什么是编码器？
编码器（Encoder）是一种传感器装置，用于将物理运动（如旋转角度、线性位移或速度）转换为电信号输出，以供数字控制系统（如PLC、驱动器、工业计算机）实时监控、反馈和控制。在工业自动化、机器人技术、CNC设备、医疗系统及航空航天等高精度运动控制场景中，编码器是实现闭环控制与高精定位的关键元件。
编码器的分类总览（Comprehensive Classification of Encoders）
编码器可以从多个技术维度进行分类，主要包括：测量形式、输出信号类型、感应原理和通讯接口方式。
1. 按测量形式分类（By Measurement Format）
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| 旋转编码器（Rotary Encoder） | 检测旋转运动（角位移），如电机轴、转盘等 |
| 线性编码器（Linear Encoder） | 检测直线运动，用于机床、定位平台等 |
| 拉绳编码器（Draw Wire Encoder） | 通过钢丝绳的拉伸实现长行程位移测量 |
| 套件式编码器（Encoder Kit） | 模块化设计，无外壳，适合微型电机集成 |
2. 按输出信号类型分类（By Signal Output Type）
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| 增量编码器（Incremental Encoder） | 输出相对运动的A/B/Z相脉冲信号，需要控制器持续计数 |
| 绝对编码器（Absolute Encoder） | 输出绝对位置值，可分为单圈和多圈，断电记忆位置 |
| 模拟编码器（Analog Encoder） | 输出连续电压或电流信号（0–10V、4–20mA） |
3. 按感应原理分类（By Sensing Technology）
| 感应原理 | 特点与适用场景 |
|---|---|
| 光学型（Optical） | 高精度高分辨率，适合洁净高要求场合 |
| 磁性型（Magnetic） | 抗灰尘油污，适合工业恶劣环境 |
| 电容型（Capacitive） | 小巧、耐振、低功耗，用于精密仪器 |
| 电感型（Inductive） | 抗干扰性极强，适合重载机械与高安全要求场合 |
4. 按接口协议分类（By Communication Interface）
| 协议类型 | 简介 |
|---|---|
| A/B/Z 脉冲 | 增量信号标准输出，兼容性广 |
| 模拟量接口 | 适用于传统PLC或早期系统 |
| 串行接口（SSI/BiSS） | 精度高，实时性强，适用于高端绝对编码器 |
| 工业总线（CANopen/Profibus） | 结构灵活，支持多节点通信 |
| 工业以太网（EtherCAT/Profinet） | 实时性高，适合复杂自动化网络 |
编码器的工作原理（How Encoders Work）
编码器主要由以下结构组成：
- 运动元件：旋转轴、直线滑轨或拉绳结构
- 码盘/磁带：具备周期性结构，用于位置读取
- 感应组件：如光电传感器、磁传感器、电容板、感应线圈
- 信号处理单元：将感应信号转换为标准输出
- 输出接口：连接控制器，实现实时数据交换
当被测物体移动时，编码器内部的检测系统采集位置信息，并将其转换为电信号输出。不同类型的编码器采用不同方式来实现这一过程，如光学型利用光源照射透光码盘，磁性型检测磁场变化，电容型检测电场分布等。
编码器关键参数（Key Performance Metrics）
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 分辨率（Resolution） | 单位运动对应的信号数量（如每转脉冲数PPR、位数bits） |
| 精度（Accuracy） | 实际值与测量值的最大偏差 |
| 重复性（Repeatability） | 多次测量同一点时结果的稳定性 |
| 最大响应频率 | 可支持的最大输入运动速度对应的信号输出频率 |
| 输出逻辑电平 | TTL、HTL、RS422等电气标准 |
| 防护等级（IP等级） | 如IP65、IP67，代表防尘防水等级 |
编码器典型应用（Common Applications）
- 工业自动化：传送带定位、伺服控制、电缸反馈
- 数控机床（CNC）：X/Y/Z轴位置检测、刀具交换
- 机器人系统：关节角度识别、移动底盘编码反馈
- 医疗成像设备：MRI、CT等设备的扫描运动控制
- 风电/光伏新能源：风机偏航控制、太阳能跟踪系统
- 航天与军工：导弹舵面控制、飞行器姿态监测
编码器结构与信号示意图
图1：通用旋转编码器外观
图2：编码器结构示意，包含码盘、传感器、信号处理器
参考技术标准（Relevant Standards）
- IEC 60050-351：工业测量术语标准
- ISO 13849：机械安全功能标准（含安全编码器）
- IEC 60529：设备外壳IP防护等级标准
- IEC 61800-5-2：驱动系统的功能安全标准
- CiA 406：CANopen 编码器设备规范
- IEC 61158：现场总线协议族定义
术语表（Glossary）
| 术语 | 含义 |
|---|---|
| PPR | 每转脉冲数（Pulses Per Revolution） |
| CPR | 每转计数数（Counts Per Revolution） |
| Z 相 | 增量编码器每圈输出一次的参考信号 |
| TTL | 5V 电平数字信号标准 |
| HTL | 10–30V 电平输出，高抗干扰能力 |
| RS422 | 差分输出标准，支持高速远距传输 |
| SSI | 同步串行接口，常用于绝对值输出 |
| BiSS | 开源高性能串行通讯协议 |
总结： 编码器是物理系统与数字控制系统之间的关键桥梁。理解其分类、结构、输出与标准，有助于在工业自动化和精密控制系统中做出最佳选型与集成设计。