光学编码器
光学编码器以光栅与光电检测为核心，将旋转或直线位移转换为电信号，是 CNC 机床、半导体平台、精密测量、机器人与高端自动化中的主流位置反馈器件。凭借高分辨率、低细分误差与优良重复性，光学编码器在纳米至微米级定位中广泛应用。
什么是光学编码器（What is an Optical Encoder）
光学编码器是一类基于光源—光学栅格—光电探测链路获取位置信息的传感器。其核心由带有周期结构的码盘/光栅尺（Scale/Disk）与读头（Readhead）构成：读头在规定的光学间隙内读取栅格透射/反射形成的条纹或干涉信号，经模拟前端与插值/解码电路处理，输出增量 A/B（可含 Z 参考）、正弦/余弦 1 Vpp，或绝对位置串行数据（SSI/BiSS/EnDat 等）。
按运动形式分为旋转光学编码器（码盘）与线性光学编码器（光栅尺）。与通过丝杠/齿条间接推算相比，线性光学编码器可实现直接测量，显著抑制背隙、螺距与热伸长带来的定位误差；旋转光学编码器则为电机与转台提供高分辨角度与速度反馈。
工作原理（Working Principle）
1) 成像式莫尔条纹（Imaging/Moiré）
- 结构：光源（LED/VCSEL）→ 准直/成像光学 → 掩模/相位光栅 → 光敏阵列。
- 机理：标尺与读头内参考栅相对移动产生莫尔条纹，形成近似正弦/余弦信号；再由插值与幅相校正生成高分辨位移。
2) 干涉式/相位光栅（Interferential/Phase Grating）
- 机理：衍射级的相位差随位移线性变化，叠加后形成高纯度正弦信号；具有更低 SDE（Sub-Division Error）与更高分辨率潜力。
3) 透射 vs 反射
- 透射式：玻璃/陶瓷基底；信噪比高、线性度好，适合洁净环境与高精定位。
- 反射式：金属化或镀膜反射光栅；结构紧凑、安装友好，对污染更敏感需良好密封与气幕/刮刷。
4) 增量与绝对输出逻辑
- 增量：A/B 正交脉冲（相差 90°），方向由相位先后判定；Z 参考每量程/每圈一次。
- 绝对：任意位置输出唯一码（Binary/Gray），可带诊断、温度与状态寄存器。
分辨率（线性）近似： Δx ≈ p / (N × M)
其中 p = 栅距，N = 模拟插值倍数（如 100×），M = 数字倍频系数（典型 4×）。
旋转编码器等效角分辨率： θ_res = 360° /（线数 × 4）
分类（Taxonomy）
- 按运动形式：线性光学编码器 / 旋转光学编码器（码盘）
- 按输出：增量式（TTL/HTL/RS422、1 Vpp/11 µApp）/ 绝对式（SSI、BiSS-C、EnDat 2.2、并行）
- 按光学实现：透射 / 反射、成像式 / 干涉式、振幅栅 / 相位栅
- 按封装：开放式（高动态、低摩擦）/ 密封式（IP65–IP67，抗油雾与冷却液）
- 按量程/基材：玻璃/陶瓷（低 CTE）、钢带（长行程）、镀膜反射栅等
关键部件与信号链（Signal Chain）
- 光源与光学：LED/激光、准直/聚焦，决定照度均匀度与温漂；需老化与功率闭环补偿
- 光栅/码盘：栅距 p、占空与相位精度决定信号纯度与 SDE
- 光敏阵列/AFE：多通道采样、自动增益/偏置/相位平衡（ABC 校正）
- 插值/编码 ASIC：幅相矫正、椭圆补偿、数字滤波与抖动抑制、协议编码与线驱
- 物理层：RS422 差分、1 Vpp/11 µApp、终端阻抗与电缆布线（屏蔽/接地）策略
输出与接口（Outputs & Interfaces）
| 输出制式 | 典型信号 | 说明 |
|---|---|---|
| 增量方波 | A/B（+Z），TTL/HTL/RS422 | PLC 高速计数、速度/位置环；长距离优先差分 |
| 正弦/余弦 | 1 Vpp、11 µApp | 超高分辨插值，SDE 与抖动取决于链路质量 |
| 绝对串行 | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 单/多圈绝对值、诊断/温度/报警寄存器 |
| 现场总线 | EtherCAT、PROFINET、CANopen | 多轴同步、分布式时钟、在线配置 |
带宽估算（线性）： f_max ≈ (v / p) × edges
其中 v = 线速度，edges = 每周期有效边沿（如 4× 倍频）。
