線性編碼器
線性編碼器用於將直線位移轉換為電信號（數位或類比），可直接測量平臺、滑台或工件的線性運動，是 CNC 機床、座標測量機（CMM）、半導體設備與高端自動化平臺的核心定位感測器。相比透過絲杠/齒條間接推算位移，線性編碼器提供「直接測量」，可顯著降低絲杠熱伸長、背隙與傳動誤差對定位精度的影響。
什麼是線性編碼器（What is a Linear Encoder）
線性編碼器由標尺（Scale/Rule）與讀頭（Readhead）組成：標尺上存在週期性結構（光柵、磁柵、感應圖案），讀頭在其上方以規定間隙運動、讀取位置信息並輸出電信號。根據輸出形式可分為增量式與絕對式；根據檢測方式可分為光學型、磁性型、電感型、電容型等；根據結構可分為開放式（open-type）與密封式（enclosed/sealed）等。
工作原理（Working Principle）
光學型（Optical）
- 結構：玻璃/陶瓷光柵尺（或不鏽鋼帶）+ LED/雷射光源 + 光電接收陣列。
- 機理：透射/反射式干涉或莫爾條紋成像，讀頭對週期圖案進行解調、插值。
- 特點：解析度高（nm 級），線性誤差可低至 ±1 μm/m；但對汙染與冷凝較敏感。
磁性型（Magnetic）
- 結構：磁極按固定節距排列的磁帶（steel tape 或柔性磁帶）+ 霍爾/AMR/GMR/TMR 感測陣列。
- 機理：讀頭感知隨位移變化的磁場波形，解算得到位置信息。
- 特點：抗油汙、抗震，安裝容差大、量程長（可達數十米），解析度與精度低於高端光學。
電感型（Inductive）
- 結構：讀頭內激勵與感應線圈；標尺為金屬圖案或導電目標。
- 機理：耦合與渦流效應隨間隙與位置變化，讀頭解調相位/幅值獲得位移。
- 特點：抗汙染、耐高溫、抗電磁干擾，精度介於光學與磁性之間。
電容型（Capacitive）
- 結構：電極陣列 + 帶週期圖案的標尺。
- 機理：隨位移電容矩陣變化，讀頭鎖相/解碼獲得位移。
- 特點：結構緊湊、功耗低；對水汽、金屬鄰近效應較敏感，需要良好屏蔽與接地。
類型與結構（Types & Constructions）
1) 按輸出信號
- 增量式（Incremental）：輸出正交 A/B 脈衝（可疊加 Z/參考點），需要控制器計數；可提供 1 Vpp 正弦/餘弦類比輸出用於細分插值。
- 絕對式（Absolute）：任意位置輸出唯一码；可為單碼道或距離編碼參考點（distance-coded reference marks），常用 SSI、BiSS-C、EnDat 等。
2) 按封裝與防護
- 開放式（Open-type）：讀頭外露、動態響應高、摩擦小；適合潔淨或半潔淨環境。
- 密封式（Sealed/Enclosed）：標尺與讀頭置於密封殼體，刮刷/氣幕防護，適合機床與重汙工況。
3) 按標尺材料與形式
- 玻璃/陶瓷光柵：熱膨脹低（CTE 小），µm/m 級精度；需要穩定支撐與溫控。
- 鋼帶/不鏽鋼帶：量程長、可卷繞；CTE 較大，需熱補償。
- 磁帶（帶背膠/夾持軌）：安裝靈活、抗汙；線性精度次於高端光學。
- 電感/電容導體圖案：耐環境、結構堅固。
輸出與介面（Outputs & Interfaces）
| 類別 | 輸出樣式 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 增量方波 | A/B（+Z）、TTL/HTL、RS422 | PLC 高速計數、速度環/位置環 |
| 正弦/餘弦 | 1 Vpp、11 μApp | 高解析度插值（細分 4×~>10,000×） |
