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在工业自动化进程中，高精度的位置和角度测量至关重要，直接关系到产品的质量与生产效率。光栅尺和角度编码器作为关键的测量元件，凭借其高精度、高可靠性等优势，广泛应用于机床、自动化生产线、航空航天等众多领域。根据市场调研发现，随着制造业向高端化、智能化方向发展，对光栅尺和角度编码器的性能要求不断提高，如更高的分辨率、更快的响应速度、更强的抗干扰能力等。同时，新兴技术的涌现也为这两类测量元件的发展带来了新的机遇与挑战。在此背景下，深入研究光栅尺和角度编码器具有重要的现实意义。
一、光栅尺
光栅尺全称为光栅尺位移传感器，是一种利用光栅的光学原理工作的精密测量反馈装置，能够将机械位移精确地转换为数字脉冲信号，从而实现对位移的高精度测量与监控。按测量对象的不同，可分为直线光栅和圆光栅 。直线光栅用于测量直线位移，广泛应用于机床的直线轴运动监测，如数控车床的刀架移动、铣床工作台的直线进给等；圆光栅则用于测量角位移，常见于转台、分度头等设备，为其精确的角度定位和分度提供数据支持。
根据用途和材质的差异，又可分为玻璃透射光栅和金属反射光栅。玻璃透射光栅以其高精度、高分辨率的特点，常用于对测量精度要求极高的光学仪器和精密机床中，如三坐标测量仪、超精密磨床等；金属反射光栅则凭借良好的耐磨性和抗污染能力，在工业环境较为恶劣的普通机床和自动化生产线中发挥重要作用。
依据刻度方法及信号输出形式，还能分为绝对式光栅和增量式光栅。绝对式光栅能够直接输出与位置相对应的绝对编码，即使在断电后也能准确知晓当前位置，无需回零操作，在需要频繁启停和精确定位的设备中优势显著，如自动化仓储设备的定位系统；增量式光栅则通过测量位移的增量来计算位置变化，其结构相对简单、成本较低，在一般的工业自动化设备中应用广泛，但每次上电时通常需要进行回零操作以确定初始位置。
以透射光栅为例，其工作原理基于莫尔条纹的形成与特性。当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度 θ ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，会形成明暗相间的条纹，即 “莫尔条纹”。莫尔条纹排列的方向与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直，莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以 W 表示，其计算公式为 W=ω /2* sin（θ /2），在倾角 θ 很小时，可近似为 W=ω /θ （其中 ω 为光栅栅距）。
莫尔条纹具有独特的变化规律，当两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹便移过一个条纹距离。这是由于光的衍射与干涉作用，使得莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，其变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。这种同步关系为精确测量位移提供了基础，通过对莫尔条纹变化周期的计数，就能准确计算出光栅的位移量。莫尔条纹还具有放大作用，在两光栅栅线夹角较小的情况下，能将微小的光栅栅距放大，便于检测和测量。例如，当 ω =0.01mm，θ =0.01rad 时，根据公式可得 W = 1，即实现了 100 倍的放大效果。莫尔条纹由若干光栅条纹共用形成，具有均化误差作用。以每毫米 100 线的光栅为例，10mm 宽度的莫尔条纹就有 1000 条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，有效消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差，提高了测量的准确性和可靠性。
光栅尺主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床的固定部件上，如床身等，它是具有精确刻度的基准元件，其长度决定了可测量的最大位移范围；光栅读数头则装在机床的活动部件上，如工作台、滑板等，用于读取标尺光栅的刻度信息，并将其转换为电信号输出。指示光栅安装在光栅读数头中，与标尺光栅相互配合，共同完成位移测量任务。
