Инкрементальный датчик что это

Принцип работы инкрементального энкодера

Содержание:

Инкрементальные энкодеры, в отличие от абсолютных, выдают информацию о положении относительно положения в предыдущий момент времени. После включения питания вся информация о предыдущих перемещениях пропадает и положение вала становится неопределённым. Как правило в таком случае механизм приходится перемещать в некоторое известное положение для того чтобы информация о положении снова стала актуальной.

Применяемые технологии

Работа современных энкодеров базируется на использовании определенных физических принципов, основными из которых являются магнитный, ёмкостной и оптический. Для определения положения объекта ёмкостной принцип предполагает использование изменений электрического поля, магнитный – изменений магнитного поля, оптический – изменений пучков света.

Оптические

Оптические датчики угла поворота используют изменения световых пучков, происходящие во время кругового движения кодового диска, с которым взаимодействуют пучки света. Работа оптических энкодеров основана на двух схемах: пропускательной и отражательной.

В случае пропускательной схемы световые пучки попадают на фотоприемники после прохождения через узкие отверстия в кодовом диске.

При отражательной схеме на кодовом диске происходит чередование зеркальных и рассеивающих участков. Отражающийся от зеркальных участков свет, попадает в приёмник оптического излучения.

Кодовый диск инкрементного энкодера (слева) и абсолютного энкодера (справа)

Магнитные

Магнитные энкодеры для работы используют изменения магнитного поля, которые происходят во время кругового движения кодового диска. В зависимости от способа измерения изменений, магнитные датчики углов поворота делятся на следующие виды:

Ёмкостные

Принцип действия базируется на оценке изменений электрического поля, которые происходят при круговом движении кодового диска специальной конфигурации. Изменения емкости конденсатора, образованные вращающимся кодовым диском и обкладками на неподвижной части энкодера, является основанием для оценки электрического поля.

Выходной сигнал

В ряде случаев энкодер оснащается третьим каналом – индексным (обозначают I или Z). Импульс на нём появляется один раз за полный оборот энкодера. Этот импульс позволяет контролировать показания с каналов A и B, а также облегчает привязку показаний инкрементального энкодера к реальному положению механизма.

Основные параметры

Разрешение

Разрешение инкрементального энкодера определяет какое минимальное перемещение вала датчика приводит к изменению сигнала на выходе датчика. У всех инкрементальных энкодеров разрешение приводится в полных циклах на один оборот. Под одним полным циклом подразумевается полный цикл измерения сигналов на двух основных каналах энкодера (A и B). При обработке сигнала инкрементального энкодера часто пользуются подсчётом импульсов «с учетверением». В этом случае подсчитывается каждый фронт (передний и задний) по обоим основным каналам энкодера A и B. Легко видеть что за время полного цикла таких фронтов будет 4 – 2 по каналу A и 2 по каналу B. Таким образом при такой обработке количество отсчётов на один оборот энкодера будет в 4 раза больше чем разрешение указанное в полных циклах.

Интерфейс

Все инкрементальные энкодеры имеют интерфейс в виде двух импульсных сигналов, а некоторые имеют и дополнительный индексный канал. Отличия могут заключаться в напряжении импульсных сигналов и в наличии дифференциального выхода (драйвера линии).

Импульсный сигнал формируемый на выходе инкрементального энкодера принимает 2 значения – максимальное и минимальное. Минимальное значение в большинстве случаев соответствует нулю. Максимальное значение может быть или фиксированным (напр. 3,3 В, 5 В) так и зависеть от напряжения питания поданного на энкодер (например на 1В или на 2 В меньше напряжения питания).

По способу формирования выходного сигнала можно выделить энкодеры:

В случае несимметричного выхода сигналы всех трёх импульсных каналов формируются относительно общей точки источника питания (0 источника питания). Такой сигнал достаточно прост при использовании и экономичен с точки зрения числа подключаемых проводов, однако уязвим для электромагнитных помех в случае передачи по проводам значительной длины. Сигнал энкодеров с дифференциальным выходом лишён этого недостатка. Для каждого канала при помощи специального формирователя вместо одного сигнала формируется пара сигналов – нормальный и логически инверсный, а соответствующий приёмник принимает сигнал по разности этой пары сигналов. Это позволяет устойчиво передавать сигнал по длинным проводам (десятки и сотни метров) даже при наличии помех.

