线性编码器
线性编码器用于将直线位移转换为电信号（数字或模拟），可直接测量平台、滑台或工件的线性运动，是 CNC 机床、坐标测量机（CMM）、半导体设备与高端自动化平台的核心定位传感器。相比通过丝杠/齿条间接推算位移，线性编码器提供“直接测量”，可显著降低丝杠热伸长、背隙与传动误差对定位精度的影响。
什么是线性编码器（What is a Linear Encoder）
线性编码器由标尺（Scale/Rule）与读头（Readhead）组成：标尺上存在周期性结构（光栅、磁栅、感应图案），读头在其上方以规定间隙运动、读取位置信息并输出电信号。根据输出形式可分为增量式与绝对式；根据检测方式可分为光学型、磁性型、电感型、电容型等；根据结构可分为开放式（open-type）与密封式（enclosed/sealed）等。
工作原理（Working Principle）
光学型（Optical）
- 结构：玻璃/陶瓷光栅尺（或不锈钢带）+ LED/激光光源 + 光电接收阵列。
- 机理：透射/反射式干涉或莫尔条纹成像，读头对周期图案进行解调、插值。
- 特点：分辨率高（nm 级），线性误差可低至 ±1 μm/m；但对污染与冷凝较敏感。
磁性型（Magnetic）
- 结构：磁极按固定节距排列的磁带（steel tape 或柔性磁带）+ 霍尔/AMR/GMR/TMR 传感阵列。
- 机理：读头感知随位移变化的磁场波形，解算得到位置信息。
- 特点：抗油污、抗震，安装容差大、量程长（可达几十米），分辨率与精度低于高端光学。
电感型（Inductive）
- 结构：读头内激励与感应线圈；标尺为金属图案或导电目标。
- 机理：耦合与涡流效应随间隙与位置变化，读头解调相位/幅值获得位移。
- 特点：抗污染、耐高温、抗电磁干扰，精度介于光学与磁性之间。
电容型（Capacitive）
- 结构：电极阵列 + 带周期图案的标尺。
- 机理：随位移电容矩阵变化，读头锁相/解码获得位移。
- 特点：结构紧凑、功耗低；对水汽、金属邻近效应较敏感，需要良好屏蔽与接地。
类型与结构（Types & Constructions）
1) 按输出信号
- 增量式（Incremental）：输出正交 A/B 脉冲（可叠加 Z/参考点），需要控制器计数；可提供 1 Vpp 正弦/余弦模拟输出用于细分插值。
- 绝对式（Absolute）：任意位置输出唯一码；可为单码道或距离编码参考点（distance-coded reference marks），常用 SSI、BiSS-C、EnDat 等。
2) 按封装与防护
- 开放式（Open-type）：读头外露、动态响应高、摩擦小；适合洁净或半洁净环境。
- 密封式（Sealed/Enclosed）：标尺与读头置于密封壳体，刮刷/气幕防护，适合机床与重污工况。
3) 按标尺材料与形式
- 玻璃/陶瓷光栅：热膨胀低（CTE 小），µm/m 级精度；需要稳定支撑与温控。
- 钢带/不锈钢带：量程长、可卷绕；CTE 较大，需热补偿。
- 磁带（带背胶/夹持轨）：安装灵活、抗污；线性精度次于高端光学。
- 电感/电容导体图案：耐环境、结构坚固。
输出与接口（Outputs & Interfaces）
| 类别 | 输出样式 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 增量方波 | A/B（+Z）、TTL/HTL、RS422 | PLC 高速计数、速度环/位置环 |
| 正弦/余弦 | 1 Vpp、11 μApp | 高分辨率插值（细分 4×~>10,000×） |
| 绝对串行 | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 绝对位置信号、诊断与温度/状态数据 |
| 总线/以太网 | CANopen、EtherCAT、PROFINET | 多轴同步、长距离、在线诊断 |
最大输出频率与速度关系示例（增量方波）：
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V：线速度（mm/s）
- Pitch：栅距（mm/cycle）
- Edges_per_cycle：每周期输出边沿数（例如 4×倍频）
关键指标（Key Specifications）
| 指标 | 含义/典型范围 | 备注 |
|---|---|---|
| 分辨率（Resolution） | 5 μm → 0.1 μm（磁性/钢带）；1 μm → 1 nm（光学/干涉型） | 与插值倍数相关 |
| 线性精度（Accuracy） | ±3 ~ ±10 μm/m（磁性）；±1 ~ ±3 μm/m（光学高端） | 以 μm/m 或 ppm 表示 |
| 重复性（Repeatability） | < ±0.1 ~ ±0.5 μm（高端光学） | 环境与安装影响大 |
| 细分误差（SDE） | ±20 ~ ±80 nm（优质 1Vpp 系统） | 插值时引起的周期性误差 |
| 抖动（Jitter/Noise） | 数十 nm 级 | 与模拟链路和电源噪声相关 |
| 参考点 | 单点、距离编码、双向识别 | 用于“回零”或建立绝对基准 |
| 量程（Measuring Length） | 0.1 m → 30+ m | 超长需拼接与补偿 |
| 安装间隙（Ride Height） | 0.1 ~ 1.0 mm（依原理） | 同时限定偏摆/俯仰/横摆容差 |