性能指标（Key Specifications）
| 指标 | 典型范围/说明 |
|---|---|
| 分辨率 | 线性：1 µm → 1 nm；旋转：≤ 24 bit 等效 |
| 线性精度 | 光学高端：±1~±3 µm/m；标准：±3~±10 µm/m |
| 重复性 | ≤ ±0.1~±0.3 µm（线性）；角度型可达亚角秒级 |
| SDE（细分误差） | 优质链路 ±20~±80 nm（1 Vpp） |
| 抖动（Jitter） | 数十纳米量级，受模拟前端与时钟相位噪声影响 |
| 相位/占空误差 | A/B 相位 90° ±（1~5）°；占空 50% ±（2~10）% |
| 速度能力 | 线性 > 1 m/s，旋转可至 12 000+ RPM（依接口） |
| 环境等级 | IP40（开放）至 IP67（密封），IEC 60068-2 振动/冲击 |
安装与误差源（Installation & Error Sources）
- 气隙与姿态（pitch/roll/yaw）偏差 → 振幅不均与 SDE 增大
- 阿贝误差：偏距 × 角度误差；将测量线尽量通过运动中心或执行软件补偿
- 余弦误差（小角近似）：e ≈ (L × θ²) / 2
- 码盘偏心/轴跳动（旋转）：引入基波/二次谐波角误差
- 热膨胀（CTE）：玻璃/陶瓷低 CTE；钢带需热补偿与浮动固定
- EMC/接地：单点接地、合理屏蔽与回流路径，避免共模/环路噪声
校准与补偿（Calibration & Compensation）
- 线性映射：激光干涉仪/球杆仪测得误差曲线，装载控制器 LUT
- 热漂补偿：结合标尺/机体温度与 CTE 模型实时修正
- 幅相/椭圆校正：插值前的幅度、偏置、相位自适应平衡
- 参考策略：距离编码参考点缩短回零距离并提高复现性
与其他原理对比（Comparisons）
| 技术 | 分辨率/精度 | 抗污/环境 | 典型量程 | 主要短板 |
|---|---|---|---|---|
| 光学编码器 | ★★★★★ | ★★★ | 中/长 | 对污染与冷凝敏感、安装要求高 |
| 磁性编码器 | ★★☆ | ★★★★ | 长 | 线性度与 SDE 较弱 |
| 电感/电容 | ★★★ | ★★★★ | 中 | 对金属邻近/涡流或水汽敏感 |
| 旋变/电位计 | ★★ | ★★★★★/★ | 中/短 | 分辨率低或接口不直观 |
应用（Applications）
CNC（直线轴与旋转轴）、CMM 与计量平台、半导体对准/曝光/检测、精密运动台、机器人关节与减速器回差监视、医疗影像/放疗设备、印刷包装同步控制、电子贴片/检测与高速搬运。
维护与故障排查（Maintenance & Troubleshooting）
- 日常：定期清洁（无尘布+适当溶剂）、检查电缆弯折半径/屏蔽、监控温湿与冷凝
- 常见症状与对策：
- 丢脉冲/掉边：气隙超限、污染遮挡 → 调整姿态/清洁/加装密封与气幕
- SDE/抖动增大：AFE/插值链路噪声、接地不良 → 优化供电/布线/端接
- 绝对通信失败：SSI/BiSS/EnDat 参数或极性不匹配 → 校对帧长、CRC、时序与阻抗
- 角度谐波误差（旋转）：偏心/跳动 → 提升同心度与轴承刚性、做谐波补偿
选型指南（Selection Guide）
- 目标精度/重复性（µm/m 或角秒）与动态速度
- 实现原理（透射/反射、成像/干涉）与栅距 p
- 输出接口（A/B/Z、1 Vpp、SSI/BiSS/EnDat、总线）与控制器带宽
- 封装与环境（开放/密封，IP 等级、冷却液/粉尘）
- 机械与热设计（气隙/姿态容差、CTE、浮动安装）
- 补偿与诊断（误差映射、温度/状态寄存器、在线报警）
- 全生命周期（电缆/读头可维护性、备件可得性、计量校准能力）
标准与参考（Standards & References）
- IEC 60529:2020（IP 防护等级）
- IEC 60068-2（振动/冲击/温湿）
- IEC 61000-6-2 / -6-4（工业 EMC 免疫/发射）
- ISO 230-2 / ISO 230-3（机床定位与热特性试验）
- ISO 10360（CMM 验证）
- ISO 14644（洁净室环境要求）
总结：全面掌握光学编码器的原理、指标、接口与安装补偿要点，可在复杂工况中实现高精度、强鲁棒、可诊断的长期稳定运行。