电感编码器
电感编码器是一类利用电磁感应与涡流耦合原理来测量角度或直线位移的编码器。与光学/磁性方案相比，电感编码器具备对油污、粉尘、冷却液等污染物的天然耐受性，并能在较高温度与强电噪环境中保持稳定测量，适合重载、高振动与高电磁干扰的工业场景。
什么是电感编码器（What is an Inductive Encoder）
电感编码器通过激励线圈在导电或金属图案（目标体/标尺）上感生涡流，或在耦合线圈之间建立时变磁场；当转子或直线目标相对移动时，耦合幅值与相位随位置周期变化。读头利用同步解调/锁相技术将幅相变化解算为正弦/余弦信号，再经插值或编码算法输出增量或绝对位置信息。其核心优势是抗污染、抗油雾、抗冷凝、耐高温、抗电磁干扰。
工作原理（Operating Principle）
- 耦合机理：激励线圈产生交变磁场；目标体（导电图案、金属环、齿形图案）上产生涡流，影响感应线圈的等效阻抗（幅度与相位）。
- 信号形成：读头布置两路或多路正交敏感结构，输出近似正弦/余弦（Sine/Cosine）随位移周期变化。
- 解调与编码：经AGC（自动增益）、相敏检波、正交校正与插值，得到高分辨率角度/直线位移；绝对式通过多周期图案/多频组合或码道实现唯一位置码（结合 SSI、BiSS-C、EnDat 等传输）。
- 抗干扰特性：工作在近场电磁耦合区，对环境光、油污与非磁性污染不敏感；对外部磁场的依赖小于磁编码器。
结构与类型（Form Factors & Types）
按运动形式
- 旋转式（Rotary）：环形/扇形目标与PCB线圈或绕线线圈耦合，提供轴角度测量；常见有中空轴、实心轴、分体式（静态定子 + 旋转目标）。
- 线性式（Linear）：在金属标尺（导电图案/齿形）上沿轴向耦合，输出直线位移；适合耐污、长寿命直线定位。
按输出模式
- 增量式（Incremental）：A/B（+Z）方波或 1 Vpp 正弦/余弦用于细分插值。
- 绝对式（Absolute）：单圈/多圈唯一编码；串行接口 SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 等。
按集成方式
- 一体式（集成外壳）：轴承/密封+读头+接口电子，重载工况。
- 分体式（On-Axis/Off-Axis）：目标体与读头分离，利于嵌入电机或空间受限部位。
信号与接口（Signals & Interfaces）
| 类别 | 典型信号 | 说明 |
|---|---|---|
| 增量方波 | A/B（+Z），TTL/HTL，RS422 | 速度/方向反馈，易于与PLC高速计数匹配 |
| 正弦/余弦 | 1 Vpp、11 µApp | 细分插值，改善分辨率与运动平滑性 |
| 绝对串行 | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 唯一位置，支持诊断/温度/报警等数据 |
| 工业网络 | CANopen、EtherCAT、PROFINET | 多轴同步、长距离、在线诊断与组态 |
带宽与延迟：电感链路通常具备较宽的机械带宽（>1 kHz 运动频率），总延迟取决于解调与串行传输（典型 <1–2 ms，可低于 1 ms）。
关键性能参数（Key Specifications）
| 参数 | 典型范围/说明 |
|---|---|
| 分辨率（Rotary） | 12–20 bit 单圈（经插值），高端可达 ≥21 bit |
| 线性分辨率（Linear） | 1–5 µm 常见，优质系统 <1 µm（配插值） |
| 线性度/精度 | ±0.05–±0.5°（旋转）；±3–±10 µm/m（线性）与结构/安装相关 |
| 重复性 | 优于 ±0.01–±0.05° 或 ±0.5–±1 µm |
| 运行容差 | 允许较大气隙（0.2–2 mm）、偏心/倾角容差高于光学 |
| 环境能力 | IP65–IP68 可选，抗油污、抗冷凝，工作温度 −40…+125 °C（更高可选） |
| 抗振动/冲击 | 10–20 g 振动，50–200 g 冲击（依型号与IEC 60068-2 测试） |
| EMC | 依 IEC 61000-6-2/-6-4 工业免疫/发射，差分链路+屏蔽布线 |
注：最终指标受目标材料、几何设计、电子链路与安装公差共同影响。
优势与局限（Pros & Cons）
优势
- 耐环境：对油雾、粉尘、冷凝不敏感，适合机床、压铸、冶金与户外场景。
- 抗干扰：较少受外部磁场与光学污染影响；EMC 适应性强。
- 安装友好：较大的气隙与偏心容差，维护与对中成本低。
- 高温/重载：目标体简单坚固，可在较高温度与强振动下稳定运行。