| 絕對串行 | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 絕對位置信號、診斷與溫度/狀態資料 |
| 總線/乙太網 | CANopen、EtherCAT、PROFINET | 多軸同步、長距離、線上診斷 |
最大輸出頻率與速度關係示例（增量方波）：
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V：線速度（mm/s）
- Pitch：柵距（mm/cycle）
- Edges_per_cycle：每週期輸出邊沿數（例如 4×倍頻）
關鍵指標（Key Specifications）
| 指標 | 含義/典型範圍 | 備註 |
|---|---|---|
| 解析度（Resolution） | 5 μm → 0.1 μm（磁性/鋼帶）；1 μm → 1 nm（光學/干涉型） | 與插值倍數相關 |
| 線性精度（Accuracy） | ±3 ~ ±10 μm/m（磁性）；±1 ~ ±3 μm/m（光學高端） | 以 μm/m 或 ppm 表示 |
| 重複性（Repeatability） | < ±0.1 ~ ±0.5 μm（高端光學） | 環境與安裝影響大 |
| 細分誤差（SDE） | ±20 ~ ±80 nm（優質 1Vpp 系統） | 插值時引起的週期性誤差 |
| 抖動（Jitter/Noise） | 數十 nm 級 | 與類比鏈路和電源噪聲相關 |
| 參考點 | 單點、距離編碼、雙向識別 | 用於「回零」或建立絕對基準 |
| 量程（Measuring Length） | 0.1 m → 30+ m | 超長需拼接與補償 |
| 安裝間隙（Ride Height） | 0.1 ~ 1.0 mm（依原理） | 同時限定偏擺/俯仰/橫擺容差 |
| 熱膨脹係數（CTE） | 玻璃/陶瓷：~0.5~2 ppm/K；鋼：~10~17 ppm/K | 決定熱補償策略 |
| 環境等級 | IP40（開放）→ IP67（密封） | 需結合油霧、冷卻液、粉塵 |
安裝與幾何誤差（Installation & Geometric Errors）
- 氣隙/姿態容差：控制讀頭到標尺的高度與俯仰/橫擺/偏擺角度（pitch/roll/yaw），超限會引發信號衰減與 SDE 增大。
- 阿貝誤差（Abbe Error）：測量基線與運動中心的偏距乘以角度誤差產生附加位移誤差；應盡量使編碼器測量線通過運動中心或進行誤差建模。
- 餘弦誤差（Cosine Error）：編碼器軸線與真實運動方向不平行產生的投影誤差。
- 熱耦合與固定方式：鋼帶/磁帶宜採用浮動/應力釋放安裝，避免溫差引起的拉伸或翹曲；玻璃/陶瓷尺需等溫支撐。
- 接地與屏蔽：讀頭與控制器單點接地，編碼器電纜屏蔽層按規範接地，避免環路與耦合噪聲。
校準與補償（Calibration & Compensation）
- 線性補償：利用雷射干涉儀、球桿儀或精密量塊對全量程進行標定，生成誤差映射表（pitch/roll/yaw & straightness/flatness 綜合）。
- 熱補償：按 CTE 與機體溫度分佈即時修正；高端系統結合讀頭溫度與機床熱模型。
- SDE 降低：選用高品質 1Vpp、優化類比鏈路與插值演算法；保持姿態與氣隙穩定。
- 參考點策略：距離編碼參考點可縮短回零距離；雙向參考點提升再現性。
與其他技術對比（Comparisons）
| 技術 | 優勢 | 局限 | 典型應用 |
|---|---|---|---|