光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由多个重要元件构成。其中，光源负责提供照明光线，使光栅条纹能够清晰成像；会聚透镜用于将光源发出的光线聚焦，提高光线的强度和利用率；指示光栅与标尺光栅相互作用，形成莫尔条纹；光电元件则将莫尔条纹的光信号转换为电信号，常见的光电元件有光电二极管、光电三极管等；调整机构用于精确调整指示光栅与标尺光栅之间的相对位置和角度，以确保莫尔条纹的正常形成和稳定输出，从而保证测量的准确性。根据读数头结构特点和使用场合的不同，又可分为直接接收式读数头（或称硅光电池读数头）、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头等多种类型，每种类型都有其独特的结构和适用场景，以满足不同应用环境下的测量需求。
二、角度编码器
角度编码器也被称作旋转编码器，是一种能够将旋转物体的位置、旋转量或角度精确地转换成模拟或数字信号的精密传感器设备。它通常安装在旋转物体的垂直旋转轴上，通过实时检测旋转轴的转动情况，为控制系统提供准确的位置反馈信息，广泛应用于自动化控制系统、机器人技术、精密机械加工以及航空航天等众多对高精度定位和运动控制有严格要求的领域。按工作原理进行分类，角度编码器主要可分为光电编码器、磁编码器、电容编码器和电感编码器。光电编码器利用光电转换原理，通过旋转轴上的透光窗口和遮光窗口的交替出现，使光电传感器产生脉冲信号，进而实现对旋转角度的测量。其具有精度高、响应速度快、分辨率高等优点，在数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等领域应用广泛；磁编码器则基于磁电转换原理，利用磁性材料的特性来检测旋转角度，具有抗干扰能力强、可靠性高、适应恶劣环境等优势，常用于冶金、矿山、石油化工等工业环境较为恶劣的场合；电容编码器依靠电容变化来测量角度，具有精度高、稳定性好、无接触磨损等特点，但对环境要求较高，常用于一些对精度和稳定性要求极高的精密仪器和设备中；电感编码器利用电磁感应原理工作，具有结构简单、成本较低、抗干扰能力较强等特点，在一些对精度要求相对较低的工业自动化设备中得到应用。
以德国 FSG 角度编码器为例，其作为一种集光机电技术于一体的速度位移传感器，当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。德国 FSG 角度编码器增量式编码器在轴旋转时，有相应的相位输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减，需借助后部的判向电路和计数器来实现，计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量，还可以把每转发出一个脉冲的 Z 信号，作为参考机械零位。当脉冲已固定，而需要提高分辨率时，可利用带 90 度相位差 A，B 的两路信号，对原脉冲数进行倍频。
德国 HEIDENHAIN 角度编码器在高精度应用领域表现卓越。例如其 ECA 4000 系列绝对式角度编码器采用光电扫描技术，具备高精度设计，结构坚固，安装公差宽松，还可提供功能安全特性。该系列编码器通过三点定中心或定心环的钢栅鼓，实现了超高的精度和优异的信号质量，光栅精度可达 ±1.5"至 ±3" ，线数在 8195 至 44000 之间，信号周期为 40µm，直径范围从 104mm 至 560mm ，接口丰富，包括 EnDat 2.2，发那科，三菱，松下等，可满足不同设备和系统的连接需求，广泛应用于机床的高精度旋转轴、高速主轴，以及计量和电子行业的高精度测量等领域。
角度编码器通常由中心有轴的光电码盘、光电发射和接收器件、信号处理电路等部分组成，光电码盘上刻有环形的通、暗刻线，当码盘随旋转轴转动时，光电发射器件发出的光被码盘上的刻线调制，光电接收器件接收到的光信号随之变化，从而产生电信号。这些电信号经过信号处理电路的放大、整形、细分等处理后，输出能够准确反映旋转角度和方向的数字信号或模拟信号。
在安装形式上，角度编码器具有多种选择。通孔安装形式适用于需要将编码器安装在旋转轴中心的场合，如电机的轴端，其优点是安装方便、同心度高，能够准确测量轴的旋转角度；非通孔安装形式则适用于一些空间有限或对安装方式有特殊要求的设备，如一些小型机械设备的旋转部件，可通过法兰盘或其他连接件将编码器固定在设备上；还有一些角度编码器采用分体式安装，将读数头和码盘分开安装，适用于一些对安装空间和布局有特殊要求的复杂设备，如大型机器人的关节部位，这种安装方式可以提高安装的灵活性和适应性。不同的安装形式能够满足各种复杂的机械结构和应用场景的需求，确保角度编码器能够稳定、可靠地工作，为设备的高精度控制提供准确的角度测量数据。
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