激光干涉光栅编码器——走进精密运动控制的世界

信息化的21世纪，传感器这个名词被人们越来越熟知，它的种类非常多，是检测装置的一种统称。传感器的应用领域非常广泛，电子计算机、生产自动化、现代信息、军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、摇杆、航天等都离不开传感器的身影。今天要为大家隆重介绍的是其中的一种重要检测装置元件——编码器。

Q

编码器这个词具有专业性，有些读者听起来会比较陌生，首先让我们了解下什么是编码器？

A

编码器又叫位移传感器，编码器可分为：电阻类、电感类、电容类和光电类，其功能是将位置和运动等物理量转换为数字或模拟电信号。工业领域是编码器的关键最终用途部分。由于机器人在焊接、涂漆、组装以及印刷电路板的拾取和放置、包装和标签以及其他应用中的使用越来越多，工业最终用途正在迅速增长。工业应用中的编码器用于线性测量，定位标记定时、卷材张紧、逆止器测量、传送、填充等。最常见的应用是在电动机的运动控制中提供反馈。

大多数应用都使用光学编码器，因为光学编码器除了有准确性。还不需要任何单独的电子设备来提供位置或精确位置。由于性能上的优势，光电类占据了90%以上的市场。根据不同的应用，光电类编码器分为测量线性运动的光栅尺和转动的编码器两类，是运动控制系统的“眼睛”，是机床、机器人、电梯、导弹等核心部件。

传统光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移-数字变换，通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。

常见的光电编码器由光栅盘、发光元件和光敏元件组成。光栅实际上是一个刻有规则透光和不透光线条的圆盘，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经整形后，变为脉冲信号，每转一圈，输出一个脉冲。根据脉冲的变化，可以精确测量和控制设备位移量。

国内外技术现状

当前，德国Heidehain公司、英国Renishaw公司、美国Micro-E公司、日本电信电话公司（NTT）电子应用研究所，以及法国、意大利、瑞士的一些厂家和科研单位在光电轴角编码器的生产、研发方面做出了诸多贡献。

其中，德国Heidehain（海德汉）公司的产品无论在性能还是销量上都处于世界领先水平，以下为其代表性产品的性能。

从国内的情况分析，长春光电所、天文仪器厂等数十家科研单位也都先后进行了光电编码器的开发与研制。在编码器结构和原理、精密轴系加工、设计、分析，光栅制造、检测、电子学处理以及编码器误差测量方法的研究等方面做了大量工作，在编码器性能提高方面取得了一定的成果。

国内的光栅编码器经过多年研究，分辨率最高可达25位。但真正能够应用于工业上的仍是中低端的产品。

传统编码器目前存在技术瓶颈

01 制造难

高精度的编码器需要一周需要上万条光栅线，每条光栅线之间的间距在um级别，加工要求高。

02 安装难

传统技术需生成明亮相间的莫尔条纹，要求光源、衍射掩膜光栅和动光栅之间间距误差极小。

03 信号处理难

信号由于机械和电子等干扰原因，辨错和抗干扰能力差。

根据目前编码器存在的技术难点，清华大学的科研人员在激光光源、光栅刻制技术、光电芯片研发等多方面实现技术突破，一期研发产品可达30位分辨率、1角秒精度，同时大大降低了对产品的制造与安装要求。

技术优势

1高频激光光源技术

相对于传统的LED光源，光斑点小，可以探测更小的光栅。

2高精度光栅刻制技术

3新型光源探测器集成技术

采用新型的激光光源与探测器集成技术，相对于传统编码器，减少了对探测器与光栅之间间距的要求。

4自动跟踪聚焦技术

光源和探测器可自动跟随与光栅的间距，实现自动聚焦。

5多通道数据冗余纠错技术

编码器可同时产生多路光电信号，通过智能的算法处理，大大提升系统冗余纠错能力，具有更高的稳定性。传统编码器只有两路相位相差90°的信号。

市场前景

据预测，2025年全球光学编码器市场价值将达到140亿美元，2020年至2025年期间复合年增长率为4.31%。在世界范围内，北美是光电编码器市场的领导者，2020年其收入占生产市场的份额超过40%。博通，BEI Sensors，雷尼绍，Dynapar，Baumer Group，多摩川，CTS，Allied Motion，EPC等是全球领先的光学编码器制造商。对于我国的市场，欧美产品占据55%的高端高价位市场；日本和韩国产品占据25%的中端价位市场；我国产品占据20%的低端价位市场。中国制造商在技术上不成熟，但是中国市场空间大，国际品牌与本土品牌价格差距也大，中国亟待通过增强自身科技实力来提升市场能力和话语权。

本文链接：https://www.bjjcc.cn/kepu/24865.html，文章来源：科普之家，作者：清华高端院科普中心，版权归作者所有，如需转载请注明来源和作者，否则将追究法律责任！