Скорость вращения

Важным параметром о котором не следует забывать является максимальная скорость вращения при которой происходит корректная выдача выходного сигнала. Именно от него зависит можно ли будет установить инкрементальный энкодер на валу скоростных бесколлекторных двигателей или же его можно будет использовать только на выходе мотор-редукторов и сравнительно медленных моментных двигателей.

Когда применяют инкрементальные энкодеры

Вопрос о том какие энкодеры предпочтительней применить в той или иной системе неразрывно связан с требованиями, предъявляемыми к ней. Если сразу после подачи питания на систему датчик должен выдавать правильное положение, то тогда лучше применить абсолютный энкодер. А если после старта допускается период подготовки системы к работе когда можно провести вывод механизма в нулевое положение, то тогда можно применять инкрементальный энкодер.

Инкрементные энкодеры имеют более простую конструкцию, поэтому среди них можно найти модели очень компактных размеров, недостижимых для абсолютных датчиков. Этим определяется применение инкрементных энкодеров в малогабаритных системах.

Если энкодер используется только для определения скорости вращения механизма, то для выполнения этой функции достаточно инкрементного энкодера.

Области применения

Инкрементальные энкодеры являются одним из самых распространённых датчиков в современных сложных технических системах. Вот лишь некоторые примеры:

Источник

Инкрементальный или абсолютный датчик положения?

Даррен Крейт (Darran Kreit), Zettlex, для Automation.com

Большинство инженеров при решении задач определения положения по-прежнему используют инкрементальные датчики положения. Отчасти это происходит из-за преобладающего убеждения в том, что абсолютные датчики положения слишком сложны и дорогостоящи. В данной статье описываются оба подхода и относительные преимущества каждого из них.

Понимание разницы между инкрементальными и абсолютными техниками измерения, порой, оказывается нетривиальной задачей. Помимо необходимости разбираться в терминологии, связанной с определением положения, инженерам приходится иметь дело с порой противоречивыми заявлениями от производителей, которые, нет-нет, да и заявят, что тот или иной продукт является абсолютным датчиком положения – хотя, на самом деле, он инкрементальный.

В этой статье мы используем термин «датчик» как собирательный для энкодеров, преобразователей и детекторов.

Определения: инкрементальный и абсолютный

Основной особенностью инкрементального датчика положения является то, что он сообщает о величине изменения положения. Другими словами, после того, как на датчик подается питание, он не сможет сообщить о положении до тех пор, пока ему не дадут точку отсчета.

Некоторые производители датчиков заявляют об «абсолютном» функционале своих продуктов, на том основании, что аккумуляторная батарея позволяет хранить информацию о положении, когда питание инкрементального датчика отключается или пропадает. Но, что произойдет, когда батарея будет разряжена?

Другие производители заявляют об «абсолютном» функционале своих инкрементальных датчиков, потому, что им надо совсем немного энергии, для того, чтобы получить точку отсчета. Все равно, это – инкрементальные датчики, хотя их и продают как абсолютные – с соответствующими ценами.

Потенциометры: проблемы износа и надежности

Хотя основанные на потенциометрах датчики положения все еще являются самым обыкновенным их типом, за последние 30 лет значительное распространение получили бесконтактные датчики. Этот тренд порожден проблемами, связанными с износом и надежностью потенциометров – особенно в жестких условиях (прежде всего связанных с вибрацией) или при долгих сроках службы.

Почти все потенциометры являются абсолютными, однако обычной формой бесконтактных датчиков являются оптические энкодеры. Их принцип работы основан на использовании луча света, направленного сквозь или на специальную решетку. Положение вычисляется исходя из интенсивности отраженного или преломленного света. Большинство оптических устройств являются инкрементальными. Положение определяется с помощью серии так называемых А/В импульсов. Также есть канал Z, дающий один импульс на оборот, в качестве референса.

