Was ist ein optischer Encoder?
Ein optischer Encoder ist eine Art von Encoder, der einen optischen Sensor als Erfassungsmethode für physikalische Größen verwendet.
Der Encoder ist ein Positionssensor, der physikalische Größen wie den Weg der Linearachse oder den Drehwinkel erfasst und die Positionsinformationen als elektrisches Signal ausgibt. Bei optischen Drehgebern wird eine Scheibe mit einem Schlitz, das so genannte Kodierrad, gedreht und das durch den Schlitz hindurchtretende oder vom Schlitz reflektierte Licht wird von einem optischen Sensor erfasst.
Es gibt zwei Arten von Encodern : lineare Encoder, die lineare Bewegungen erfassen, und Encoder, die Rotationsbewegungen messen. Encoder werden bei weitem am häufigsten verwendet, da sie mit Motoren kombiniert werden können und ein breites Anwendungsspektrum haben.
Anwendungen für optische Encoder
Encoder werden unter anderem im Bereich der Industrieausrüstung eingesetzt. Optische Encoder zeichnen sich insbesondere durch hohe Genauigkeit, hohe Auflösung und relativ hohe Geschwindigkeit aus. Sie werden daher in Anwendungen wie der Servosteuerung, der Steuerung von Aufzugsmotoren, Hohlmotoren mit durchgehender Achse und Motoren, die sich mit hohen Geschwindigkeiten drehen, eingesetzt, wo die Signalgenauigkeit in Industrieanlagen erforderlich ist.
Sie können auch in Umgebungen eingesetzt werden, in denen starke Magnetfelder erzeugt werden, ohne durch das umgebende Magnetfeld beeinträchtigt zu werden, was sie für die Steuerung von Antrieben und die Positionierung von MRT-Geräten (Kernspintomographie) und Linearmotoren nützlich macht.
Aufbau von optischen Encodern
Optische Encoder bestehen aus einem lichtemittierenden Element, z. B. einer LED, einem lichtempfangenden Element, z. B. einer Fotodiode oder einem Fototransistor, einer Linse und einer Scheibe mit einem Schlitz, dem so genannten Coderad.
1. Licht emittierendes Element (LED)
Als lichtemittierendes Element wird in optischen Encodern in der Regel eine Infrarot-LED verwendet. Manchmal werden farbige LEDs mit kürzeren Wellenlängen verwendet, um die Lichtstreuung zu verringern. Bei Anwendungen, die eine hohe Leistung und Auflösung erfordern, werden teure Laserdioden eingesetzt.
2. Linsen
Das von lichtemittierenden Elementen ausgestrahlte Licht ist ein diffuses Licht mit geringer Richtwirkung. Eine konvexe Linse wird verwendet, um das Licht parallel zu machen.
3. Kordelräder
Ein Kordelrad ist eine Scheibe mit Löchern, durch die das Licht hindurchtreten oder blockiert werden kann. Zu den Materialien gehören Metall, Kunststoff und Glas. Metallscheiben sind widerstandsfähiger gegen Vibrationen, Temperatur und Feuchtigkeit und können daher in industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
Kunststoff ist billiger, eignet sich für die Massenproduktion und wird in Verbraucheranwendungen eingesetzt. Glas wird verwendet, wenn hohe Präzision und Auflösung erforderlich sind.
4. Fotodetektoren
Als Lichtempfangselemente werden in der Regel Fotodioden und Fototransistoren aus Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium und Indium-Gallium-Phosphat verwendet.
Arten von optischen Encodern
Es gibt zwei Arten von optischen Encodern: transmissive und reflektive.
1. Transmissiver Typ
Beim transmissiven Typ sind ein lichtemittierendes Element und ein lichtempfangendes Element auf gegenüberliegenden Seiten des Kodierrads angeordnet und das vom lichtemittierenden Element emittierte Licht wird erfasst, wenn es den Schlitz im Kodierrad durchdringt oder von ihm blockiert wird.
2. Reflektierender Typ
Beim reflektierenden Typ sind das lichtemittierende Element und das lichtempfangende Element auf der gleichen Oberfläche angeordnet und das vom Reflektor auf dem Kodierrad reflektierte/nicht reflektierte Licht wird erfasst.
Funktionsweise von optischen Encodern
Bei optischen Encodern wird das Licht, das das Kodierrad durchläuft oder von diesem reflektiert wird, vom Lichtempfangselement empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Jeder Schlitz im Kodierrad bewirkt ein Ein- und Ausschalten des Lichts, das vom Lichtempfangselement empfangen wird, das ein Impulssignal ausgibt. Da die Schlitze in gleichen Abständen angeordnet sind, kann die Drehzahl durch Zählen der Impulse ermittelt werden.
Optische Encoder verwenden in der Regel zwei Impulssignale, die um einen Viertelzyklus phasenverschoben sind, um die Drehrichtung zu erkennen.
Auswahl eines optischen Encoders
Die Signalgenauigkeit von optischen Encodern ist hoch, da die physikalischen Abmessungen der reflektierenden Teile und der Schlitze fest sind. Um die Auflösung zu erhöhen, gibt es jedoch eine physikalische Grenze für die Spaltbildung, was die Konstruktion komplexer optischer Systeme und Mechanismen erforderlich macht, die dadurch größer und teurer werden.
Sie sind anfällig für Verunreinigungen durch Staub und Öl, die das Licht blockieren. Ein niedriger Stromverbrauch ist schwer zu erreichen, da Strom durch das lichtemittierende Element fließen muss, um die Signalausgabe zu stabilisieren.