Inductive of optical: welke encoder past bij jouw applicatie?

Jij wil nauwkeurig een positie of beweging meten. Welke encoder past bij jouw toepassing? En hoe selecteer je deze? Er zijn optische, inductieve en magnetische systemen op de markt. Iedere technologie heeft zijn eigen specificaties en eigenschappen, die bepalen of een encoder geschikt is voor jouw applicatie. En welke oplossing kies je, als meerdere technologieën in jouw applicatie passen? Onze 10 selectievragen helpen jou bij de technologiekeuze.

Machines hebben vaak een ingebouwde encoder om posities en bewegingen te registreren en reguleren. In het verleden waren optical encoders erg kostbaar en inductive encoders aan de grote kant. Dat is tegenwoordig wel anders.

Inmiddels zijn er compactere, lichtere, snellere en nauwkeurigere modellen beschikbaar. Dit is belangrijk omdat gebruikers steeds hogere eisen aan systemen stellen.

Hoe kies je een encoder?

Hoe kan ik een bepaalde verplaatsing het beste meten? En welke technologie heb ik daarvoor nodig? Sean Ram, Account Manager bij Sentech hoort deze vraag vaak.

“Als eerste zoek ik uit wat voor type bedrijf het is, en in welke mate zij fijnmechanische assemblages kunnen realiseren. Kan de machine geproduceerd worden binnen toleranties van een tiende millimeter, een honderdste millimeter of een millimeter? Ook vraag ik naar het type machine en het toepassingsgebied. Zo heeft een landbouwmachine meestal geen extreem hoog nauwkeurige encoder nodig, maar daarentegen wel een vervuilingsongevoelige oplossing.”

“Daarnaast wil ik weten wat de klant wil bereiken met de meting. Met het doel in ons achterhoofd, bepalen we de specificaties voor resolutie, nauwkeurigheid, herhaalnauwkeurigheid, snelheid en integratiemogelijkheden”, vertelt de Account Manager.

Je kunt eenvoudig de allerbeste specificaties eisen. Maar heb je dat ook echt nodig? “Het is mogelijk om een groot gedeelte van de complexiteit in de sensor op te lossen. Dit kan grote gevolgen hebben voor de beschikbare technologieën, met de daarbij behorende prestaties en prijs. Samen zoeken we naar een optimaal ontwerp, dus prestaties tegenover integratieprijs. Hierbij kent de klant zijn systeem het beste, en kennen wij de sensormarkt en de mogelijkheden als geen ander.”

Werking van incrementele encoders

Voordat we ingaan op de verschillen tussen optical en inductive encoders, eerst wat over de werking ervan. Incrementele encoders werken op basis van een liniaal. In het geval van een optical encoder is dat bijvoorbeeld een glazen staafje met chroomsporen erop, of een aluminium strip met geëtste lijntjes.

Als de encoder over de liniaal beweegt, telt de sensor op of af. De nauwkeurigheid hangt af van de kwaliteit van de liniaal. “Hoe preciezer de streepjes zijn gezet, hoe nauwkeuriger het systeem is”, verduidelijkt Ram.

“MicroE, het merk dat wij veel gebruiken, ontwikkelt en produceert optical encoder systemen. Zij leveren linialen waarbij de streepjes over een afstand van een meter slechts een micrometer uit de pas lopen.”

Een inductive encoder werkt met een configuratie van spoeltjes. De grootste genereert een hoogfrequent magneetveld onder de sensor. Dat veld induceert een spanning in de ontvangstspoelen. Een koperen spoortje op de liniaal moduleert het veld, wat direct wordt gedetecteerd doordat de ontvangstspoelen een andere spanning afgeven.

Inductive encoders bestaan uit draadgewonden spoelen of uit vlakke spoelen in een meerlaagse printplaat of in een siliciumchip. Sentech kiest vaak voor de inductieve systemen van POSIC. Dit Zwitserse bedrijf heeft gekozen voor die laatste optie.

Verschillen tussen encoders

Over het algemeen halen optical encoders de hoogste resoluties en nauwkeurigheden. Zo kunnen encodersystemen van MicroE een resolutie van 1,2 nanometer halen. Inductive encoders zijn wat minder nauwkeurig dan optische systemen.

“Als je een goed gedefinieerde omgeving met strakke toleranties creëert, kan je met POSIC een resolutie tot wel vijftig nanometer behalen” gaat Ram verder. “Mijn ervaring is dat een halve tot een kwart micrometer relatief eenvoudig haalbaar is. Is er toch een hogere resolutie of nauwkeurigheid nodig? Dan kijken we samen met de klant of een andere technologie beter geschikt is.”

Vervuiling

Tegenover optical encoders, hebben inductieve systemen eigenschappen waar de optische technologie niet tegenop kan. Zo zijn inductive encoders ongevoelig voor vervuiling. Zelfs als de liniaal vol ligt met smeer, stof of vocht is de meting betrouwbaar.