Абсолютные оптические устройства схожи, но используют другой тип шкалы, где абсолютная позиция определяется при подключении питания – без необходимости в точке отсчета. Как правило, у этих датчиков цифровой выход, и разрешение определяется количеством битов в выходном сигнале. 10-битные устройства могут предоставить 1024 отсчета, 11-битные – 2048 отсчетов и т.д.

Сейчас продается в три раза больше инкрементальных датчиков, чем абсолютных. Основная причина – инкрементальные датчики, как правило, дешевле абсолютных, при сравнимых характеристиках.

Однако, сегодня абсолютные датчики не так дороги, как многие продолжают считать. Переход к (бесконтактным) абсолютным изменениям положения может существенно улучшить производительность, повысить точность и снизить общие расходы. Это связано с тем, что с инкрементальными датчиками связан ряд технических проблем.

Самая очевидная заключается в том, что каждый раз при отключении питания понадобится калибровка – это замедляет производственные процессы, а также может иметь последствия, связанные с безопасностью, если питание пропало неожиданно.

Во-вторых, положение определяется с помощью точки отсчета. В некоторых случаях особенно при изменении напряжения или быстрых изменениях положения – могут произойти нарушения в процессе отсчета. Это может иметь разрушительное воздействие на производственный процесс, причем, это будет обнаружено не сразу (например, рассинхронизация производственных операций). Большинство инкрементальных датчиков являются оптическими, и для получения данных с большим разрешением, характеристики оптических элементов, прежде всего, решетки, должны быть очень высоки: ее период должен измеряться буквально в пределах микронов. Хотя это повышает чувствительность, однако, означает и повышенную уязвимость к внешним факторам – влага, жир, грязь могут остановить работу, или, что хуже, сделать показания неверными.

Разница в цене между абсолютными и инкрементальными датчиками сокращается, частично из-за постепенного распространения абсолютных датчиков, и, главное – из-за внедрения новых технологий для абсолютных датчиков. Конечно, оптические датчики по-прежнему остаются «устройствами выбора» для большинства инженеров, однако индукционные устройства нового поколения позволяют создавать точные абсолютные датчики положения, устойчивые к жестким условиям внешней среды.

Вместо решетки и оптического сенсора, в этих индуктивных датчиках положения используются плоские, печатные катушки индуктивности, чьи основные принципы функционирования напоминают таковые, к примеру, у датчиков угла поворота. С помощью этих катушек можно создавать компактные, легкие, абсолютные датчики с высоким разрешением, не зависящие от сложных оптических устройств. Эти датчики действительно абсолютные, и обладают большими преимуществами по сравнению с оптическими. Во-первых, на них не воздействуют загрязнения или влага. Во-вторых, на их измерительные способности, как правило, не влияют смещения или недостаточно точный монтаж. А это означает, что этим датчикам не нужно сверхточное крепление, и их очень просто крепить к частям механизмов. Это радикально упрощает автоматизацию, уменьшает размеры и вес конструкции. В общем и целом, индуктивные абсолютные датчики положения позволяют решать задачи определения положения с расходами, сравнимыми с традиционными инкрементальными датчиками.

Источник

Энкодеры

Датчики углового и линейного перемещения, датчики наклона

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальный энкодер (Incremental Encoder) регистрирует относительное перемещение (приращение). Разрешение (Resolution) углового энкодера определяется количеством импульсов на один оборот (на рисунке изображён оптический дик с разрешением 8 имп/об).

Частота импульсов на выходе энкодера пропорциональна скорости вращения.

Система управления должна подсчитывать импульсы, чтобы вычислить угол поворота энкодера относительно точки отсчёта.

В системах, работающих с абсолютными координатами (станок с ЧПУ), перед началом работы (после включения питания) необходимо выставить ноль – вывести рабочий орган машины в опорную (реперную) точку и в ней обнулить счётчик импульсов.

