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在工業自動化進程中，高精度的位置和角度測量至關重要，直接關系到產品的質量與生產效率。光柵尺和角度編碼器作為關鍵的測量元件，憑借其高精度、高可靠性等優勢，廣泛應用于機床、自動化生產線、航空航天等眾多領域。根據市場調研發現，隨著制造業向高端化、智能化方向發展，對光柵尺和角度編碼器的性能要求不斷提高，如更高的分辨率、更快的響應速度、更強的抗干擾能力等。同時，新興技術的涌現也為這兩類測量元件的發展帶來了新的機遇與挑戰。在此背景下，深入研究光柵尺和角度編碼器具有重要的現實意義。
一、光柵尺
光柵尺全稱為光柵尺位移傳感器，是一種利用光柵的光學原理工作的精密測量反饋裝置，能夠將機械位移精確地轉換為數字脈沖信號，從而實現對位移的高精度測量與監控。按測量對象的不同，可分為直線光柵和圓光柵 。直線光柵用于測量直線位移，廣泛應用于機床的直線軸運動監測，如數控車床的刀架移動、銑床工作臺的直線進給等；圓光柵則用于測量角位移，常見于轉臺、分度頭等設備，為其精確的角度定位和分度提供數據支持。?
根據用途和材質的差異，又可分為玻璃透射光柵和金屬反射光柵。玻璃透射光柵以其高精度、高分辨率的特點，常用于對測量精度要求極高的光學儀器和精密機床中，如三坐標測量儀、超精密磨床等；金屬反射光柵則憑借良好的耐磨性和抗污染能力，在工業環境較為惡劣的普通機床和自動化生產線中發揮重要作用。?
依據刻度方法及信號輸出形式，還能分為絕對式光柵和增量式光柵。絕對式光柵能夠直接輸出與位置相對應的絕對編碼，即使在斷電后也能準確知曉當前位置，無需回零操作，在需要頻繁啟停和精確定位的設備中優勢顯著，如自動化倉儲設備的定位系統；增量式光柵則通過測量位移的增量來計算位置變化，其結構相對簡單、成本較低，在一般的工業自動化設備中應用廣泛，但每次上電時通常需要進行回零操作以確定初始位置。
以透射光柵為例，其工作原理基于莫爾條紋的形成與特性。當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度 θ ，并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，會形成明暗相間的條紋，即 “莫爾條紋”。莫爾條紋排列的方向與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直，莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以 W 表示，其計算公式為 W=ω /2* sin（θ /2），在傾角 θ 很小時，可近似為 W=ω /θ （其中 ω 為光柵柵距）。?
莫爾條紋具有獨特的變化規律，當兩片光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋便移過一個條紋距離。這是由于光的衍射與干涉作用，使得莫爾條紋的變化規律近似正（余）弦函數，其變化周期數與光柵相對位移的柵距數同步。這種同步關系為精確測量位移提供了基礎，通過對莫爾條紋變化周期的計數，就能準確計算出光柵的位移量。莫爾條紋還具有放大作用，在兩光柵柵線夾角較小的情況下，能將微小的光柵柵距放大，便于檢測和測量。例如，當 ω =0.01mm，θ =0.01rad 時，根據公式可得 W = 1，即實現了 100 倍的放大效果。莫爾條紋由若干光柵條紋共用形成，具有均化誤差作用。以每毫米 100 線的光柵為例，10mm 寬度的莫爾條紋就有 1000 條線紋，這樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了，有效消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差，提高了測量的準確性和可靠性。
光柵尺主要由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床的固定部件上，如床身等，它是具有精確刻度的基準元件，其長度決定了可測量的最大位移范圍；光柵讀數頭則裝在機床的活動部件上，如工作臺、滑板等，用于讀取標尺光柵的刻度信息，并將其轉換為電信號輸出。指示光柵安裝在光柵讀數頭中，與標尺光柵相互配合，共同完成位移測量任務。?