局限
- 极限精度通常低于最高端光学干涉式编码器。
- 金属邻近效应：复杂金属附近的涡流路径可能引入非线性，需要布局优化与标定。
- 目标材料依赖：需导电/金属图案，材料与厚度影响灵敏度与线性度。
设计与安装要点（Design & Installation）
- 气隙/姿态：按厂商规范控制气隙与倾角（pitch/roll/yaw），保证幅相平衡与插值精度。
- 偏心与跳动：旋转目标的同心度/端跳直接影响谐波与非线性，必要时做谐波补偿。
- 金属布局：避免大面积近距离铁磁体或厚金属板造成磁路畸变与涡流散逸；保持结构对称。
- 接地与屏蔽：差分线对（RS422/1 Vpp）+ 单点接地；屏蔽层按系统拓扑端接；电缆弯曲半径达标。
- 热与机械稳定：高温与振动场景下，优选分体式+可靠紧固，避免电子板应力。
校准与补偿（Calibration & Compensation）
- 幅相配对与正交校正：对正弦/余弦幅度、偏移、相位失配进行校正；保证圆度与线性细分。
- 谐波补偿：利用查表/多项式修正 2f、3f… 高谐波导致的非线性。
- 温度补偿：对目标材料、线圈电阻与电子链路温漂建模；加载温度系数或闭环修正。
- 误差映射：旋转用圆度/跳动标定，线性用激光干涉对全行程做误差表。
与其他编码技术对比（Comparisons）
| 技术 | 抗污染 | 最高精度 | 高温/重载 | 安装容差 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 光学编码器 | 低 | 最高（nm/arcsec 级） | 中 | 低 | 精密机床、CMM、半导体平台 |
| 磁性编码器 | 中 | 中 | 中 | 中高 | 电机反馈、物流/户外 |
| 电感编码器 | 高 | 中高 | 高 | 高 | 重载机械、机床、风电、钢铁 |
| 旋变（Resolver） | 高 | 中 | 高 | 中 | 航空航天、特高温/振动 |
典型应用（Applications）
- 重工与冶金：轧机角度、连铸设备、起重回转定位。
- 机床/成形/压铸：油雾冷凝环境下的主轴/回转台、刀库。
- 风电与新能源：偏航/变桨角度反馈，高湿盐雾环境。
- 移动与工程机械：转向/转台角度、底盘执行器位置。
- 自动化与机器人：关节/关节内嵌式反馈、AGV 车轮编码。
维护与故障排查（Maintenance & Troubleshooting）
| 现象 | 可能原因 | 处理建议 |
|---|---|---|
| 绝对位置信号抖动/跳变 | 气隙超限、偏心/跳动、金属干扰 | 重调气隙/对中；优化周边金属布局；执行谐波与正交校正 |
| 插值细分误差大（SDE↑） | 正弦/余弦幅相失衡、噪声 | 进行幅相配对与滤波；改善屏蔽/接地；缩短线缆 |
| 通讯异常（SSI/BiSS/EnDat） | 时序/极性/CRC 设置错误；阻抗不匹配 | 校对协议参数；检查终端电阻与线缆；查看错误计数器 |
| 高温漂移 | 线圈电阻/目标材料温漂 | 启用温度补偿；提升通风或降额使用 |
| 低速爬行不稳 | 噪声与量化、控制环参数不匹配 | 提高插值/滤波；优化速度环/位置环参数 |
标准与合规（Standards & Compliance）
- IEC 60529：IP 防护等级（油雾/冷凝环境建议 IP67+）。
- IEC 60068-2：振动/冲击/温湿度循环等环境试验。
- IEC 61000-6-2 / -6-4：工业场合 EMC 免疫/发射。
- ISO 13849-1 / IEC 61508：机械/通用功能安全（需器件与系统评估）。
- ISO 16750 / ISO 7637（车规场景）：环境与电扰动（如用于工程/商用车辆）。
实际适用性需结合制造商数据手册与目标行业的特定规范。
选型步骤（Selection Guide）
- 环境与寿命：油雾、冷凝、粉尘、高温/振动 → 优先电感型；定义寿命与维护周期。
- 运动与接口：旋转/线性、增量/绝对；选择 A/B/Z、1 Vpp、SSI/BiSS/EnDat 或现场总线。
- 精度与带宽：确定分辨率、线性度、重复性、带宽与系统延迟要求。
- 机械公差：评估气隙、偏心、端跳、安装空间；选分体式或一体式。
- EMC 与接地：规划差分传输、屏蔽与单点接地；布线与端接符合规范。
- 补偿策略：是否需要温度/谐波/误差映射补偿与在线诊断。
- 安全与合规：SIL/PL 目标、行业标准与认证路径。
通过对电感编码器原理、结构、接口与补偿方法的系统把握，可在严苛工业环境中实现高可用性、低维护、长寿命的角度与位移测量，并确保与伺服/PLC/运动控制系统的高可靠集成。