Синусно-косинусные инкрементальные датчики положения sin/cos 1-Vss и 1-Vpp

Датчики с интерфейсом 1-Vpp используются в сервосистемах, т.к. как позволяют получать очень высокое разрешение. Так, например, если датчик выдаёт 2048 периодов синусоиды (импульсов) на оборот, а система управления в каждой такой синусоиде различает 2048 дискретных уровней, то общее разрешение датчика составит 2048 х 2048 = 4194304 импульсов на оборот.

Инкрементальные датчики с интерфейсом TTL или HTL

Абсолютные энкодеры

Разрешение абсолютного энкодера (Absolute Encoder) определяется количеством уникальных кодов на один оборот. Однооборотные (Single-turn) абсолютные энкодеры определяют положение в пределах одного оборота, многооборотные (Multi-turn) – в пределах определённого числа оборотов.

Абсолютные датчики положения не требуют для начала работы выхода в опорную точку – при включении питания датчик сразу определяет координату, сканируя кодовые дорожки.

Резольверы

Резольвер (Resolver) – это аналоговый электромагнитный абсолютный однооборотный датчик, работающий по принципу вращающегося электрического трансформатора.

Резольверы отличаются высокой надёжностью (они не бьются и не запотевают, как оптические) и точностью (аналоговые, а не дискретные).

Код Грея

Код Грея (Gray Code) – это двоичный код, в котором два соседних значения отличаются только одним разрядом.

Формула побитного преобразования двоичного кода в код Грея

G_i = B_i⊕B_i+1,
биты нумеруются справа налево, ⊕ – исключающее ИЛИ (если биты равны, то результат равен 0; если биты не равны, то результат равен 1).

Код Грея используется для кодирования положений в абсолютных датчиках, так как обладает большей помехозащищённостью, чем обычное двоичное кодирование (Natural Binary).

На рисунке изображён оптический диск с 3-х разрядным (8 положений) кодом Грея.

Тахогенераторы

Тахогенераторы предназначены для определения скорости и направления вращения. Напряжение на выходе тахогенератора пропорционально скорости вращения вала.

Как выбрать

Датчики линейного и кругового перемещения

Датчики угла наклона (инклинометры)

Источник

Инкрементальный энкодер: что это такое, принцип работы, виды, для чего используется

Энкодер можно отнести к достаточно новым техническим устройствам, которые были бы невозможны без появления робототехнической области науки. Данная разновидность устройств необходима в целях изменения и контроля углов поворотов валов на электродвигателях. Они также используются с целью изменения движения в тех или иных элементах роботов.

Разновидности

Абсолютная модель выдает уникальные цифровые коды относительно отдельно взятого расположения вала, потому становится возможным определять углы поворота даже после того, как было отключено электропитание.

Энкодеры инкрементального вида выдают импульсный цифровой код для каждого отдельно взятого положения вала электромотора. Такие устройства позволяют определять, с какой скоростью вращается вал во время отключения электропитания в том случае, когда нет необходимости сохранять информацию об абсолютном угловом положении.

Иначе говоря, в то время, когда вал не движется, импульс не поступает. Следовательно, когда он снова приходит в движение, датчики будут вести отсчеты его угловых параметров с исходной позиции.

Инкрементальный энкодер

Импульсные (они же пошаговые) энкодеры относят к той разновидности энкодирующих устройств, что предназначены с целью указания направлений углового перемещения всевозможных внешних механизмов. Пошаговые энкодеры формируют импульсы, число которых соответствует числу поворота вала на определенные углы. Они связаны со счетными приборами – это требуется для того, чтобы можно было считать импульсы и преобразовывать их в измерения перемещения вала.

Конструктивные особенности

Конструктивной особенностью данной разновидности можно считать наличие следующих элементов:

Метки, нанесенные на диск, распределяются определенным образом – их число будет определяться числом импульсов, осуществленных в рамках одного оборота. К примеру, если диск разделяется на 1000 меток, то в продолжение 250 импульсов вал будет повернут под прямым углом.

Применяемые технологии – магнитная и оптическая

Сегодня энкодеры работают, как правило, на основании двух технологий – оптической и магнитной.

Так, в приспособлениях оптического типа в качестве первичных датчиков сигналов выступают оптические диски, описанные выше. Число зачерненных и прозрачных отметок, расположенных на диске, будет определять и степень разрешения.

