线性光栅编码器原理图

线性光栅编码器原理图详解

线性光栅编码器是一种高精度位置反馈装置，广泛应用于数控机床、自动化设备、半导体制造等领域，其核心原理基于光栅的光学特性与信号处理技术，通过读取光栅尺上的刻线变化，将机械位移转换为电信号，以下从结构、原理、信号处理及应用层面展开详细分析。

线性光栅编码器的基本结构

线性光栅编码器主要由光栅尺（标尺）、读数头（扫描单元）、信号处理电路三部分组成,其原理图可简化为以下模块：

光栅尺的分类与原理

光栅尺的刻线密度（如20μm、50μm）决定了分辨率,其分类如下：

增量式光栅原理：
光栅尺上刻有均匀分布的透光/反光条纹（如周期20μm），读数头通过检测条纹变化产生脉冲信号，当光栅移动一个栅距时，输出一个A/B正交脉冲（相位差90°）,Z相脉冲用于参考点定位。

绝对式光栅原理：
每个刻线位置对应唯一的二进制编码（如二进制或格雷码），读数头直接读取绝对位置信息,无需累计脉冲。

读数头的信号生成机制

读数头的核心功能是将光栅位移转化为电信号,其内部结构包括：

1. 光源：LED或激光二极管,提供平行光照射光栅尺。
2. 分光镜与透镜：将光线聚焦为垂直入射光栅的准直光束。
3. 光电探测器：通常为四象限硅光电池或CCD阵列,接收经光栅调制的光强信号。

信号生成过程：

• 当光栅移动时，透光/反光区域变化导致探测器接收光强周期性变化。
• 增量式光栅输出两路正交信号（A/B相），通过相位差判断移动方向；Z相信号用于零点校准。
• 绝对式光栅则通过多通道探测,直接读取编码值。

信号处理与细分技术

原始光电信号需经过处理才能满足高精度需求,关键步骤包括：

1. 放大与滤波：提升信号强度,抑制噪声干扰。
2. 整形与比较：将模拟信号转换为方波脉冲（如施密特触发器）。
3. 细分技术：通过插值算法提高分辨率,常见方法如下：

四倍频原理：
通过A/B正交信号的上升沿/下降沿触发计数，可将单个栅距分为4份，实现4倍频分辨率提升，20μm光栅经四倍频后分辨率达5μm。

线性光栅编码器原理图解析

典型增量式线性光栅编码器原理图如下：

光源 → 准直透镜 → 光栅尺 → 光电探测器（A/B/Z相） → 差分放大器 → 整形电路 → 细分模块 → 脉冲输出

关键节点说明：

• 差分放大器：消除共模噪声,增强信号稳定性。
• 整形电路：将正弦信号转换为方波,便于后续处理。
• 细分模块：通过硬件或软件算法生成高分辨率脉冲。

绝对式光栅编码器的编码原理

绝对式光栅采用多码道设计,每个码道对应二进制的一位：

• 二进制编码：直接对应位置二进制值,但存在切换误差。
• 格雷码编码：相邻位置仅一位变化,减少误码概率。

示例：
假设3位格雷码光栅，码道分布如下： | 位置 | 二进制 | 格雷码 | |------|--------|--------| | 0 | 000 | 000 | | 1 | 001 | 001 | | 2 | 010 | 011 | | 3 | 011 | 010 | | 4 | 100 | 110 |

应用场景与选型要点

典型应用：

• 数控机床：实时反馈刀具位置,精度达亚微米级。
• 半导体设备：晶圆台精准定位,需绝对式编码器。
• 机器人关节：增量式编码器配合闭环控制。

选型参数： | 参数 | 说明 | |----------------|---------------------------------------| | 分辨率 | 栅距细分后的理论值（如1μm）。 | | 输出接口 | TTL方波、SSI同步串行、BiSS等。 | | 防护等级 | IP67以上防尘防水（工业环境）。 | | 响应速度 | 最高移动速度下信号稳定性（如120m/min）。 |

FAQs

Q1：安装光栅尺时偏斜会导致什么误差？如何解决？
A1：光栅尺与读数头轴线不平行时，会产生阿贝误差（正弦误差），导致测量值周期性波动，解决方法包括：

1. 调整安装面平行度（误差＜±0.1mm/m）。
2. 采用误差补偿算法修正输出信号。
3. 选用带自动校正功能的读数头。

Q2：如何选择增量式与绝对式光栅编码器？
A2：根据应用需求选择：

• 增量式：成本低、结构简单，适用于需频繁复位且对绝对位置要求不高的场景（如普通机床）。
• 绝对式：可直接上电输出位置，抗干扰能力强，适合高精度、高可靠性场合（如航空航天、