码盘基础知识
码盘是什么：编码器里最核心的那一片
拆开一台光电编码器，里面有光源、码盘、读数头和电路板。码盘就是其中跟着轴转、刻着精密图形的那一片。本文讲它装在哪里、起什么作用，为什么说它决定了编码器的上限，以及圆盘、码带、光栅尺这几种常见形态。
第一次拆开光电编码器的人，常会有点意外：里面没有复杂的机构，一根轴、一块电路板、一个外壳，中间夹着一片薄薄的圆片。这片圆片就是码盘。它不起眼，却是整台编码器里真正带着“刻度”的零件。
码盘装在哪里
以常见的透射式光电编码器为例，从下往上大致是：轴和轴承座、光源、码盘、读数头、电路板、外壳，见图1。
- 码盘通过轮毂固定在轴上，跟着轴一起转；
- 光源在码盘一侧，读数头在另一侧，二者都固定不动；
- 电路板处理读数头送来的信号，外壳负责防尘和遮挡外界杂光。
反射式结构把光源和接收器放在码盘的同一侧，但码盘的角色不变。
码盘做什么
一句话：把“转了多少角度”变成“光亮暗变化了多少次”。
码盘上有一圈或几圈精密图形。增量道上是等间距的刻线，零位道上一圈只有一个窗口，绝对式码盘上还有编码的码道。刻线不透光，缝隙透光。码盘转过一个节距，读数头处的光就亮暗变化一个周期。读数头里的指示光栅和光电接收器把这种变化变成电信号，电路再把它整形成脉冲，或者送去细分。
换句话说，编码器里所有关于位置的信息，最初都来自码盘上的图形。其他零件负责照明、接收、处理和保护。
为什么说码盘决定了上限
电路可以放大、滤波、细分，但只能在码盘给出的信号上做文章。码盘的几项特性，直接对应编码器的指标：
| 码盘特性 | 对应的编码器指标 |
|---|---|
| 线数 | 原始分辨率：一个信号周期对应多大角度 |
| 刻线位置准不准 | 精度：刻线的位置误差会直接进入读数 |
| 码道与转轴是否同心 | 偏心误差：每转一个周期的正弦误差 |
| 线宽、边缘、遮光 | 信号幅值、对比度，以及能细分到多细 |
| 基材 | 抗冲击、耐温、热胀冷缩 |
举两个算例。一片 2500 线的码盘，方波四倍频后每转 10000 个计数，每个计数约 129.6″；电路不会数出码盘上没有的刻线。正余弦细分可以把一个周期再分成上千份，但前提是信号足够干净；如果刻线位置本身就偏了几角秒，分得再细，读数里也带着这几角秒。
再看装配：读数半径 20 mm 的码盘，如果装偏 5 μm，单读数头会带来约 52″ 的误差（Δθ ≈ e ÷ r）。这也是码盘上要做对心圈的原因。
常见形态：圆盘、码带和光栅尺
同一个原理，可以做成不同形状，见图2：
- 圆盘码盘：测转角，用在伺服电机、转台、机器人关节等处。
- 码带：柔性长条，测直线位移，打印机的字车就常用码带。
- 光栅尺：刻线做在直尺上，数控机床的全闭环控制会在电机编码器之外再加光栅尺。
基材也有几种。玻璃码盘的刻线一般是镀在玻璃上的铬，用光刻和蚀刻成形，线可以做得细、做得多；金属码盘多为不锈钢基材、反射式，抗冲击和振动；PC 码盘轻、不易碎，适合大批量低成本的场合。
小结
码盘是编码器里刻着“刻度”的那个零件，位置信息全部从它而来。线数决定原始分辨率，刻线精度和同心度决定精度的底子，线条质量决定信号好坏。评估一台编码器，最后都绕不开这一片码盘。
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