Но в последнее время популярность начинают приобретать энкодеры магнитного типа. В них сигналы положения вала двигателя формируются специальным датчиком. При этом открываются новые технологические возможности, к примеру, программируемое число импульсов за один оборот.

Квадратура выхода

В качестве так называемой квадратуры выхода в данном виде энкодирующих устройств применяется пара выходных каналов. Они позволяют определять, в каком именно направлении происходит вращение вала.

При этом энкодеры, оборудованные всего одним выходом (на схеме обозначается литерой А), носят название тахометров.

Максимальная частота ответа

В качестве максимальной частоты ответа выступают частоты, при которых работающий энкодер дает электрические ответы. Максимальные частоты определяют число импульсов на выходе, на которые он отзывается в течение одной секунды.

Таким образом, пошаговые энкодеры должны удовлетворять следующему отношению:

(rpm / 60)x(разрешение) меньше или равно максимальной частоте ответа.

Разрешение

Под разрешением подразумевают число выходных импульсов при каждом вращении вала.

Соединительный вал

Чтобы вал датчика был соединен механическим способом, нужно применять специальные гибкие соединители – эластичные муфты. Они предназначены для того, чтобы компенсировать возможное биение вала в любых направлениях.

Благодаря этому, снижается степень преждевременного выхода из строя валового механизма датчика. Даже минимальные люфты могут вывести энкодер из строя.

Виды пошаговых энкодеров и их особенности

Кроме предложенной выше классификации, инкрементальные энкодирующие устройства можно поделить согласно типу информации для считывания.

Одиночные нужны для простого подсчета числа импульсов.

Квадратурные, они же двойные, энкодеры позволяют считывать не только число поступаемых импульсов, но и направление движения.

Энкодирующие устройства, построенные на двоичном коде, позволяют определять точное положение устройства в тот или иной момент.

Энкодирующие устройства, основанные на так называемом коде Грэя, дают возможность определять положение в данный момент.

Некоторые особенности подключения

При подключении и отладке энкодеров необходимо строго придерживаться рекомендаций, данных производителем.

Для начала нужно собрать исходную схему, согласно инструкции от производителя, и подключиться к выводам А и В с помощью осциллографа. Далее необходимо подкрутить подключаемый энкодер сначала по часовой стрелке, а затем – в противоположном направлении. При изменении направления вращения будет изменяться и последовательность замыкания контактных пластин.

Поскольку в энкодерах работают контакты механического типа, то всегда есть риск возникновения так называемого дребезга. Это приводит к тому, что контакт может замыкаться и размыкаться самопроизвольно – из-за естественной упругости материала.

Чтобы избежать дребезга, можно пойти двумя путями. Например, добавить еще несколько конденсаторных или резисторных элементов. Дребезги в этом случае можно довольно легко погасить. При этом осциллограф покажет крутые фронты и отсутствие дребезга.

А вот второй метод является программным. Это потребует от исполнителя знаний программирования. Зато можно будет отслеживать состояние энкодирующего устройства при помощи внешнего прерывания. В этом случае необходимо организовать задержки в течение 2-3 десятков миллисекунд после каждого срабатывания прерывания. В это время энкодер перестанет фиксировать изменения состояний вывода, следовательно, перестанет быть чувствительным к дребезгам.

Используется несколько методов обработки данных, поступающих с прибора. Например, одна из его ножек подключается к выходу для внешнего прерывания и настраивается на прерывание по спадающим фронтам. При этом проверяется положение второй ножки. В том случае, если на ней фиксируется нулевое состояние, движение вала осуществляется в одном направлении. При этом светодиоды загораются или гаснут в зависимости от направления вращения.

Согласно второму методу, нужно сравнить настоящее положение с предыдущим. Например, предыдущее состояние энкодера равнялось трем. Если последующее положение равняется одному, то вращение осуществляется в одном направлении. Если же оно равно двум, соответственно, в другом. Таким образом, можно будет осуществлять фиксацию перехода из одного положения устройства в другое, и устанавливать направление движения вращения.

