3.2 Емкостные, индуктивные и магнитные инкрементные энкодеры

 

В 40-50х годах прошлого века при линейных измерениях начали применять механические индикаторные головки, пневматические и индуктивные приборы. Это был большой прогресс в технике измерений, но одновременно стала понятна ограниченность их возможностей (их принципа действия) – небольшой диапазон измерений и нелинейность характеристик. Именно нелинейность характеристики затрудняла увеличения диапазона измерений и увеличивала погрешность измерения. Поэтому эти приборы были пригодны только для сравнительных (относительных) измерений с настройкой по образцу или концевой мере длины. Но машиностроение быстро развивалось, и ему были необходимы приборы  для абсолютных измерений в  большем диапазоне.

Стало очевидно, что дальнейшее развитие техники линейных и угловых измерений требует разработки приборов на других физических принципах.

Тогда начали разрабатывать и выпускать так называемые инкрементные преобразователи, называемые энкодерами, которые измеряют небольшие приращения измеряемой координаты при перемещении измерителя (отсюда  их название,  increment – приращение), и суммируют их, получая величину перемещения. Преимущество таких преобразователей принципиальное отсутствие нелинейности характеристики и неограниченные диапазоны измерения.

Энкодеры  начали разрабатывать и выпускать довольно давно, но их качество и точность долго ограничивало отсутствие необходимых технологий и материалов и недостаточно развитая электроника.

Разработке современных энкодеров  способствовали развитие координатных измерений (например, координатно-измерительных машин) и появление  станков с ЧПУ, а также развитие электроники, вычислительной техники и появление  новых технологий. Сейчас, все технологические и конструктивные  препятствия преодолены и выпускают большое количество ИП, построенных на  разных принципах действия. Причем современные ИП имеют очень высокую точность, возможно предельно достижимую и очень большие диапазоны измерений (до нескольких метров).

В настоящее время выпускают и широко применяют в измерительной технике и на станках с ЧПУ несколько  типов линейных и угловых энкодеров:

– оптоэлектронные (фотоэлектрические);

– емкостные;

– индуктивные;

– магнитные.

Сравнительные данные ИП указаны в табл. 3.2.1

Таблица 3.2.1

Технология  Преимущества    Недостатки
Оптоэлектронные точность менее 1,0 мкм большая потребляемая мощность
Магнитные напечатанная шкала недостаточная линейность
Емкостные линейность 0,2% шага Т чувствительность к влажности
Индуктивные линейность 0,2% шага Т влияние емкости

Для точных измерений на КИМ, микроскопах, проекторах и т.п. применяют оптоэлектронные ИП, для ручного электронного инструмента (штангенциркули, микрометры, индикаторы) применяют емкостные и индуктивные энкодеры.

Собственно говоря, именно появление и выпуск надежных линейных и угловых энкодеров способствовал развитию станков с ЧПУ, КИМ и многочисленных приборов для координатных измерений, позволяя обеспечить полную автоматизацию работы станка или прибора.

Емкостные инкрементные  энкодеры впервые были выпущены фирмой Sylvac (Швейцария) в 1983 году. Тогда же фирма выпустила первый электронный штангенциркуль на базе емкостного энкодера. Однако емкостные преобразователи чувствительны к влажности окружающего воздуха. При увеличении влажности у емкостных преобразователей увеличивается нелинейность показаний. Поэтому  в 2003 году фирма Sylvac выпустила индуктивный энкодеры.

Емкостные и индуктивные энкодеры (3.2.1) выгодно отличаются небольшой мощностью, потребляемой для считывания информации со шкалы. Поэтому емкостные и индуктивные энкодеры   наиболее удобны для применения в измерительных системах с жесткими ограничениями на потребляемую мощность. Их широко используют в ручном измерительном инструменте с цифровым отсчетом (штнагенциркули, микрометры, индикаторы и т.п.) с батарейным питанием.

 

         Рис. 3.2.1    Упрощенные схемы емкостного и индуктивного энкодера

Работу  емкостного энкодера можно рассмотреть на примере преобразователя, показанного на рис. 3.2.2.   Хотя на практике применяют и другие конфигурации шкал, работающих на том же принципе.

