前言
现代位移测量系统都普遍采用光栅位移传感器(也有用磁栅位移传感器)，由于标尺是重复周期的栅式结构设计，位移数值值的测量都是采用增量测量方法读出，也就是在确定初始点后要用读出从初始点到所在位置的增量数（步距）来确定位置值。为了设定绝对位置，在标尺上还要有参考标记，标尺的绝对位置由参考标记确定，参考标记的信号要锁定在一个测量步距之内，通过扫描参考标记获得绝对位置值或找到上次选择的基准。因此设备在开机后每个轴需要移动来寻找参考标记的位置。近几年来为了解决开机后设备各个轴在不移动的情况下，就能读出当前的绝对位置值的绝对光栅传感器就迅速发展了起来。
目前线位移和角位移传感器构成的测量系统从增量式测量方法逐步发展为绝对式测量方法。安装有绝对式光栅位移传感器的机床或生产线在重新开机后不需要找寻零位，立刻重新获得各个轴的绝对位置以及刀具的空间指向，因此可以马上从中断处开始继续原来的加工程序，大大地提高数控机床的有效加工时间。 绝对式线位移传感器一般来说有二个码道，一个是绝对码道将不同宽度和不同间距的栅线以绝对位置数据用编码形式直接制作到标尺上用来确定绝对位置；另外一个码道是增量码道通过信号细分提供高分辨力的位置值，用来确定光栅的精度和分辨力。在数字驱动的反馈控制系统中，还要求位移传感器必须快速、可靠传输数据，现在位移传感器都在采用双向数字接口，实现绝对式传感器和增量式传感器的位置值的可靠传输。
1、光栅位移传感器的信号传输
德国HEIDENHAIN（海德汉）公司一直是引导光栅测量技术的发展，我们可以从该公司光栅信号传输的变化来看这一过程。HEIDENHAIN的光电接收元件是采用硅光电池，很长一段时间光栅传感器的输出信号都是正弦波电流信号~11μApp，信号线需要双屏蔽，最大传输距离是30m，正弦信号的最高频率是50HZ，光栅尺的栅距20μm，分辨力1μm，最大速度为60m/min。光栅尺的信号要输入数控系统还需要通过EXE倍频细分数字化后输出为TTL矩形波才能进入数控系统，再经过数控系统的四倍频电路后得到的计数脉冲才是测量的步距。为了增加传输距离，1996年后就开始采用~1Vpp的电压信号传输，传输距离可以到150m，对于欧系的数控系统如海德汉、西门子、菲迪亚(FIDIA)，~1Vpp信号可以直接连接，但是其它数控系统仍然要通过IBV细分盒倍频细分后输出TTL矩形波才能接受。由于集成电路和倍频细分技术的发展，细分盒的部分功能都制造成芯片嵌入光栅传感器的读数头中，光栅尺输出为TTL矩形波传输的距离可到100m，光栅尺的速度可以到120m/min。由于机床的速度越来越高，测量步距越来越小，因此信号传输的速度就越来越高，可靠性就非常重要，这种由并行的正弦模拟信号转换为数字脉冲的传输就受到限制。从而就从而就开始研究采用串行同步数据传输，直到现在的双向串行数据传输，光栅尺的速度可以达到180m/min以上。
2、绝对式位移传感器及接口的发展情况
（1）海德汉（HEIDEHAIN）
德国海德汉（HEIDEHAIN）公司从1961年就开始制造光电扫描的光栅尺和圆光栅编码器。1987年推出12位ROC12(4096步/转 )绝对式旋转编码器，采用的是格雷码（Gray）。1994年推出LC181绝对式光栅尺（7条增量码道，最小的为16μm，测量长度3m，测量步距0. 1μm ）。1995年开发了EnDat用于绝对位置编码器的同步串行接口（synchronous serial interace）。1996年推出LC481绝对式光栅尺（采用伪随机码pseuddo-random，测量长度2m，测量步距0. 1μm，数据接口为EnDat2.1版本）。随后1997年也推出23位RCN723绝对式角度编码器。数据接口都为EnDat2.1版本，EnDat2.1既传输绝对位置值，也传输增量位置。 2005年HEIDENHAIN开发了适用于光栅尺和绝对式编码器的双向数字接口EnDat2.2, 实现了编码器位置的全数字传输，提供内部更高的分辨率（内置14bit细分，分辨率可达5nm），并具有传输速率快，传输时抗干扰能力强，连接电缆简化，后续电路相对简单，从而降低整套系统成本等优点。在EnDat2.2的基础上，推出了水平高的二个码道的LC100系列玻璃绝对式光栅尺，采用伪随机码，增量码道栅距为20μm，最大测量长度达到4240mm，精度等级为±3μm和±5μm，运动速度达到180m/min,其中LC183型分辨力达到0.005μm。2006年推出29位RCN829绝对式角度编码器(线数32768/转、测量步距0.00005°、系统精度±1′、增量信号~1Vpp的输出可选 )，位置传输协议为EnDat2.2。
HEIDENHAIN用于高精度和高稳定性的增量光栅尺LIP201系列，用于高速(180m/min)和大的测量范围(1540mm)，栅距2.048μm,精度等级±1μm,信号周期0.512μm, 最大细分数16384，其测量步距为1nm，或更小的31.25pm,，信号接口EnDat2.2,时钟频率16Mz。此外，HEIDENHAIN将推出绝对式钢带光栅尺测量长度为30m。
在本世纪以来，数控领域HEIDENHAIN的绝对式光栅尺和EnDat接口，在FANUC、三菱（MITSUBISHI）、SEIMENS普遍采用，尤其在2005年后，在数控机床中得到了广泛的应用,大大提高了设备的可靠性和工作效率。