“Bij een optical encoder kan een smerige vingerafdruk voor een foutieve meting zorgen”, legt de Account Manager uit. “Optical encoders worden veel gebruikt in de halfgeleiderindustrie, waar vervuiling geen risico is omdat het gebruik plaats vindt in gecontroleerde omgevingen.”

Dat wil niet zeggen dat optical encoders meteen afvallen als er vervuiling in het spel is. Ram laat zien dat hier oplossingen voor zijn: “Als we de liniaal ondersteboven plaatsen, blijft er geen vuil op liggen. Ook het afschermen van het encoder systeem kan een uitkomst zijn. We hebben de liniaal en de sensor wel eens in een koker verwerkt die we op overdruk hielden. Daar lekte gecontroleerd lucht uit, zodat stof er niet in binnen kon dringen.”

In 10 selectievragen naar de juiste encoder

Om tot het best passende encodersysteem te komen, moet je eerst weten wat je écht nodig hebt. Deze 10 selectievragen helpen jou hierbij. Check en download ook meteen de infographic.

1. Welke resolutie heeft jouw applicatie nodig?

   Stel vast wat het oplossend vermogen moet zijn. Resolutie is de kleinste stap die een encoder kan weergeven. Heb je genoeg aan een resolutie van een micrometer, of is nanometerbereik nodig?

2. Hoe nauwkeurig moet de encoder zijn?

   Zoek uit wat belangrijk is voor jouw applicatie: absolute nauwkeurigheid of herhaalnauwkeurigheid? Absolute nauwkeurigheid is hoeveel de meting afwijkt van de daadwerkelijke verplaatsing. Herhaalnauwkeurigheid is een statische maat, die vertelt hoe groot de spreiding van de meting is.

3. Welke maximale snelheid is nodig?

   Verdiep jezelf in de snelheden die jouw machine haalt. Zo moet de controller van jouw machine de output van de encoder wel aankunnen. De maximale snelheid heeft invloed op de encoderkeuze en de integratie ervan.

4. Wat zijn de inbouwtoleranties?

   Breng in kaart binnen welke toleranties de sensor en liniaal ingebouwd kunnen worden. De maximale toelaatbare uitlijnfouten van de sensorkop ten opzichte van de liniaal verschillen per technologie.

5. Hoe groot mag de sensor zijn?

   Kijk naar de beschikbare ruimte. Op basis hiervan bepaal je hoe groot het encodersysteem maximaal mag zijn en welke integratiemogelijkheden er zijn.

6. Hoe vuil is het toepassingsgebied?

   Hoeveel stof, vet, vocht, metaalsplinters en ander vuil komen er voor in en rondom jouw applicatie? Vervuiling is een belangrijke factor bij de encoderkeuze. Zo past een optical encoder beter in een schone omgeving, en werkt een inductive encoder zelfs probleemloos in een vuile omgeving. Ook hoe een encoder is geïntegreerd, kan vervuiling van het systeem beperken.

7. Speelt vacuüm een rol?

   In een vacuüm omgeving heb je te maken met twee factoren: warmte dissipatie en uitgassing. Omdat sensoren niet makkelijk hun warmte kwijt kunnen, is het belangrijk dat ze zo min mogelijk warmte opwekken. Uitgassing kan leiden tot neerslag van ongewenste materialen op kritische procesdelen. Voor beide factoren zijn er oplossingen, afhankelijk van de systeemeisen.

8. Wat is het temperatuurbereik?

   Controleer met welke omgevingstemperaturen de applicatie te maken heeft. Ook is het van belang om te weten hoelang een bepaalde temperatuur aanwezig is, en met welke delta de temperatuur veranderd. Zo kunnen extreme temperaturen van invloed zijn op de technologiekeuze.

9. Zijn er magneetvelden in de buurt?

   Als je de encoder plaatst dichtbij spoelen of permanentmagneten die inductievelden opwekken, kan dat de meetresultaten beïnvloeden. Dit is niet bij ieder encodersysteem het geval. Gelukkig zijn bepaalde soorten inductieve en optische systemen daar minder gevoelig voor.

10. Wat is het uitgangssignaal?

    Welk type uitgangssignaal heb je nodig? Voorbeelden zijn een A-quad-B, index, limits, digitaal protocol of sincos-signaal.

Nu weet jij welke criteria een rol spelen bij het selecteren van de juiste encoder. Maar let op, deze 10 selectievragen zijn slechts een deel van de factoren die bepalen welke encoder past bij jouw toepassing.

Ook onze infographic helpt jou bij jouw encoderkeuze. Ontdek welke technologie het beste past bij jouw applicatie.

Vergelijk optical en inductive encoders met deze infographic.

Dit artikel verscheen in Mechatronica&Machinebouw nr.7 2019 en is geschreven door Alexander Pil