Een optical encoder meet contactloos posities, lengtes en verplaatsingen. Vaak worden ze ingezet als feedback loop op de positionering in een besturing van een machine. Deze positiesensor werkt op basis van licht en een liniaal met een reflectiepatroon. Ze positioneren met een lage resolutie, tot wel 1,2 nm nauwkeurig! Bovendien heeft deze technologie een laag stroomverbruik, waardoor de optical encoder geschikt is voor toepassingen in vacuüm omgevingen.
Je wil een verplaatsing maken in een machine. Met een encoder weet je waar het object is, en welke afstand het object moet afleggen om op de gewenste positie te komen. Vraagt jouw toepassing om positiecontrole met een lage resolutie en hoge snelheden?
Ook als het gaat om een vacuüm omgeving, kan de optical encoder de uitkomst zijn. Lees alles over de mogelijkheden van deze positiesensor.
Hoe werkt een optical encoder?
Zoals bij magnetische en inductieve encoders, werken ook optical encoders met een liniaal. Bij optische technologie bestaat de liniaal uit een patroon van reflectoren, oftewel de lichtgevoelige laag. Als een object beweegt, wordt de encoder verplaatst over de liniaal. Deze linialen zijn er in zowel rechte als ronde uitvoeringen.
Peter Verstappen, Account Manager bij Sentech legt uit: “De zender van een optical encoder is een lichtbron. Vaak is dit een VCSEL, een stuk silicium dat licht geeft. Zodra de liniaal wordt verlicht door de zender, weerkaatst het patroon van reflectoren het licht terug naar de ontvanger. Hieruit ontstaat een golfbeweging, een amplitude. Deze beweging wordt omgezet in een sinus en een cosinus, die worden vertaald naar een signaal. Dit signaal vertelt de besturing van een motor wat de werkelijke positie is van een object.”
Feedback loop op positionering
Encoders worden vaak gebruikt als feedback loop op de positioning in een machine. Hoe ziet zo een positiecontrole eruit?
“Een motor krijgt de opdracht om een object van A naar B te verplaatsen. Om te weten waar het object zich bevindt in de beweging tussen A en B, heb je een meting nodig. Deze meting is de feedback loop naar de besturing van de motor. Als de besturing van de motor weet waar het object is, kan de motor de juiste hoeveelheid vermogen leveren om het object op de gewenste positie te brengen”, aldus Verstappen.
Incrementeel of absoluut
Optical encoders zijn verkrijgbaar als incrementele en absolute systemen. Wat is het verschil tussen deze twee soorten encoders?
Incrementele encoders
Een incrementele encoder meet stap voor stap. Ze meten namelijk de verandering en richting van de beweging. Bij het opstarten moet een incrementeel systeem ‘homen’ om de index – oftewel de nulpositie – te vinden.
Absolute encoders
Een absolute encoder geeft direct de werkelijke positie. Dit encodertype hoeft niet te ‘homen’. Het systeem ziet iedere positie als een uniek signaal.
Ten opzichte van incrementele encoders, zijn absolute encoders complexer en hebben en hogere latentiewaarde, waardoor er een vertraging is in de dataoverdracht.
Als componentgrootte een grote rol speelt, is precieze plaatsing van groot belang. Hierbij is ook de plaatsingssnelheid cruciaal. Zo kan je eindproducten met concurrerende prijzen aanbieden.
5 voordelen van een optical encoder
-
Erg nauwkeurig
Met een resolutie tot 1,2 nm zijn optical encoders één van meest nauwkeurige meetsystemen op het gebied van positioneren.
-
Kleine bouwvorm
Door de kleine bouwvorm, is de optical encoder gemakkelijk te integreren in compacte machines. Zo zijn er behuizingen verkrijgbaar van 9 x 7 x 1,2 mm.
-
Hoge snelheden
Dankzij zijn geavanceerde techniek, zijn optical encoders geschikt voor toepassingen met hoge snelheden. Van 3 meter per seconde bij instapsystemen en 10 meter per seconde bij geavanceerde systemen.
-
Geschikt in vacuüm
Omdat de lichtbron van de optical encoder een VCSEL is, hebben ze minder stroom nodig waardoor ze veel minder warm worden. Dit maakt deze technologie ook geschikt voor vacuüm omgevingen.
-
Ongevoelig voor elektronische storingen
Ze zijn ongevoelig voor elektronische storingen van buitenaf. Optische systemen werken namelijk met een gebalanceerd A en B signaal. Als dit signaal wordt verstoord, blijven de verschillen tussen het A en B signaal in stand. Hierdoor blijft er een goed signaal over.
Wanneer gebruik je een encoder?
Voordat je een specifiek type encoder selecteert, is het belangrijk om te weten wat een encoder doet. Met een encoder meet je posities, lengtes en verplaatsingen. Ze worden vaak gebruikt om een positie te controleren, oftewel als terugkoppel lus of feedback loop op de positionering in een besturing van motor of machine.
Afhankelijk van de eisen en omgevingsfactoren, bepaal je welk type encoder het beste past in jouw toepassing. Zo past een inductive encoder of magnetische encoder beter bij een vervuilde omgeving.
Optical encoders van Celera Motion met MicroE-technologie zijn gebouwd van materialen die geschikt zijn voor vacuüm omgevingen.
