Оптические и индуктивные энкодеры: что лучше?

Автор статьи: Zettlex UK Ltd

С учетом существующего многообразия технологий позиционирования, неудивительно, что инженеры-разработчики могут испытывать затруднения при выборе подходящего датчика для своего проекта. В данной статье рассматривается, как работают оптические и индуктивные энкодеры, а также анализируются их относительные сильные и слабые стороны.

Оптические энкодеры остаются наиболее распространенным выбором в качестве датчика положения для производителей оборудования с 1970-х годов. Они широко доступны от ряда производителей и могут быть установлены в различном промышленном оборудовании, таком как принтеры, станки с ЧПУ и роботы. Традиционные индуктивные датчики положения: резольверы и дифференциальные трансформаторы для измерения линейных перемещений (англ. LVDT - Linear Variable Differential Transformer), существуют с 1940-х годов, но находят  не такое широкое применение. Они, как правило, используются в жестких условиях эксплуатации или в приложениях, критичных по безопасности, в аэрокосмической, оборонной и нефтехимической отраслях, где их надежность и прочность превосходят их высокую стоимость, объем и вес. Однако новый тип устройств, индуктивный энкодер или “incoder” (англ. Incoder – Inductive encoder), занимает всё большую долю на рынке и меняет традиционный баланс. Incoder можно рассматривать как гибрид индуктивных и оптических технологий.

Что такое энкодер?

В первую очередь остановимся на терминологии. Энкодер - это устройство, которое преобразует положение или движение в электрический сигнал, обычно это цифровой код. Их также называют поворотными энкодерами, энкодерами с выходным валом, угловыми датчиками, угловыми энкодерами или датчиками угла поворота, угловыми передатчиками – и этот список можно продолжить. Для целей настоящей статьи далее будем использовать термин энкодер.

Энкодеры в разделе каталога

Энкодеры могут быть поворотными или линейными. Они также могут быть абсолютными или инкрементальными, и это важное различие. Если мы рассмотрим простой абсолютный вращающийся энкодер, то его электрический выход показывает текущее угловое положение вала сразу после включения питания. Выход инкрементных датчиков передает информацию только о движении вала. Другими словами, выходной сигнал от инкрементного энкодера выдает данные о положении только при движении. Некоторые инкрементные датчики оснащены контрольной отметкой, таким образом энкодер может использовать это в качестве опорной точки, от которой измеряется увеличение расстояния или уменьшение при вращении в обратную сторону.

Выбор инкрементных энкодеров шире, чем абсолютных датчиков, но это меняется со временем, так как величина дополнительных расходов для абсолютных устройств уменьшается. Кроме этого, во многих приложениях, в частности в робототехнике и автоматизированных системах, в меньшей степени допустимо, чтобы оборудование проходило процедуру калибровки при запуске, в таком случае датчики положения должны определять положение в той точке, где находятся.

Чаще всего на выходе инкрементных датчиков снимаются две последовательности импульсов A/B (серии импульсов, обычно со сдвигом фазы канала В относительно канала А на 90°). Это относится к двум или большему числу потоков импульсов низкого напряжения в квадратуре, которые меняются с высокого или низкого состояния при изменении положения. Обнаружение вращения обеспечивается определением, какой из потоков импульсов опережает другой, например, импульсы потока A по фазе на 90° опережают импульсы потока B импульсов или наоборот. На выходе абсолютных энкодеров наиболее часто встречается интерфейс SSI (англ. Synchronous Serial Interface, синхронно-последовательный интерфейс), который является протоколом цифрового обмена данными, различные сочетания битовых значений 0 или 1, которого указывают на абсолютное положение.

Что такое оптический энкодер?

Существует ряд технологий, применяемых в энкодерах для измерения положения, наиболее распространенной из которых является оптическая. В оптическом энкодере луч света направлен сквозь или на диск с отверстиями, так что свет проходит или блокируется. Оптический детектор или считывающая головка воспринимают проходящий свет и генерируют соответствующий электрический сигнал. Из отверстий и серий меток на диске формируется специальный узор в виде оптической решетки, которая может использоваться для измерения угла или движения. Масштаб маркировки может быть очень мелким - вплоть до микрон - позволяя многим оптическим датчикам выдавать данные с высокой степенью точности.

