信息化的21世紀(jì)，傳感器這個(gè)名詞被人們?cè)絹碓绞熘?，它的種類非常多，是檢測(cè)裝置的一種統(tǒng)稱。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，電子計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)自動(dòng)化、現(xiàn)代信息、軍事、交通、化學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、搖桿、航天等都離不開傳感器的身影。今天要為大家隆重介紹的是其中的一種重要檢測(cè)裝置元件——編碼器。
Q
編碼器這個(gè)詞具有專業(yè)性，有些讀者聽起來會(huì)比較陌生，首先讓我們了解下什么是編碼器？
A
編碼器又叫位移傳感器，編碼器可分為：電阻類、電感類、電容類和光電類，其功能是將位置和運(yùn)動(dòng)等物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字或模擬電信號(hào)。工業(yè)領(lǐng)域是編碼器的關(guān)鍵最終用途部分。由于機(jī)器人在焊接、涂漆、組裝以及印刷電路板的拾取和放置、包裝和標(biāo)簽以及其他應(yīng)用中的使用越來越多，工業(yè)最終用途正在迅速增長。工業(yè)應(yīng)用中的編碼器用于線性測(cè)量，定位標(biāo)記定時(shí)、卷材張緊、逆止器測(cè)量、傳送、填充等。最常見的應(yīng)用是在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制中提供反饋。
大多數(shù)應(yīng)用都使用光學(xué)編碼器，因?yàn)楣鈱W(xué)編碼器除了有準(zhǔn)確性。還不需要任何單獨(dú)的電子設(shè)備來提供位置或精確位置。由于性能上的優(yōu)勢(shì)，光電類占據(jù)了90%以上的市場(chǎng)。根據(jù)不同的應(yīng)用，光電類編碼器分為測(cè)量線性運(yùn)動(dòng)的光柵尺和轉(zhuǎn)動(dòng)的編碼器兩類，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的“眼睛”，是機(jī)床、機(jī)器人、電梯、導(dǎo)彈等核心部件。
傳統(tǒng)光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移-數(shù)字變換，通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字量的傳感器。
常見的光電編碼器由光柵盤、發(fā)光元件和光敏元件組成。光柵實(shí)際上是一個(gè)刻有規(guī)則透光和不透光線條的圓盤，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)整形后，變?yōu)槊}沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)一圈，輸出一個(gè)脈沖。根據(jù)脈沖的變化，可以精確測(cè)量和控制設(shè)備位移量。
國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀
當(dāng)前，德國Heidehain公司、英國Renishaw公司、美國Micro-E公司、日本電信電話公司（NTT）電子應(yīng)用研究所，以及法國、意大利、瑞士的一些廠家和科研單位在光電軸角編碼器的生產(chǎn)、研發(fā)方面做出了諸多貢獻(xiàn)。
其中，德國Heidehain（海德漢）公司的產(chǎn)品無論在性能還是銷量上都處于世界領(lǐng)先水平，以下為其代表性產(chǎn)品的性能。
從國內(nèi)的情況分析，長春光電所、天文儀器廠等數(shù)十家科研單位也都先后進(jìn)行了光電編碼器的開發(fā)與研制。在編碼器結(jié)構(gòu)和原理、精密軸系加工、設(shè)計(jì)、分析，光柵制造、檢測(cè)、電子學(xué)處理以及編碼器誤差測(cè)量方法的研究等方面做了大量工作，在編碼器性能提高方面取得了一定的成果。
國內(nèi)的光柵編碼器經(jīng)過多年研究，分辨率最高可達(dá)25位。但真正能夠應(yīng)用于工業(yè)上的仍是中低端的產(chǎn)品。
傳統(tǒng)編碼器目前存在技術(shù)瓶頸
01 制造難
高精度的編碼器需要一周需要上萬條光柵線，每條光柵線之間的間距在um級(jí)別，加工要求高。
02 安裝難
傳統(tǒng)技術(shù)需生成明亮相間的莫爾條紋，要求光源、衍射掩膜光柵和動(dòng)光柵之間間距誤差極小。
03 信號(hào)處理難
信號(hào)由于機(jī)械和電子等干擾原因，辨錯(cuò)和抗干擾能力差。
根據(jù)目前編碼器存在的技術(shù)難點(diǎn)，清華大學(xué)的科研人員在激光光源、光柵刻制技術(shù)、光電芯片研發(fā)等多方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，一期研發(fā)產(chǎn)品可達(dá)30位分辨率、1角秒精度，同時(shí)大大降低了對(duì)產(chǎn)品的制造與安裝要求。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1高頻激光光源技術(shù)
相對(duì)于傳統(tǒng)的LED光源，光斑點(diǎn)小，可以探測(cè)更小的光柵。
2高精度光柵刻制技術(shù)
3新型光源探測(cè)器集成技術(shù)
采用新型的激光光源與探測(cè)器集成技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)編碼器，減少了對(duì)探測(cè)器與光柵之間間距的要求。
4自動(dòng)跟蹤聚焦技術(shù)
光源和探測(cè)器可自動(dòng)跟隨與光柵的間距，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦。
5多通道數(shù)據(jù)冗余糾錯(cuò)技術(shù)
編碼器可同時(shí)產(chǎn)生多路光電信號(hào)，通過智能的算法處理，大大提升系統(tǒng)冗余糾錯(cuò)能力，具有更高的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)編碼器只有兩路相位相差90°的信號(hào)。
市場(chǎng)前景
據(jù)預(yù)測(cè)，2025年全球光學(xué)編碼器市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到140億美元，2020年至2025年期間復(fù)合年增長率為4.31%。在世界范圍內(nèi)，北美是光電編碼器市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，2020年其收入占生產(chǎn)市場(chǎng)的份額超過40%。博通，BEI Sensors，雷尼紹，Dynapar，Baumer Group，多摩川，CTS，Allied Motion，EPC等是全球領(lǐng)先的光學(xué)編碼器制造商。對(duì)于我國的市場(chǎng)，歐美產(chǎn)品占據(jù)55%的高端高價(jià)位市場(chǎng)；日本和韓國產(chǎn)品占據(jù)25%的中端價(jià)位市場(chǎng)；我國產(chǎn)品占據(jù)20%的低端價(jià)位市場(chǎng)。中國制造商在技術(shù)上不成熟，但是中國市場(chǎng)空間大，國際品牌與本土品牌價(jià)格差距也大，中國亟待通過增強(qiáng)自身科技實(shí)力來提升市場(chǎng)能力和話語權(quán)。
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