Оптичні і індуктивні енкодери: що краще?

1. Що таке енкодер?
2. Що таке оптичний енкодер?
3. Що таке індуктивний енкодер?

14 вересня 2018 р в 11:54, 198

З урахуванням існуючого різноманіття технологій позиціонування, не дивно, що інженери-розробники можуть зазнавати труднощів при виборі відповідного датчика для свого проекту. У даній статті розглядається, як працюють оптичні та індуктивні енкодери, а також аналізуються їх відносні сильні і слабкі сторони.

Оптичні енкодери залишаються найбільш поширеним вибором в якості датчика положення для виробників обладнання з 1970-х років. Вони широко доступні від ряду виробників і можуть бути встановлені в різному промисловому устаткуванні, такому як принтери, верстати з ЧПУ і роботи. Традиційні індуктивні датчики положення: резольвера і диференціальні трансформатори для вимірювання лінійних переміщень (англ. LVDT - Linear Variable Differential Transformer), існують з 1940-х років, але знаходять не таке широке застосування. Вони, як правило, використовуються в жорстких умовах експлуатації або в додатках, критичних з безпеки, в аерокосмічній, оборонної та нафтохімічній галузях, де їх надійність і міцність перевершують їх високу вартість, обсяг і вага. Однак новий тип пристроїв, індуктивний енкодер або «incoder» (англ. Incoder - Inductive encoder), займає все більшу частку на ринку і змінює традиційний баланс. Incoder можна розглядати як гібрид індуктивних і оптичних технологій.

Що таке енкодер?

В першу чергу зупинимося на термінології. Енкодер - це пристрій, який перетворює положення або рух в електричний сигнал, зазвичай це цифровий код. Їх також називають поворотними енкодер, енкодер з вихідним валом, кутовими датчиками, кутовими енкодер або датчиками кута повороту, кутовими передавачами - і цей список можна продовжити. Для цілей цієї статті далі будемо використовувати термін енкодер.

Енкодери можуть бути поворотними або лінійними. Вони також можуть бути абсолютними або Інкрементальний, і це важлива відмінність. Якщо ми розглянемо простий абсолютний обертається енкодер, то його електричний вихід показує поточний кутове положення вала відразу після включення живлення. Вихід інкрементних датчиків передає інформацію тільки про рух вала. Іншими словами, вихідний сигнал від інкрементного енкодера видає дані про становище тільки при русі. Деякі інкрементні датчики оснащені контрольною відміткою, таким чином енкодер може використовувати це в якості опорної точки, від якої вимірюється збільшення відстані або зменшення при обертанні у зворотний бік.

Вибір інкрементних енкодерів ширше, ніж абсолютних датчиків, але це змінюється з часом, так як величина додаткових витрат для абсолютних пристроїв зменшується. Крім цього, в багатьох додатках, зокрема в робототехніці і автоматизованих системах, в меншій мірі допустимо, щоб обладнання проходило процедуру калібрування при запуску, в такому випадку датчики положення повинні визначати положення в тій точці, де знаходяться.

Найчастіше на виході інкрементних датчиків знімаються дві послідовності імпульсів A / B (серії імпульсів, зазвичай із зсувом фази каналу В щодо каналу А на 90 °). Це відноситься до двох або більшій кількості потоків імпульсів низької напруги в квадратурі, які змінюються з високого або низького стану при зміні положення. Виявлення обертання забезпечується визначенням, який з потоків імпульсів випереджає інший, наприклад, імпульси потоку A по фазі на 90 ° випереджають імпульси потоку B імпульсів або навпаки. На виході абсолютних енкодерів найбільш часто зустрічається інтерфейс SSI (англ. Synchronous Serial Interface, синхронно-послідовний інтерфейс), який є протоколом цифрового обміну даними, різні поєднання бітових значень 0 або 1, якого вказують на абсолютне положення.

Що таке оптичний енкодер?

Існує ряд технологій, що застосовуються в енкодер для вимірювання положення, найбільш поширеною з яких є оптична. В оптичному енкодер промінь світла направлений крізь або на диск з отворами, так що світло проходить або блокується. Оптичний детектор або зчитує голівка сприймають проходить світло і генерують відповідний електричний сигнал. З отворів і серій міток на диску формується спеціальний візерунок у вигляді оптичної решітки, яка може використовуватися для вимірювання кута або руху. Масштаб маркування може бути дуже дрібним - аж до мікрон - дозволяючи багатьом оптичним датчикам видавати дані з високим ступенем точності.

Мал. 1 - Оптичні енкодери використовують оптичний датчик і диск для вимірювання кута

Корпусовані енкодер із суцільним валом є стандартним виконанням, в якому вал енкодера механічно з'єднаний з рештою системи. Вал енкодера, на якому закріплений оптичний диск закріплений на підшипнику. Оптичний диск, в свою чергу, працює в тісному зв'язку з оптичними сенсорами. Підключення до електромережі зазвичай реалізується за допомогою багатожильного кабелю, по якому здійснюється електроживлення і знімаються вихідні дані про стан датчика. Простий електричний інтерфейс в поєднанні з широкою поширеністю робить такі датчики легко інтегрованими. Основний недолік таких енкодерів полягає в тому, що вони нестійкі до жорстких умов навколишнього середовища, в якій може бути присутнім вібрація, удари, сторонні речовини або екстремальні температури. Недостатня або взагалі відсутня сигналізація про збій може призвести в гіршому випадку до некоректного висновку даних положення або - в кращому випадку - з повідомленням про помилку. Як правило, видача помилкового положення (без повідомлення про помилку) є набагато більш серйозним збоєм, ніж відсутність даних про становище, оскільки результат може бути катастрофічним.

