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【科技成果推介】激光干涉光栅编码器
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- Time of issue:2021-03-26
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【科技成果推介】激光干涉光栅编码器
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信息化的21世纪，传感器这个名称被我们越来越熟知，传感器的应用领域非常的广泛，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。传感器的种类非常多，是检测装置的一种统称。今天小编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。
下面就请跟随小编的脚步，了解我院智能位移传感器系统研究中心（简称“智感中心”）经过多年研发的激光干涉光栅编码器。
【科技研发】
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？
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。其中，它们的功能是将位置和运动等物理量转换为数字或模拟电信号。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
当前世界上，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，以及英国、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。
【科技创新】
根据目前编码器存在的技术特点，我院智能位移传感器系统研究中心在激光光源、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。
激光干涉反射的原理
激光光源发出激光照射在凸凹相间的动光栅上，通过入射光与反射光之间的干涉，在接受器上形成明暗相间的条纹。原理如下图所示。
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
一期产品每周262144(2^18)道光栅线。
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。
产品系列
目前，智感中心已开发多款高精度、高分辨率的角位移传感器。
【应用价值】
市场前景
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。
2012年行业协会统计，位移传感器的国内产业需求规模为28亿元（350万个），其中直线光栅尺13亿元（50万个），圆光栅编码器15亿元（300万个）；这之后的年增长率为15%；产品进口率为80%。根据这些数据估算得出2020年的规模为86亿元，进口量为69亿元。然而，由于近几年直驱电机的出现和其对高端编码器配套的要求，实际的需求量估计在百亿级以上。
应用领域
数控转台 直升飞机 工业机器人
雷达 电梯 导弹
智能位移传感器系统研究中心
智能位移传感器系统研究中心（简称“智感中心”）致力智能制造领域高端核心零部件的研发工作，包括纳米级位移定位系统、纳米级压伤&划伤仪器、纳米级测力系统、电容式角度&位移传感器、光电式角度&位移传感器等，以切实解决国家在智能制造领域的“卡脖子”难题为攻关目标。中心研发的高端核心零部件将被广泛应用于科研、国防、航空航天和工业生产等细分行业，并将大大降低国我国对海外进口核心零部件的依赖程度。
技术对接、业务洽谈
联系人：林立、盛玲波
电 话：18610290206／15843025376
邮 箱：linli@tsinghua-tj.org
来源|智能位移传感器系统研究中心
编辑|王肖
以上相关技术最终解释权归智能位移传感器系统研究中心所有
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