Энкодер  состоит из гибкой линейки и съемника, выполненных из фольгированного диэлектрического материала. Линейка представляет собой многослойную гибкую  ленту с нанесенным на ней фольгированным слоем. На изнаночной стороне нанесен клей и линейка приклеивается по всей длине, например,  штанги штангенциркуля. На съемнике (например, ползуне штангенциркуля) расположена небольшая считывающая шкала, с   электродами, нанесенными  на фольгированном слое.

емкостнойРис. 3.2.2    Схема емкостного ИП

Энкодер состоит из двух плоских шкал.  На одной шкале 1 (линейке) нанесены одинаковые прямоугольные электроды 2 с постоянным шагом ℓ. На эти электроды от специального генератора подаются периодические напряжения, имеющие одинаковую форму и амплитуду, но сдвинутые по фазе. Указанные электроды являются передающими. Расположенный на той же шкале длинный электрод 3 является приемным.

На другой шкале 5 с постоянным шагом L нанесены электроды связи 4, некоторые из которых перекрывают и передающие и приемный электроды и осуществляют емкостную связь части передающих электродов с приемным. Отношение между шагом передающих электродов и шагом электродов связи  составляет  L/ℓ=m, где   m – целое число и означает число передающих электродов, размещенных на интервале, равном шагу L.

Нормальная работа  емкостного энкодера  обеспечивается m-фазной системой питания передающих электродов для создания периодической пространственной волны. Все напряжения периодические, имеют идентичную форму, одинаковую амплитуду и обеспечивают заданный сдвиг фаз .

Периодические напряжения передающих электродов создают волну, распространяющуюся между двумя пластинами. Часть этой волны попадает на приемный электрод и образует выходной сигнал преобразователя, который  подается на фазочувствительное устройство,  определяющее момент времени t1, когда фаза выходного сигнала достигает значения φ0, если подвижная шкала смещена относительно неподвижной на величину х1. При смещении подвижной шкалы на величину х2 та же фаза φ0 достигается в момент времени t2. Измеряя сдвиг фазы выходного сигнала можно получить величину перемещения подвижной пластины преобразователя относительно неподвижной. Причем однозначность связи фазы с перемещением до определенных значений не зависит от скорости и ускорения движения подвижной шкалы относительно неподвижной.

На съемнике энкодера расположена электронная микросхема и цифровой дисплей. На корпусе съемника  имеются  кнопки «вкл/выкл»,  установка нуля и др.

Емкостные энкодеры имеют очень простую конструкцию и высокую надежность в эксплуатации. На них практически не влияют изменения окружающей среды, кроме влажности.

Однако, емкостные энкодеры не обладают такой высокой точностью как оптоэлектронные энкодеры. Это объясняется тем, что носители информации – шкалы преобразователя выполнены из пластика и шаг и технология нанесенных на них электродов не может быть выполнен таким малым, как на стеклянных шкалах оптоэлектронных ИП.  У емкостных энкодеров фирмы Sylvak шаг составлял 5,08 мм.

Дискретность цифрового отсчета у действующих приборов с емкостными энкодерами составляет 0,01; 0,001; 0,0001 мм. Повторяемость  линейных емкостных ИП составляет 2-4 мкм. Погрешность зависит от того измерительного средства, в котором используется ИП и от диапазона измерения. Обычно не менее 5-10 мкм.

Емкостные  энкодеры чрезвычайно конструктивны и технологичны. Неподвижная длинная шкала выполняется на пластине или ленте из фольгированного текстолита шириной 15-20 мм и толщиной 1,0 мм. Шкала наклеивается на основание прибора, например, на штангу штангенциркуля.  Подвижная шкала выполнена в одном блоке с  микросхемой  и цифровым дисплеем. Весь подвижный блок занимает очень мало места, что позволяет широко использовать емкостные ИП в ручных и автоматических измерительных приборах. В настоящее время большинство фирм, выпускающих ручные электронные  приборы, снабжают их емкостными ИП и встроенным цифровым отсчетом.

Индуктивные энкодеры

Емкостные энкодеры, как все емкостные преобразователи очень чувствительны к изменению влажности    окружающей среды, что сильно влияет на линейность преобразователя. Поэтому фирма Sylvak  в 2003 году выпустила индуктивный энкодер и стала устанавливать их на электронные штангенциркули, индикаторы и другие приборы.

Индуктивный энкодер, в отличие от емкостного, работает в магнитном поле и поэтому не чувствителен к влажности и другим загрязнениям шкалы.

