Энкодеры: описание, технологии и виды

Что такое энкодер?

Широко распространены датчики положения, преобразующие угол поворота вала в электрический  сигнал. Принципы работы их различны, но среди них есть группа датчиков, в которых для определения положения используется модуляция света, электрического или магнитного поля при помощи периодических структур (решётки, зубчатые колёса и т.п.), закреплённых на валу датчика и вращающихся вместе с ним. Такие датчики называют энкодеры. В процессе детектирования и обработки изменений модулированного сигнала, как правило, получают две импульсные последовательности, сдвинутые относительно друг друга, которые подаются на выход датчика непосредственно, либо с преобразованием в сигналы другой формы. 

Различные технологии энкодеров

Различные энкодеры используют различные физические принципы для своей работы. Чаще всего можно встретить оптические, магнитные и ёмкостные энкодеры. 

Оптические энкодеры используют модуляцию светового потока для преобразования перемещения в электрический сигнал. В зависимости от того как построена оптическая система датчика, различают отражательные (рефлективные) энкодеры и энкодеры, работающие на просвет (трансмиссионные). В рефлективных энкодерах свет от источника отражается от кодового диска прежде чем попасть на приёмник, а в трансмиссионных энкодерах свет проходит через кодовый диск. В обоих случаях периодически нанесённые метки на кодовом диске создают при вращении диска модуляцию светового потока. 

Как и другие оптические системы, оптический энкодер уязвим к пыли, грязи и парам жидкостей, поскольку они снижают качество сигнала в оптической системе датчика до полного отказа. А вот к  таким внешним факторам как магнитные поля он, напротив,  нечувствителен.

Отдельную категорию датчиков составляют волоконно-оптические энкодеры, в которых отсутствует источник света, питающийся от электричества. Свет в них поступает снаружи по оптоволокну. По нему же выдаётся обратно сигнал положения в виде соответствующим образом изменённого светового пучка. Источник света и схемы преобразования световых сигналов в электрические располагаются в отдельном блоке электроники. Сам энкодер является устройством, не подключаемым к электрической сети. Благодаря этому волоконно-оптические энкодеры могут легко применяться во взрывоопасных зонах, а также вблизи высоковольтного оборудования.

Магнитные энкодеры в своей работе используют изменения магнитного поля. В зависимости от технологии, использованной в чувствительных элементах, в магнитных энкодерах также различают несколько разновидностей. Чаще всего выделяют магнитно-резистивные, на датчиках Холла, вихретоковые и индуктивные. В магнитно-резистивных датчиках чувствительный элемент построен с использованием магниторезистивного эффекта, который заключается в изменении сопротивления тонких плёнок специально подобранных материалов в магнитном поле. Магнитное поле создаётся постоянным магнитом, установленным на вращающейся части энкодера. Энкодеры, на датчиках Холла, используют непосредственное измерение магнитного поля при помощи датчиков, действие которых основано на эффекте Холла. Магнитное поле здесь также создаётся постоянным магнитом. Индуктивные датчики используют изменение взаимной индуктивности при взаимном перемещении нескольких обмоток, или изменение собственной индуктивности (коэффициента самоиндукции) в случае использования одной обмотки и мишени из магнитного материала. Вихретоковые датчики являются одной из разновидностей индуктивных датчиков, в которых изменение магнитного поля происходит благодаря вихревым токам, наводимым в проводящем материале мишени, расположенной на вращающейся части датчика. 

Отличительными чертами магнитных датчиков являются, нечувствительность к пыли (непроводящей), грязи и парам жидкостей. При этом сильные магнитные поля могут вносить значительные помехи в работу магнитных датчиков. 

Ёмкостные энкодеры используют для определения положения изменения электрического поля. Диэлектрический диск специальной формы при вращении создаёт изменение электрического поля между двумя электропроводящими пластинами, расположенными на неподвижной части датчика. Эти электропроводящие пластины образуют обкладки конденсатора и при изменении электрического поля в нём, изменяется и его ёмкость. 
Для ёмкостных энкодеров наиболее критичным внешним воздействием являются сильные электрические поля.

Инкрементные и абсолютные энкодеры

Энкодеры могут отличаться не только по технологии, но и по способу представления информации о положении. В инкрементных энкодерах информация о положении выводится в виде двух последовательностей импульсов, смещённых друг относительно друга на четверть периода. Количество импульсов, появившееся на выходе датчика, говорит о пройдённом расстоянии, а направление фазового сдвига между ними – о направлении перемещения. Недостатком такого представления информации является то, что невозможно однозначно определить положение  сразу же после включения питания системы. Для решения этой проблемы обычно используют перемещение системы в заранее известное положение, определяемое по дополнительному датчику. Это необходимо проделывать каждый раз после включения питания и не во всех применениях является приемлемым.

Абсолютные датчики в противоположность инкрементным, сразу после включения выдают корректную информацию о положении. При этом абсолютные датчики бывают однооборотные, которые могут однозначно определять положение только в пределах одного оборота, и многооборотные, которые могут подсчитывать также и число оборотов. 

Энкодер и другие датчики

В настоящее время большинство датчиков положения, применяемых в приводах - это энкодеры того или другого типа. 

Энкодер – резольвер

В отличие от энкодеров, резольвер является электрической машиной специального исполнения. С точки зрения точности резольверы сопоставимы с энкодерами, за исключением отдельных моделей энкодеров особо точного исполнения. По размерам и массе резольверы обычно больше чем энкодеры. Кроме того недостатком резольвера являются специфические требования к питанию – переменное напряжение частотой несколько килогерц, что требует соответствующей поддержки со стороны контроллера. Тем не менее, резольверы обладают весьма высокой стойкостью к внешним воздействующим факторам: как механическим (удары, вибрации), так и климатическим и превосходят по этому параметру энкодеры. 

Энкодер – потенциометр

Потенциометры, используемые как датчик положения, имеют мало конструктивных отличий от обычных потенциометров. Они являются относительно недорогими датчиками, которые могут обеспечить средний уровень точности и выпускаются в различных конструктивных исполнениях. По сравнению с энкодерами потенциометры имеют ограниченный срок службы из-за механического износа, чувствительны к вибрации и ударам и имеют ограниченный диапазон рабочих температур.