Positiecontrole in vacuüm
In vacuüm omgevingen zijn geen luchtmoleculen. Zonder luchtmoleculen, kunnen elektronica systemen hun warmte niet of moeilijk kwijt. “Voor optical encoders met een lens betekent dit dat ze te warm worden, waardoor ze snel kapotgaan. Omdat de MicroE-encoders een VCSEL bevatten, verbruiken ze minder stroom én worden ze veel minder warm. Dit maakt deze encoder geschikt voor vacuüm omgevingen”, legt Verstappen uit.
Wil je toch een systeem gebruiken die te warm wordt voor een vacuüm ruimte? Verbind het systeem met een geleidend materiaal. Dit is de enige manier om warmte te verliezen in vacuüm.
Uiterst nauwkeurig verplaatsingen meten
Een optical encoder meet verplaatsingen tot wel 1,2 nm nauwkeurig. Echter wordt de daadwerkelijke nauwkeurigheid bepaald door verschillende factoren, wat ook invloed heeft op de prijs van het systeem. Het is dus belangrijk om te weten welke mate van nauwkeurigheid jouw toepassing écht nodig heeft.
Absolute en herhaalnauwkeurigheid
Encoder systemen zijn opgebouwd uit twee factoren die de precisie van jouw meting bepalen. Namelijk absolute nauwkeurigheid en herhaalnauwkeurigheid. Bij het selecteren van een positiesensor, is het goed om te weten in welke mate deze factoren van belang zijn voor jouw toepassing.
Absolute nauwkeurigheid is de werkelijke positie in de ruimte, zonder vooraf te kalibreren of een referentiesignaal op te roepen. Bij herhaalnauwkeurigheid is er een indexsignaal aanwezig. Als de machine start, gaat de encoder altijd eerst naar dit vooraf ingestelde punt. Dat punt is altijd hetzelfde. Vervolgens worden vanaf de index alle bewegingen gemaakt.
Toelichting
Bij absolute nauwkeurigheid verplaats je 10,000 mm, maar hoe nauwkeurig is deze 10,000 mm daadwerkelijk? Die 10,000 mm kan in werkelijkheid ook 10,004 mm zijn. Herhaalnauwkeurigheid is als je de machine tien keer naar dezelfde positie stuurt. Hoeveel deze positie afwijkt van die positie, dat is de herhaalnauwkeurigheid.
Tolerantieveld
Zowel absolute nauwkeurigheid als herhaalnauwkeurigheid kennen gradaties in precisie. Hoe kleiner het tolerantieveld, hoe preciezer de meting. Stel de absolute nauwkeurigheid is 10 mu, en de herhaalnauwkeurigheid is 1 mu. Dan mag de encoder maximaal 1 mu afwijken van het referentiepunt. Deze marge mag 10 mu afwijken van de werkelijke (absolute) positie.
De mate van de absolute nauwkeurigheid heeft een grote invloed op de prijs van een encoder systeem. Als vooral herhaalnauwkeurigheid belangrijk is, kom je meestal uit op een betaalbaarder systeem. Vaak is een hoge herhaalnauwkeurigheid al voldoende voor een betrouwbare meting.
Materiaal liniaal
Ieder materiaal heeft een eigen uitzettingscoëfficiënt. Zo zet een metalen liniaal zich uit bij hoge temperaturen en temperatuurveranderingen. Daarentegen heeft glas geen uitzettingscoëfficiënt, waardoor een glazen liniaal betrouwbaarder is bij hogere temperaturen.
Interpoleren: een nóg lagere resolutie
Wil je een lagere resolutie? Dat kan! Door het signaal te interpoleren, kan je meer stapjes per seconden meten. Het oorspronkelijke signaal wordt in nóg kleinere stapjes opgedeeld. Hoeveel je kan interpoleren, is afhankelijk van de capaciteit van je besturing: de ingangsfrequentie moet de pulstrein wel kunnen verwerken. Zorg ervoor dat de ingangsfrequentie van de besturing hoger is dan de uitgangsfrequentie van de encoder.
Zo voorkom je een vervuilde encoder
Omdat optische systemen werken met licht, zijn stof en vuil funest voor de meetresultaten. Om vervuiling te beperken, kan je hier bij de integratie van de encoder rekening mee houden.
De Account Manager licht toe: “In het ontwerp zijn er mogelijkheden die ervoor zorgen dat het systeem minder snel vuil wordt. Zo kan je het ondersteboven monteren of onder een kapje plaatsen. Denk ook aan vingerafdrukken. In bepaalde posities zal de liniaal sneller in contact komen met vingers. Bovendien zijn optische systemen geschikt om te reinigen. Het is ook raadzaam om hier in het ontwerp ruimte voor vrij te houden.”
Hoe selecteer je de juiste optical encoder?
Onder de optical systemen, zijn er uiteenlopende varianten verkrijgbaar. Om de juiste optical encoder te selecteren, is het belangrijk om te weten welke eisen en omgevingsfactoren van belang zijn. Hierbij is het belangrijk om specifiek te zijn.
Als je bijvoorbeeld weet dat een lage resolutie voor jouw applicatie belangrijk is, wil je ook weten hoe nauwkeurig jouw systeem precies moet zijn. Én of de besturing van jouw systeem dat aan kan.
Breng samen met onze sensorexpert in kaart welke specificaties écht nodig zijn voor jouw toepassing.