（2）三丰（MITUTOYO）
2003年日本三丰公司推出AT500系列绝对式光栅尺，在标尺上采用了三个码道，中间是增量码道栅距为20μm，两边为绝对码道，测量分辨力为0.5μm和0.05μm,最高速度为150m/min和120m/min，准确度为±3μm/±5μm，最大测量长度3m，并应用于FANUC、三菱（MITSUBISHI）、SEIMENS、松下的数控装置上。
（3）索尼（SONY）
2004年日本SONY公司也继HEIDENHAIN、和MITUTOYO（三丰）之后推出了绝对磁栅尺。绝对磁栅尺用的是两个码道，一个是增量码道，通过信号细分提供位置值，确定磁栅的精度和分辨力；另一个是绝对位置码道，用来确定绝对位置。SONY绝对式磁栅尺SR87测量最大分辨力0.01μm，准确度在±3μm、±5μm，测量长度可以到3040mm，最大速度200m/min。磁栅尺在防护等级、防磁、防震方面都有很大的提高，磁栅尺可以在油中工作，抗污染、抗震动、抗冲击的能力强。绝对式光栅尺还需要提供和数控系统接口的通信协议，现在日本制造计算机数控（CNC）厂家FANUC、MITSUBISHI（三菱）、MATSUSHITA（松下）、YASKAWA（安川）、TOSHIBA（东芝）都接受了SONY的绝对式磁栅尺。
（4）发格（FAGOR）
西班牙FAGOR公司在2004年7月也制造出绝对式光栅尺，在标尺上有两个码道，一个是增量码栅距为20μm，另一个是绝对码道。FAGOR的绝对式光栅尺有两个系列，SA/SVA系列测量长度从140mm~2040mm，GA系列测量长度从140mm~3040mm，最大速度为120m/min，分辨力为0.1μm。在解决了通信协议后，2008年已开始在FANUC、SEIMENS的数控系统上使用。
3、EnDat2.2-位置编码器双向数字接口
图1 用EnDat2.2接口的绝对编码器的框图
HEIDENHAIN的EnDat（Encoder Data）信号接口是一种编码器用的双向数字接口（Bidirectional digital interface）,是纯二进制串行数据传输。EnDat2.2接口有两个版本，EnDat22是纯数字信号传输，EnDat02可以传输绝对式编码器的位置值（absolute position values）也可以传输增量式编码器的位置值（incremental position values）。EnDat2.2接口除了位置值得传输，还能读取和更新保存在编码器中的信息。由于采用串行数据传输（Serial data transmission）方式，它只需要四条信号线。数据传输与后续电子设备的时钟信号保持同步（时钟频率可达16 MHZ，只需8μs的时间后续电子设备就能得到位置值，信号传输距离达到150m）。如图1、图2所示。在图1的左下方的参数存储区中有工作参数、工作状态、OEM厂商参数和编码器制造商参数。
图2 绝对式编码器和双向数字接口连接框图
后续电子设备的输入电路如图3所示，数据（测量值或参数）可以在位置编码器和后续电子设备之间进行双向传输，其收发单元支持RS-485（差分信号），数据传输与后续电子设备生成的时钟脉冲同步。
图3 后续电子设备的输入电路
双向数字接口突出的优点：
一个接口能适用于所有的绝对式编码器和增量式编码器；
后续电路设备简单（提供基于特定FPGA的软核）；
连接技术简单（电缆接线只需8芯，成本要低一半）；
实现传输可靠性高（具有冗余循环校验功能）；
传输时间更短（数据字长能适应编码器的分辨率）
传输附加信息（包括报警、温度、诊断信息等）。
对于使用者来说，光栅编码器双向数字接口EnDat的使用是公开的，海德汉可以提供必要的文件和技术支持。
4、绝对式光栅尺和增量式光栅尺价格比较
绝对式光栅尺和增量式光栅尺在生产成本上主要差别是增量信号需要在后续电路对模拟信号进行必要的滤波、采样、调制、整形、细分等，绝对信号需要专用芯片实现底层数据传输协议。将HEIDENHAIN LC183绝对式光栅尺的价格和玻璃增量光栅尺LS187的价格比较，绝对光栅尺的价格比相同的增量光栅尺约高5%左右，比LB382钢带光栅尺还要低一些。HEIDENHAIN为了推广绝对式光栅尺，同样性能的光栅传感器，绝对式和增量式的都一个价格。
5、HEIDENHAIN公司的基本情
HEIDENHAIN公司研制生产光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显表和数控系统。追求技术领先一直是公司的首要目的,该公司在研发、生产和测试等各个环节都严格进行控制，测试项目涉及静态、动态精度，细分误差，冲击和震动，启动性能，环境试验，防护等级，电磁兼容等多个项目，该公司的企业标准都高于通用工业标准的要求。
2007年HEIDENHAIN在49个国家设有分公司，有雇员7700人，其中在德国总部Traunreut有2700人。
到2007年为止，海德汉公司共计提供了650万只旋转编码器、400万只光栅尺、42万台数显表和20万台数控系统。目前，海德汉公司平均每年大约销售120万个圆光栅编码器、30万支光栅尺、1万台数显表、1万台高端数控系统。年销售额超过10亿欧元，其中圆光栅编码器、光栅尺和数控装置大约各占三分之一。