| 線性編碼器（光學） | nm 級解析度、µm/m 級線性精度、動態好 | 對汙染/冷凝敏感，安裝要求嚴 | CNC、CMM、半導體平臺 |
| 線性編碼器（磁性） | 抗汙、安裝容差大、長行程 | 精度與解析度低於高端光學 | 自動化輸送、重工測距 |
| 雷射干涉儀 | 最高精度、可溯源 | 成本高、對環境與折返路徑敏感 | 校準與計量 |
| LVDT/電渦流 | 結構堅固、短程重複性好 | 量程有限、線性度受限 | 行程限位/短程精密控制 |
| 旋轉編碼器+絲杠 | 成本低、方案成熟 | 熱伸長/背隙/螺距誤差影響大 | 中低精度定位 |
應用場景（Applications）
- CNC 機床直線軸（X/Y/Z）：在切削熱與負載變化下，仍保持高定位精度與表面品質。
- CMM/測量顯微平臺：奈米級插值 + 誤差映射確保尺寸溯源。
- 半導體設備：光刻/對準/檢測平臺；要求 nm 級抖動與低 SDE。
- 高端列印/包裝/電子貼片：長行程、高速度與精準同步控制。
- 醫療設備：CT/MRI 床台、放療定位系統。
- 物流與大型裝備：磁帶式長行程測距、環境適應性強。
維護與故障排查（Maintenance & Troubleshooting）
日常維護
- 定期清潔（光學：無纖布+無水酒精；磁性：無鐵屑吸附），保持氣隙與姿態穩定。
- 檢查電纜彎折半徑與夾持狀態，防止斷芯與屏蔽層破損。
- 監測環境溫濕度與冷卻液噴濺，避免冷凝與液體滲入。
常見問題表
| 症狀 | 可能原因 | 排查/解決 |
|---|---|---|
| 信號掉邊/丟脈衝 | 氣隙超限、姿態偏差、汙染遮擋 | 調整讀頭高度與姿態；清潔標尺；檢查安裝剛性 |
| 抖動/細分誤差大 | 插值鏈路噪聲、接地不良 | 優化屏蔽接地；更換高品質電源/電纜；縮短線路 |
| 線性誤差大 | 標尺未應力釋放、熱補償缺失 | 重新安裝（浮動固定）；標定並加載誤差表 |
| 絕對通訊失敗 | SSI/BiSS/EnDat 參數不匹配 | 校對時序極性/幀長/CRC；檢查線纜阻抗 |
| 參考點不穩定 | 距離編碼誤用/汙染 | 清潔參考標記；核對參考點策略與參數 |
行業標準與參考（Standards & References）
- IEC 60529:2020（IP 防護等級）
- IEC 60068-2 系列（振動/衝擊/溫濕/鹽霧）
- IEC 61000-6-2/-6-4（工業 EMC 免疫/發射）
- ISO 230-2 / ISO 230-3（機床精度與熱特性試驗規範）
- ISO 10360 系列（CMM 驗證與檢定）
- ISO 14644 系列（潔淨室環境，半導體/計量場景參考）
說明：標準適用性視設備與行業而定，應結合廠商手冊與工況進行確認。
選型指南（Selection Guide）
- 精度目標：確定系統定位/重複性目標與允許的線性誤差（μm/m）。
- 原理選擇：潔淨/高精優先光學；油汙/振動/長行程優先磁性或電感。
- 輸出與介面：速度環可用增量；高精度與多軸同步優先 SSI/BiSS/EnDat 或 EtherCAT。
- 機械與安裝：確認量程、標尺材料、CTE、氣隙與姿態容差、固定方式（浮動/膠黏/夾持）。
- 環境與防護：冷卻液/粉塵/溫漂 → 選擇密封式與合適 IP；規劃氣幕/刮刷。
- 補償與診斷：是否支援誤差映射、溫度與狀態監測、線上診斷/警報。
- 全生命週期：電纜與讀頭更換便利性、備件可得性、校準與服務體系。
透過理解線性編碼器的原理、結構與安裝要點，並結合誤差建模、熱補償與標準化驗證流程，工程團隊可在複雜工況下實現高精度、長壽命、可診斷的直線定位與速度控制。