Крепление устройства с вращающимися объектами осуществляется через нормальные или полые валы. При этом полый вал может быть выполнен как в сквозном, так и в несквозном варианте. Здесь все зависит от конкретных конструктивных особенностей устройства и преследуемых целей.

Валы энкодера и вращающихся объектов соединяются также с помощью гибких или жестких соединительных муфт. Как альтернативный вариант крепления, нередко используют монтаж прямо на вал самого объекта. Это возможно, если аппарат оснащен полым валом. Чтобы не допустить возможного возникновения несоосности и биений, можно зафиксировать его через штифты. Если же речь идет о неполом вале, то биение может быть скомпенсировано через гибкую деформацию втулки.

Чем привлекательны данные виды энкодеров

Энкодирующие устройства неспроста получили столь обширное распространение при конструировании большого спектра устройств. Они довольно дешевы и просты в монтаже.

Чтобы выбрать верный вариант для успешного внедрения в те или иные управленческие схемы, потребуется определиться:

Где применяются инкрементальные энкодеры

Устройства предлагаются в разных моделях и вариантах исполнения. Следует внимательно подходить к выбору энкодеров. К примеру, если он работает на благо пищепрома, то следует использовать только те разновидности, которые соответствуют нормам гигиены. Как правило, они выполнены из нержавеющих материалов.

В области печатного и текстильного производства датчики обычно дополняют аппаратами для обрабатывания данных.

Инкрементные энкодеры устанавливаются на транспортерах, предназначенных для перемещения древесных заготовок.

Если требуется использовать энкодер при металлообработке, то прибор следует оснастить специализированной защитой от вибрационных воздействий, а также от повышенных температур и попадания внутрь механизма частичек влаги и пыли. На электрические моторы устанавливаются особые виды энкодеров, способных замерять скорости оборотов шпинделя, положение оси и ее продвижение.

Если речь идет о системе автоматизации на производствах, то используются мини-энкодеры диаметром не более 2,5 см и имеющие различные диапазоны напряжений на выходах.

Лифтовые устройства работают на приспособлениях диаметром 4,4 см. Часто их монтируют прямо на лебедках для того, чтобы снизить воздействие на них механического характера.

В медицинском оборудовании датчики-энкодеры применяются в ЭМРТ. Они предназначены для исключения воздействия магнитного поля. Корпус в этом случае изготавливают из непроводящего материала.

В телекоммуникационной сфере энкодеры используются для определения расположения и направленности антенны. Иногда нужно применять датчики для работы в жестких условиях.

Находят свое применение энкодирующие аппараты и в области альтернативной энергетики. К примеру, они устанавливаются на программируемых датчиках, используемых в солнечной ферме. Датчики изготавливаются из специализированных материалов, которые надежно защищены от попадания влаги и ультрафиолета.

Крайне распространены сегодня электромеханические энкодеры, преобразующие вращательные движения в аналоговые или цифровые форматы распространения информации. Они довольно схожи с потенциометрами, однако могут постоянно осуществлять вращение как в направлении часовой стрелки, так и в обратную сторону.

Поворотные энкодеры различаются по нескольким типам. Как уже отмечалось, это абсолютные и инкрементальные – они же относительные. Первому типу выдают значения, которые пропорциональны настоящему углу расположения вала. Второй тип выдает как шаг передвижения валов, так и их направленность. Благодаря этому, именно энкодирующее оборудование поворотного типа получает все большее распространение в различных сферах бытовой электротехники. Главным образом, это конструирование всевозможных управляющих ручек. Часто такие устройства могут заменить потенциометр или кнопки для осуществления навигации.

Если необходимо выполнить быструю навигацию и настройку, либо оперативное введение данных и выбора пунктов меню, то энкодеры также придут на помощь.

Определенные модели имеют специальные кнопки, создающие дополнительные входы для процессоров, которые могут применяться как другие пользовательские команды в организации управленческого интерфейса.

— персональную информацию, которую Пользователь сознательно раскрыл Администрации Сайта в целях пользования ресурсами Сайта;
— техническую информацию, автоматически собираемую программным обеспечением Сайта во время его посещения.

Источник