光柵檢測裝置的關鍵部分是光柵讀數頭，它由多個重要元件構成。其中，光源負責提供照明光線，使光柵條紋能夠清晰成像；會聚透鏡用于將光源發出的光線聚焦，提高光線的強度和利用率；指示光柵與標尺光柵相互作用，形成莫爾條紋；光電元件則將莫爾條紋的光信號轉換為電信號，常見的光電元件有光電二極管、光電三極管等；調整機構用于精確調整指示光柵與標尺光柵之間的相對位置和角度，以確保莫爾條紋的正常形成和穩定輸出，從而保證測量的準確性。根據讀數頭結構特點和使用場合的不同，又可分為直接接收式讀數頭（或稱硅光電池讀數頭）、鏡像式讀數頭、分光鏡式讀數頭、金屬光柵反射式讀數頭等多種類型，每種類型都有其獨特的結構和適用場景，以滿足不同應用環境下的測量需求。
二、角度編碼器
角度編碼器也被稱作旋轉編碼器，是一種能夠將旋轉物體的位置、旋轉量或角度精確地轉換成模擬或數字信號的精密傳感器設備。它通常安裝在旋轉物體的垂直旋轉軸上，通過實時檢測旋轉軸的轉動情況，為控制系統提供準確的位置反饋信息，廣泛應用于自動化控制系統、機器人技術、精密機械加工以及航空航天等眾多對高精度定位和運動控制有嚴格要求的領域。按工作原理進行分類，角度編碼器主要可分為光電編碼器、磁編碼器、電容編碼器和電感編碼器。光電編碼器利用光電轉換原理，通過旋轉軸上的透光窗口和遮光窗口的交替出現，使光電傳感器產生脈沖信號，進而實現對旋轉角度的測量。其具有精度高、響應速度快、分辨率高等優點，在數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等領域應用廣泛；磁編碼器則基于磁電轉換原理，利用磁性材料的特性來檢測旋轉角度，具有抗干擾能力強、可靠性高、適應惡劣環境等優勢，常用于冶金、礦山、石油化工等工業環境較為惡劣的場合；電容編碼器依靠電容變化來測量角度，具有精度高、穩定性好、無接觸磨損等特點，但對環境要求較高，常用于一些對精度和穩定性要求極高的精密儀器和設備中；電感編碼器利用電磁感應原理工作，具有結構簡單、成本較低、抗干擾能力較強等特點，在一些對精度要求相對較低的工業自動化設備中得到應用。??
以德國 FSG 角度編碼器為例，其作為一種集光機電技術于一體的速度位移傳感器，當旋轉編碼器軸帶動光柵盤旋轉時，經發光元件發出的光被光柵盤狹縫切割成斷續光線，并被接收元件接收產生初始信號。該信號經后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號。德國 FSG 角度編碼器增量式編碼器在軸旋轉時，有相應的相位輸出，其旋轉方向的判別和脈沖數量的增減，需借助后部的判向電路和計數器來實現，計數起點可任意設定，并可實現多圈的無限累加和測量，還可以把每轉發出一個脈沖的 Z 信號，作為參考機械零位。當脈沖已固定，而需要提高分辨率時，可利用帶 90 度相位差 A，B 的兩路信號，對原脈沖數進行倍頻。?
德國 HEIDENHAIN 角度編碼器在高精度應用領域表現卓越。例如其 ECA 4000 系列絕對式角度編碼器采用光電掃描技術，具備高精度設計，結構堅固，安裝公差寬松，還可提供功能安全特性。該系列編碼器通過三點定中心或定心環的鋼柵鼓，實現了超高的精度和優異的信號質量，光柵精度可達 ±1.5"至 ±3" ，線數在 8195 至 44000 之間，信號周期為 40µm，直徑范圍從 104mm 至 560mm ，接口豐富，包括 EnDat 2.2，發那科，三菱，松下等，可滿足不同設備和系統的連接需求，廣泛應用于機床的高精度旋轉軸、高速主軸，以及計量和電子行業的高精度測量等領域。??
角度編碼器通常由中心有軸的光電碼盤、光電發射和接收器件、信號處理電路等部分組成，光電碼盤上刻有環形的通、暗刻線，當碼盤隨旋轉軸轉動時，光電發射器件發出的光被碼盤上的刻線調制，光電接收器件接收到的光信號隨之變化，從而產生電信號。這些電信號經過信號處理電路的放大、整形、細分等處理后，輸出能夠準確反映旋轉角度和方向的數字信號或模擬信號。?
在安裝形式上，角度編碼器具有多種選擇。通孔安裝形式適用于需要將編碼器安裝在旋轉軸中心的場合，如電機的軸端，其優點是安裝方便、同心度高，能夠準確測量軸的旋轉角度；非通孔安裝形式則適用于一些空間有限或對安裝方式有特殊要求的設備，如一些小型機械設備的旋轉部件，可通過法蘭盤或其他連接件將編碼器固定在設備上；還有一些角度編碼器采用分體式安裝，將讀數頭和碼盤分開安裝，適用于一些對安裝空間和布局有特殊要求的復雜設備，如大型機器人的關節部位，這種安裝方式可以提高安裝的靈活性和適應性。不同的安裝形式能夠滿足各種復雜的機械結構和應用場景的需求，確保角度編碼器能夠穩定、可靠地工作，為設備的高精度控制提供準確的角度測量數據。
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