Индуктивный энкодер состоит из шкалы (линейки) и считывающего устройства, которое перемещается над шкалой с небольшим зазором h. Шкала, похожая на лестницу, состоит из серии замкнутых петель, расположенных  с шагом  Т, токи которых направлены встречно. На считывающем устройстве на двух сторонах платы нанесена последовательность из трех чередующихся плоских зигзагообразных основных обмоток и трех чередующихся зигзагообразных съемных обмоток с шагом H. Две плоские зигзагообразные обмотки взаимодействуют через подвижную  петлю (рис. 3.2.3).

индуктивный энкодер Рис. 3.2.3  Принцип действия индуктивного энкодеры

Напряжение V через первую обмотку индуцирует ток i в петле, который непосредственно индуцирует напряжение v во второй обмотке. Если петля сдвигается на один шаг Т, индуцированный ток  реверсируется (поворачивается по часовой стрелке), но напряжение обмотки v имеет ту же полярность снова (два реверса): связь (v /V) становится  зависимой от х с периодом T.
Шкала состоит из серии замкнутых петель с шагом  Т, токи которых направлены встречно. Токи,  создаваемые в первой зигзагообразной обмотке,  усиливают  друг друга в соседних петлях,  а  также   напряжения во второй зигзагообразной обмотке.
Основой измерения является шкала,  более длинная, чем обмотки. Внешние электромагнитные поля, не вызывают замкнутых  токов в петле, поэтому на напряжение, индуцированное на второй обмотке, они не оказывают воздействия. Две обмотки сдвинуты на T/4  шага шкалы. Если шкала  смещается влево или вправо, разность фаз с опорным сигналом также смещается со скоростью периода, и отслеживается перемещение  любой длины.

У индуктивных энкодеров значительно меньше шаг электродов, чем у емкостных, от 1 до 2 мм, что облегчает изготовление обмоток и позволяет увеличить зазор h. Обычно h составляет от 0,1 до 0,2 шага T.

Выходной сигнал индуктивных энкодеров после низкочастотной фильтрации представляет собой  синусоиду с фиксированной амплитудой, фазовый сдвиг которой линейно зависит  от перемещения шкалы.

В микросхеме, установленной в считывающем устройстве выходной сигнал   интерполируется и преобразуется в цифровые показания, отображаемые на дисплее.

Дискретность цифровой индикации приборов с индуктивными энкодеры составляет 0,01; 0,001; 0,0001 мм.

Емкостные и индуктивные  энкодеры выпускает фирма Sylvac (Швейцария), Mitutoyo (Япония),  Tesa(Швейцария) и др.

Магнитные энкодеры

Магнитные энкодеры редко применяются при линейны и угловых измерениях из-за недостаточной  точности по сравнению с емкостными,  индуктивными и, тем более, оптоэлектронными  энкодерами. Их основная область применения металлорежущие станки с ЧПУ, технологическое оборудование, электродвигатели, электроприводы и др., Достоинства   магнитных энкодеров в их бесконтактности и малой чувствительности к внешним условиям, загрязнению, вибрациям   и т.п.

Линейные магнитные энкодеры

Линейный магнитный энкодеры (рис. 3.2.4) состоит из гибкой магнитной линейки (ленты), жестко устанавливаемой, например, на станину  станка и подвижной считывающей  головки, которая крепится к подвижному узлу.

 

Маг.энРис. 3.2.4  Линейный магнитный энкодер

 станка.

Магнитная линейка представляет собой многослойную ленту, состоящую из подложки, с нанесенным на нее магнитным слоем, и защитного покрытия. С изнаночной стороны на магнитную линейку наносится адгезивный (клеящий) слой, защищенный воздухонепроницаемой пленкой.

На магнитном слое нанесены намагниченные штрихи (полюса из постоянных магнитов) и слабо намагниченные интервалы между ними. Расстояние между полюсами магнитов напрямую влияет на скорость считывания данных считывающей головкой и определяет быстродействие системы и ее номинальные рабочие скорости.  Интервалы между магнитами обычно составляют 2 мм.

Линейный магнитный потокРис. 3.2.5  Условное представление магнитного потока

Основным элементом магнитного энкодера является магнитный датчик, обеспечивающий преобразование магнитного потока (рис. 3.2.5) в электрический сигнал. Для этого используются физические явления, возникающие в полупроводниках и металлах под действием магнитного потока, известные как эффект Холла и Гаусса.