| 热膨胀系数（CTE） | 玻璃/陶瓷：~0.5~2 ppm/K；钢：~10~17 ppm/K | 决定热补偿策略 |
| 环境等级 | IP40（开放）→ IP67（密封） | 需结合油雾、冷却液、粉尘 |
安装与几何误差（Installation & Geometric Errors）
- 气隙/姿态容差：控制读头到标尺的高度与俯仰/横摆/偏摆角度（pitch/roll/yaw），超限会引发信号衰减与SDE增大。
- 阿贝误差（Abbe Error）：测量基线与运动中心的偏距乘以角度误差产生附加位移误差；应尽量使编码器测量线通过运动中心或进行误差建模。
- 余弦误差（Cosine Error）：编码器轴线与真实运动方向不平行产生的投影误差。
- 热耦合与固定方式：钢带/磁带宜采用浮动/应力释放安装，避免温差引起的拉伸或翘曲；玻璃/陶瓷尺需等温支撑。
- 接地与屏蔽：读头与控制器单点接地，编码器电缆屏蔽层按规范接地，避免环路与耦合噪声。
校准与补偿（Calibration & Compensation）
- 线性补偿：利用激光干涉仪、球杆仪或精密量块对全量程进行标定，生成误差映射表（pitch/roll/yaw & straightness/flatness 综合）。
- 热补偿：按 CTE 与机体温度分布实时修正；高端系统结合读头温度与机床热模型。
- SDE 降低：选用高品质 1Vpp、优化模拟链路与插值算法；保持姿态与气隙稳定。
- 参考点策略：距离编码参考点可缩短回零距离；双向参考点提升复现性。
与其他技术对比（Comparisons）
| 技术 | 优势 | 局限 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 线性编码器（光学） | nm 级分辨率、µm/m 级线性精度、动态好 | 对污染/冷凝敏感，安装要求严 | CNC、CMM、半导体平台 |
| 线性编码器（磁性） | 抗污、安装容差大、长行程 | 精度与分辨率低于高端光学 | 自动化输送、重工测距 |
| 激光干涉仪 | 最高精度、可溯源 | 成本高、对环境与折返路径敏感 | 校准与计量 |
| LVDT/电涡流 | 结构坚固、短程重复性好 | 量程有限、线性度受限 | 行程限位/短程精密控制 |
| 旋转编码器+丝杠 | 成本低、方案成熟 | 热伸长/背隙/螺距误差影响大 | 中低精度定位 |
应用场景（Applications）
- CNC 机床直线轴（X/Y/Z）：在切削热与负载变化下，仍保持高定位精度与表面质量。
- CMM/测量显微平台：纳米级插值 + 误差映射确保尺寸溯源。
- 半导体设备：光刻/对准/检测平台；要求 nm 级抖动与低 SDE。
- 高端打印/包装/电子贴片：长行程、高速度与精准同步控制。
- 医疗设备：CT/MRI 床台、放疗定位系统。
- 物流与大型装备：磁带式长行程测距、环境适应性强。
维护与故障排查（Maintenance & Troubleshooting）
日常维护
- 定期清洁（光学：无纤布+无水酒精；磁性：无铁屑吸附），保持气隙与姿态稳定。
- 检查电缆弯折半径与夹持状态，防止断芯与屏蔽层破损。
- 监测环境温湿度与冷却液喷溅，避免冷凝与液体渗入。
常见问题表
| 症状 | 可能原因 | 排查/解决 |
|---|---|---|
| 信号掉边/丢脉冲 | 气隙超限、姿态偏差、污染遮挡 | 调整读头高度与姿态；清洁标尺；检查安装刚性 |
| 抖动/细分误差大 | 插值链路噪声、接地不良 | 优化屏蔽接地；更换高品质电源/电缆；缩短线路 |
| 线性误差大 | 标尺未应力释放、热补偿缺失 | 重新安装（浮动固定）；标定并加载误差表 |
| 绝对通信失败 | SSI/BiSS/EnDat 参数不匹配 | 校对时序极性/帧长/CRC；检查线缆阻抗 |
| 参考点不稳定 | 距离编码误用/污染 | 清洁参考标记；核对参考点策略与参数 |
行业标准与参考（Standards & References）
- IEC 60529:2020（IP 防护等级）
- IEC 60068-2 系列（振动/冲击/温湿/盐雾）
- IEC 61000-6-2/-6-4（工业 EMC 免疫/发射）
- ISO 230-2 / ISO 230-3（机床精度与热特性试验规范）
- ISO 10360 系列（CMM 验证与检定）
- ISO 14644 系列（洁净室环境，半导体/计量场景参考）
说明：标准适用性视设备与行业而定，应结合厂商手册与工况进行确认。
选型指南（Selection Guide）
- 精度目标：确定系统定位/重复性目标与允许的线性误差（μm/m）。
- 原理选择：洁净/高精优先光学；油污/振动/长行程优先磁性或电感。
- 输出与接口：速度环可用增量；高精度与多轴同步优先 SSI/BiSS/EnDat 或 EtherCAT。
- 机械与安装：确认量程、标尺材料、CTE、气隙与姿态容差、固定方式（浮动/胶粘/夹持）。
- 环境与防护：冷却液/粉尘/温漂 → 选择密封式与合适 IP；规划气幕/刮刷。
- 补偿与诊断：是否支持误差映射、温度与状态监测、在线诊断/报警。
- 全生命周期：电缆与读头更换便利性、备件可得性、校准与服务体系。
通过理解线性编码器的原理、结构与安装要点，并结合误差建模、热补偿与标准化验证流程，工程团队可在复杂工况下实现高精度、长寿命、可诊断的直线定位与速度控制。