美國新澤西州：約翰・威利父子公司. 2003.
* Hans, Walcher. 位置传感：工程师的角度和距离测量. Butterworth-Heinemann. 1994.