Считывающая головка, снабженная дифференциальным
анизотропическим магниторезистивным датчиком, регистрирует
периодический магнитный поток намагниченной шкалы, – в результате генерируются синусоидальные и косинусоидальные сигналы. Эти аналоговые сигналы обрабатываются встроенным интерполятором, что обеспечивает получение разрешений вплоть до 0,2 мкм.
Точность и достоверность измерений достигается за счет магнитного взаимодействия датчиков с сильным периодическим магнитным полем шкалы. Датчики регистрируют градиент магнитного поля и таким образом являются практически нечувствительными к посторонним однородным магнитным полям. В основе работы как линейных, так и кольцевых энкодеров может использоваться один и тот же принцип.
В считывающей головке расположено обычно несколько датчиков Холла, совмещенных с простейшей магнитной системой, выходной сигнал которой определяет расстояние, пройденное от опорной (референтной) точки.  Магнитный датчик детектирует распределение плотности магнитного потока, а специальная микросхема анализирует эти сигналы и определяет положение магнитных полюсов, формируя выходной электрический сигнал.

Бесконтактный принцип работы магнитного энкодера позволяет механически изолировать подвижные части (шкалу)  от считывающего устройства и блока электронной обработки, которые крепятся неподвижно. Зазор между считывающей головкой и линейкой составляет до 2 мм (рис. 3.2.6).

Магн. энк.Рис. 3.2.6  Зазор между шкалой и считывающей головкой

Разрешающая способность  линейных магнитных энкодеров составляет от 1,0 до 25 мкм. Повторяемость ±2,0 мкм. Погрешность измерения составляет  ±(5-10) мкм.

Скорость перемещения головки до 25 м/с.

Магнитные энкодеры  просты по конструкции, надежны и удобны в эксплуатации и не требуют специальной защиты.

Угловые магнитные энкодеры

Строго говоря, угловыми энкодерами называются преобразователи угловых перемещений, имеющие 10 000
и более импульсов на оборот, точность которых выше ±10 угловых секунд, а под «круговыми датчиками»
подразумеваются энкодеры, которые не удовлетворяют этим критериям. Это различие часто игнорируется, и
угловым энкодером называют любой преобразователь угловых перемещений

Угловые и круговые магнитные энкодеры условно  можно разделить на две группы: линейные энкодеры, применяемые для измерения углов поворота, и собственно угловые энкодеры.

В первом случае это гибкая магнитная лента, которая  крепится на обод поворотного стола большого диаметра (например, поворотные  и делительные столы) или ротор поворотного двигателя, а считывающая головка с магнитными датчиками устанавливается неподвижно на станине или статорном основании. Также выпускают энкодеры, состоящие из   кольца или полукольца с нанесенной на них магнитной шкалой, которые крепят на поворотные детали конструкции. Считывающая головка таких энкодеров установлена на неподвижной детали конструкции.

Во втором случае – это самостоятельная конструкция небольших размеров,  соединяемая с валов электродвигателя или другого механизма и служащая для измерения и регулирования скорости их вращения.

Такой энкодер состоит из двух отдельных частей вращающегося магнита и считывающей головки. Небольшой поляризованный магнитик установлен на валу, который вращается на шарикоподшипниках в жестком корпусе.

Угловой магнитный потокРис. 3.2.7  Условное представление магнитного поля

Напротив корпуса магнита и соосно с вращающимся валом  располагают неподвижно считывающее устройство, в котором расположена позиционно-чувствительная интегральная  микросхема, чувствительная к изменяющемуся магнитному полю (рис. 3.2.7). В состав микросхемы входят матрица позиционно-чувствительных датчиков, и система обработки их сигналов, позволяющая получить на выходе кодовую информацию об угловом положении или перемещении магнита, анализатор и электронику.  Энкодер обеспечивает высокую точность до 0,3о.

Большинство угловых энкодеров однооборотные. При необходимости число оборотов считают с помощью контроллера, зная число бит информации , получаемых за один оборот.

В настоящее время уже начали выпускать многооборотные энкодеры, снабженные отдельной магнитной системой для счета оборотов.

 

1  Вороничев П.П и др. Инкрементные емкостные преобразователи перемещений. М.: Датчики и системы, 2001, №2

2  Вороничев П.П.,  Этингоф М.И. Индикаторы для         линейных            измерений, СТИН, №9, 2015