Оптические энкодеры

Размещено на http://www.allbest.ru

Оптрон (оптопара) -- электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно -- светодиод, в ранних изделиях -- миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Оптические энкодеры

Оптические энкодеры имеют жёстко закреплённый соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, а электроника преобразовывает её в последовательность дискретных электрических импульсов. Абсолютные оптические энкодеры -- это датчики угла поворота, где каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Датчик угла или преобразователь угол-код, также называемый энкодер -- устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Широко применяются в промышленности.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения. Энкодеры могут быть как оптические, резисторные, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Преобразователи угол-код практически полностью вытеснили применение сельсинов.

В оптроне входная и выходная цепи гальванически развязаны между собой; взаимодействие цепей ограничено паразитными ёмкостями между выводами оптрона. Тепловым воздействием излучателя на фотоприёмник на практике можно пренебречь.

Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора; для распространённых отечественных DIP-корпусов предельное напряжение между цепями нормируется на 500 или 1000 В, при этом сопротивление изоляции нормируется на уровне 1011 Ом. Реальное напряжение электрического пробоя такого прибора -- порядка нескольких киловольт.

Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена -- оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц. Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы--сотни кГц). Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами низких частот с граничной полосой порядка единиц Гц.

Оптические энкодеры имеют жёстко и закреплённый соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, а электроника преобразовывает её в последовательность дискретных электрических импульсов. Абсолютные оптические энкодеры -- это датчики угла поворота, где каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Механические и оптические энкодеры с последовательным выходом

Содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесёнными выпуклыми, проводящими или непрозрачными участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической схемы и линейкой оптронов в случае оптической. Выходные сигналы представляют собой код Грея, позволяющий избавиться от неоднозначности интерпретации сигнала.

Крепление

Представленные датчики соединяются с вращающимся объектом посредством нормального или полого вала, последний может быть как сквозным, так и несквозным (тупиковым). Вал вращающегося объекта и вал энкодера соединяют механически при помощи гибкой или жёсткой соединительной муфты. В качестве альтернативы энкодер монтируют непосредственно на вал объекта, если энкодер имеет полый вал. В первом случае вероятная несоосность и допустимые биения компенсируются деформацией гибкой втулки. Во втором возможна фиксация энкодера посредством штифта.

Когда оправдано применение абсолютного энкодера

В машино- и станкостроении для осуществления правильного позиционирования систем контроля за передвижением постоянно требуются самые последние и точные позиционные данные. Благодаря своей способности в любой момент осуществлять присвоение точных и однозначных позиционных значений какой-либо угловой позиции или позиции перемещения датчики угла поворота стали одним из самых важных соединительных звеньев между механической частью машины и ее блоком управления. Первый абсолютный датчик, принцип работы которого основывался на оптоэлектронном считывании закодированных растров, был разработан немецкой компанией FRABA в 1973 году.. В то время как инкрементальные датчики определяют положение только относительно номинальной позиции, в абсолютных датчиках позиция углового положения закодирована в виде штрихового кода и не теряется при падении или исчезновении напряжения. Если в обесточенном состоянии вал энкодера был провернут на определенный угол или какое-то количество оборотов, то при появлении напряжения энкодер сразу выдаст новое, фактическое угловое положение вала и фактический номер оборота. Благодаря этому не требуется после каждого включения системы производить движение механических частей машины на стартовую позицию, что является неоспоримым преимуществом абсолютных энкодеров перед инкрементными (импульсными).

Принцип абсолютного измерения лежит в бесконтактном оптоэлектронном считывании информации, а также в полностью цифровой технологии учета и обработки данных измерения.

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен,т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

Рис. 1. Кодовый диск абсолютного энкодера

Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

Однооборотный энкодер

Однооборотными ( Single - Turn ) датчиками называются датчики, которые выдают абсолютное значения в пределах одного оборота, т.е. в радиусе 360°. После одного оборота код является полностью пройденым и начинается опять с его начального значения. Эти датчики служат, преимущественно, для измерения угла поворота и применяются, например, в антенных системах, эксцентричных коленчатых прессах и т.д.

Рис. 1. Устройство однооборотного энкодера

энкодер оптический датчик

Полиграфические машины, промышленные роботы, системы наведения телескопов и антенн, прецизионная медицинская техника не смогли бы достигнуть такого качества, если бы в их управляющих системах не работали оптоэлектронные энкодеры Александр Карман, Алексей Келин, Алексей Кожемяка.

Для определения линейных и угловых перемещений в системах автоматического управления различного назначения широко используются два типа оптических кодирующих устройств: шифраторы приращений (инкрементальные энкодеры) и программируемые шифраторы (абсолютные энкодеры). Для инкрементального энкодера необходим счетчик импульсов, обеспечивающий измерение относительного значения угла от точки отсчета. А поскольку счетчики импульсов обычно не сохраняют информацию при отключении питания, то и датчик теряет измеренное значение угла поворота.

Угол на просвет

Принцип действия оптических датчиков основан на идентификации угловой позиции вала путем оптоэлектронного считывания штрихового кода с градуированного диска, жестко закрепленного на валу датчика. В абсолютном энкодере на диске выполнены концентрические дорожки. Каждая дорожка соответствует определенной цифровой битовой комбинации, и на ней формируется уникальный код для конкретной позиции вала.