Рис. 1 – Оптические энкодеры используют оптический датчик и диск для измерения угла 

Корпусированный энкодер со сплошным валом является стандартным исполнением, в котором вал энкодера механически соединен с остальной системой. Вал энкодера, на котором закреплен оптический диск закреплен на подшипнике. Оптический диск, в свою очередь, работает в тесной связи с оптическими детекторами. Электрическое подключение обычно реализуется посредством многожильного кабеля, по которому осуществляется электропитание и снимаются выходные данные о положении датчика. Простой электрический интерфейс в сочетании с широкой распространенностью делает такие датчики легко интегрируемыми. Основной недостаток таких энкодеров заключается в том, что они неустойчивы к жестким условиям окружающей среды, в которой может присутствовать вибрация, удары, посторонние вещества или экстремальные температуры. Недостаточная или вообще отсутствующая сигнализация о сбое может привести в худшем случае к некорректному выводу данных положения или - в лучшем случае - сообщению об ошибке. Как правило, выдача ложного положения (без сообщения об ошибке) является гораздо более серьезным сбоем, чем отсутствие данных о положении, поскольку результат может быть катастрофическим.

При использовании датчиков большего диаметра или энкодеров в форме кольца в кратких руководствах часто задаются чрезвычайно жесткие допуски на установку считывающей головки на оптический диск или решетку для достижения заявленных результатов измерений. Такие бескорпусные кольцевые энкодеры особенно чувствительны к наличию посторонних веществ в рабочей зоне оптического датчика, учитывая малый размер оптических элементов, сопоставимый с величиной частиц пыли или грязи.
Неудивительно, что оптические энкодеры обычно не являются предпочтительным выбором для приложений с высокими требованиями к надежности или относящихся к сфере безопасности.

Что такое индуктивный энкодер?

В индуктивных энкодерах, часто называемых инкодерами, применены индукционные или трансформаторные принципы для измерения позиции мишени или ротора относительно статора. В таких датчиках используются те же физические принципы, что и в традиционных индуктивных устройствах, таких как бесщеточные резольверы или дифференциальные трансформаторы для измерения линейных перемещений, однако, электрический интерфейс индуктивных энкодеров подобен интерфейсу оптических датчиков положения - простой источник питания постоянного тока и цифровой электрический выходной сигнал.

Большинство традиционных резольверов выглядят скорее, как электрический двигатель - с медными обмотками на статоре, которые взаимодействуют с металлическим ротором или мишенью. Индуктивная или трансформаторная связь между обмотками статора изменяется в зависимости от положения ротора. Вместо конструкции в виде трансформаторных обмоток, в конструкции индуктивных энкодеров используются печатные платы ротора и статора, делая их менее громоздкими, более точными и при этом менее дорогостоящими в производстве.

В связи с их применением в военных самолетах во Второй мировой войне, резольверы и LVDT-датчики получили заслуженную репутацию точных, прочных и надежных устройств, поэтому они становятся автоматическим выбором для приложений с высокими требованиями к надежности и безопасности. Это связано с тем, что принципы работы трансформатора, как правило, не подвержены негативному влиянию неблагоприятных условий окружающей среды, включая наличие грязи, воды и льда.

Индуктивные энкодеры так же, как и оптические датчики, легко интегрируемы, так как требуют только подключения питания и на выходе обеспечивают цифровой сигнал, обозначающий положение. Это свидетельствует о том, что у инкодеров есть все преимущества резольверов, но ни одного из их недостатков.

Поскольку индуктивные энкодеры не содержат в своей конструкции хрупкие оптические компоненты, они не чувствительны к наличию посторонних веществ и работают не только в ограниченных температурных диапазонах. Кроме того, прецизионное измерение положения не зависит от точной соосности движущихся и неподвижных элементов, что обеспечивает широкие допуски при установке и работу без подшипников. Устранение необходимости в подшипниках привело к созданию тонких кольцевых конструкций с малым осевым габаритом и большим, полым валом, что упростило их интеграцию в оборудование с жесткими ограничениями по размеру или весу, такими как кардановы подвесы, роботизированные манипуляторы и приводы.

Рис 2 – Примеры индуктивных энкодеров

Компания Zettlex разрабатывает и производит абсолютные и инкрементальные энкодеры.

Датчики серии IncOder компании Zettlex – это бесконтактные устройства для прецизионного измерения угла. Датчик IncOder состоит из двух частей: статор и ротор, каждая из которых имеет форму плоского кольца. Большое центральное отверстие позволяет легко пропускать валы, оптические волокна, трубы и кабели, размещать токосъёмники. Индуктивные угловые энкодеры серии IncOder не требуют точной механической установки, скорее можно сказать, что ротор и статор должны быть просто привинчены в конечное изделие.

Zettlex выпускает датчики положения в широком диапазоне форм и размеров, включая вращающиеся, кольцевые, линейные, 2-х и многоосевые. Диапазон измерений линейных датчиков - до 2700 мм. Вращающиеся устройства измеряют непрерывно все 360° или несколько оборотов. Кроме того, вращающиеся устройства используются в качестве энкодеров высокоскоростных двигателей или беспроводных преобразователей вращающего момента.