При використанні датчиків більшого діаметра або енкодерів в формі кільця в посібниках часто задаються надзвичайно жорсткі допуски на установку голівки, що зчитує на оптичний диск або грати для досягнення заявлених результатів вимірювань. Такі безкорпусні кільцеві енкодери особливо чутливі до наявності сторонніх речовин в робочій зоні оптичного датчика, враховуючи малий розмір оптичних елементів, який можна порівняти з величиною частинок пилу або грязі.Неудівітельно, що оптичні енкодери зазвичай не є добрим вибором для додатків з високими вимогами до надійності або відносяться до сфері безпеки.

Переваги Висока роздільна здатність, широка доступність, можлива висока точність Недоліки Крихкий, чутливий до сторонніх речовин, катастрофічні режими збоїв, обмежений діапазон температур (від -20 до +70 ° C)

Що таке індуктивний енкодер?

В індуктивних енкодер, часто званих інкодер, застосовані індукційні або трансформаторні принципи для вимірювання позиції мішені або ротора щодо статора. У таких датчиках використовуються ті ж фізичні принципи, що і в традиційних індуктивних пристроях, таких як бесщеточние резольвера або диференціальні трансформатори для вимірювання лінійних переміщень, однак, електричний інтерфейс індуктивних енкодерів подібний до інтерфейсу оптичних датчиків положення - простий джерело живлення постійного струму і цифровий електричний вихідний сигнал .

Більшість традиційних резольвера виглядають скоріше, як електричний двигун - з мідними обмотками на статорі, які взаємодіють з металевим ротором або мішенню. Індуктивна або трансформаторна зв'язок між обмотками статора змінюється в залежності від положення ротора. Замість конструкції у вигляді трансформаторних обмоток, в конструкції індуктивних енкодерів використовуються друковані плати ротора і статора, роблячи їх менш громіздкими, більш точними і при цьому менш дорогими у виробництві.

У зв'язку з їх застосуванням у військових літаках у Другій світовій війні, резольвера і LVDT-датчики отримали заслужену репутацію точних, міцних і надійних пристроїв, тому вони стають автоматичним вибором для додатків з високими вимогами до надійності і безпеки. Це пов'язано з тим, що принципи роботи трансформатора, як правило, не схильні до негативного впливу несприятливих умов навколишнього середовища, включаючи наявність бруду, води і льоду.

Індуктивні енкодери так само, як і оптичні датчики, легко інтегровними, так як вимагають тільки підключення харчування і на виході забезпечують цифровий сигнал, що позначає положення. Це свідчить про те, що у інкодер є всі переваги резольвера, але жодного з них недоліків.

Оскільки індуктивні енкодери не містять в своїй конструкції тендітні оптичні компоненти, вони не чутливі до наявності сторонніх речовин і працюють не тільки в обмежених температурних діапазонах. Крім того, прецизійний вимір положення не залежить від точної співвісності рухомих і нерухомих елементів, що забезпечує широкі допуски при установці і роботу без підшипників. Усунення необхідності в підшипниках призвело до створення тонких кільцевих конструкцій з малим осьовим розміром і великим, порожнистим валом, що спростило їх інтеграцію в обладнання з жорсткими обмеженнями за розміром або вагою, такими як карданови підвіси, роботизовані маніпулятори і приводи.

Рис 2 - Приклади індуктивних енкодерів Переваги Висока роздільна здатність, точність, надійність, міцність, довговічність, відсутність жорстких вимог до високоточної співвісності. Недоліки Робочий температурний діапазон (від -100 до +125 ° C) ширше, ніж у оптичних енкодерів, але не такий широкий, як у резольвера.

Компанія Zettlex розробляє і виробляє абсолютні і інкрементальні енкодери.

Датчики серії IncOder компанії Zettlex - це безконтактні пристрої для прецизійного вимірювання кута. Датчик IncOder складається з двох частин: статор і ротор, кожна з яких має форму плоского кільця. Велике центральне отвір дозволяє легко пропускати вали, оптичні волокна, труби і кабелі, розміщувати струмознімачі. Індуктивні кутові енкодери серії IncOder не вимагають точної механічної установки, скоріше можна сказати, що ротор і статор повинні бути просто пригвинчені в кінцевий виріб.

Zettlex випускає датчики положення в широкому діапазоні форм і розмірів, включаючи обертові, кільцеві, лінійні, 2-х і багатоосьові. Діапазон вимірювань лінійних датчиків - до 2700 мм. Обертові пристрої вимірюють безперервно всі 360 ° або кілька оборотів. Крім того, що обертаються пристрої використовуються в якості енкодерів високошвидкісних двигунів або бездротових перетворювачів крутного моменту.

Автор статті: Zettlex UK Ltd
Переклад на російську мову підготовлений офіційним представником Zettlex в Росії - компанією ТОВ «АВІ Солюшнс»