Вал с закрепленным на нем диском смонтирован на двух прецизионных подшипниках. Для создания светового излучения служат инфракрасные светодиоды, лучи которых проходят через диск и попадают на фототранзисторную матрицу. Темные участки трасс на диске (концентрические дорожки) предотвращают попадание света на те или иные фрагменты матрицы. При этом на засвеченных и затемненных участках матрицы генерируются электрические сигналы, которые формируются операционными усилителями и выходными преобразователями для выдачи в виде многоразрядного цифрового сигнала.

Кольцеобразно повторяющийся штриховой код считывается оптоэлектронной системой, и с помощью микроконтроллера декодируется абсолютная позиция. В памяти EEPROM постоянно заложены все необходимые параметры -- разрешение, нулевая точка, направление вращения и режим работы, причем они сохраняются в памяти при отключенном питании.

Модели и модификации

Этот принцип измерения реализован в абсолютных энкодерах компании Megatron (www.megatron.de):

· М600 -- программируемый оптоэлектронный датчик абсолютных угловых величин, разрешение 2--16 бит, SEI-интерфейс.

· MH600 -- версия прибора М600 с полым валом (отверстие для вала диаметром от 2 до 9,25 мм).

· М600 + SPTS -- гибридная версия базового датчика. Благодаря сопряжению М600 с инкрементальным датчиком типа SPTS (разрешение -- до 1024 импульсов/3600) удачно комбинируются преимущества обоих типов датчиков, то есть обеспечивается возможность неограниченного выполнения как статических, так и динамических измерений.

· MI600 -- инклинометрическая версия для определения угла отклонения объекта от гравитационных нормалей. Максимальное время нарастания или затухания колебаний -- 0,2 с. Габариты МI600 такие же, как у базовой версии М600 (без выступающего наружу вала).

· M409 -- малогабаритный оптоэлектронный абсолютный энкодер с разрешением 9 бит.

· MAB25 -- бесконтактный абсолютный энкодер, работающий на эффекте Холла (разрешение 10 бит).

· MABS25 -- модификация энкодера МАВ25 в алюминиевом корпусе.

Абсолютные энкодеры

Правила сопряжения

Правильный монтаж датчика является одним из главных условий обеспечения эффективности его применения. Если диаметр вала энкодера не соответствует оси вращения вала, то в этом случае будет уместным применение гибких соединительных муфт компании Megatron: MLK-A -- алюминиевая муфта, MLK-P -- пластмассовая, М491 -- стальная, М420 -- бронзовая. Для энкодера серии МН600 (с пустотелым валом) могут быть применены соединительные ролики, шкивы и штифтовое соединение.

Не каждому дано иметь свой личный интерфейс

Важным достоинством энкодеров Megatron серии М600 является возможность обеспечения комплексного мониторинга объекта, которая достигается созданием локальной сети датчиков.

Программная поддержка

SEI Explorer -- пакет программ, который работает в ОС Windows 98/МЕ/NT/2000/ХР. ПО воспроизводит полное графическое отображение устройств шины SEI, с помощью которого может быть произведено программирование любых разрешений в диапазоне от 2 до 16 бит. Программа также проводит диагностику (состояние, адреса, номера серий и версии датчиков). При запуске она автоматически опрашивает шину SEI и компилирует список устройств, которые подключены к шине. Если некоторые из этих устройств конфликтуют, то SEI Explorer автоматически назначает новые адреса этим устройствам.

Каждое устройство, подключенное к шине, SEI Explorer отображает на экране в отдельном окне. Это позволяет пользователю легко взаимодействовать с каждым из устройств. Информация о состоянии датчиков автоматически обновляется несколько раз в секунду и отображается графически. Данные, которые используются редко, пользователь может вручную запросить от устройства -- и требуемая информация появится на экране в виде выпадающего меню. Также может быть активирована функция, при которой данные, опрашиваемые с датчиков (положение и время) сведены в текстовый файл.

Комплекс датчиков абсолютных величин М600, объединенных в локальную сеть на основе SEI-интерфейса, работающий под управлением программной оболочки SEI Explorer, представляет собой технически и экономически целесообразное решение для широкого круга задач, связанных с определением величин угловых и линейных перемещений. Комплекс допускает целенаправленную коммуникацию систем, состоящих из нескольких приложений, и сведение управления этих систем к одному источнику.

Основным преимуществом такого решения является возможность программирования разрешающей способности датчиков в диапазоне 2--16 бит, а также высокое качество и надежность компонентов системы при сравнительно низкой стоимости.

Кто следующий?

Поскольку абсолютные оптические энкодеры обладают высоким разрешением (до 18 угловых секунд), они с успехом используются в самых различных приложениях, где требуются прецизионные измерения угловых перемещений. Перечень таких применений, приведенный в начале статьи, безусловно, не отражает всего многообразия техники, где работают энкодеры. А может быть, он дополнится и вашим оборудованием, если в нем требуется выполнять точные измерения углов поворота?

Размещено на Allbest.ru