Jste zde

Miniaturní 3kanálový indukční enkodér pro měření pohybu

Antonín Vojáček, 10. Leden 2010 - 11:00

V nabídce švýcarské společnosti Posic je zajímavý miniaturní 3kanálový indukční enkodér IT3401. Zatímco měření lineárního i rotačního pohybu se běžně realizuje optoelektronicky, pomocí IT3401 to lze realizovat i indukčně. To znamená zvýšenou odolnost proti znečistění a s rozlišením od 0,3 mikrometrů. Navíc volitelnou interpolací lze definovat počet / frekvenci generovaných pulsů a tak optimalizovat rozlišení v závislosti na maximální rychlosti pohybu.

V nabídce společnosti Posic, výrobce indukčních senzorů a enkodérů, lze nejnověji nalézt zajímavý malinký lineární 3kanálový indukční enkodér s označením IT3401 tvořený snímacím elementem (hlavou) a detekčním proužkem či kotoučkem. Ten je jednoduše vytvořen z destičky plošných spojů. Tříkanálová snímací hlava poskytuje dva inkrementální výstupní signály A a B realizující fázově posunutý (kvadraturní) výstup a indexový signál I. Zatímco sledováním a porovnáním A a B kanálů lze získat informaci o směru a rychlosti pohybu detekčního proužku, indexový signál I slouží k orientaci, tedy přesněji zjištění počátku. Ten se upevňuje na monitorovaný pohybující se objekt a může být jak v podobě proužku, tak i v podobě kotouče. Snímací hlava je fixní (upevněna napevno).

Celý enkodér pracuje na stejném principu snímání, jako indukční senzory. Tedy na principu detekce rozdílové indukce snímané pomocí diferenčního transformátoru, jehož primární i sekundární vynutí (vysílací a detekční cívka) jsou přímo integrované na křemíkovém čipu. Vysílací cívka je buzena vysokofrekvenčním proudem, který vytváří časově proměnné magnetické pole ze zesilovače snímané dvěma detekčními cívkami. Vazbu mezi vysílací a detekční cívkou realizuje kovový předmět mezi ně vložený, tedy v případě snímací hlavy vložený k čelní straně snímací hlavy. Kovové prvky jsou zde realizovány detekčním proužkem s měděnými značkami.

Díky tomuto principu je snímač necitlivý vzhledem k okolním magnetickým polím a odolný vůči okolnímu magnetickému, elektromagnetickému rušení. Toho je dosaženo tím, že vysílací (primární) i detekční (sekundární) cívka jsou velmi blízko sebe na jednom čipu (cca mikrometry) a tak většina možných elmag. rušení má mnohokrát větší vlnovou délku než je vzdálenost mezi oběma cívkami a stejně tak teplotní vlivy působí na všechny cívky stejně. Dále nosná frekvence budícího signálu je 1 MHz, což znamená, že i případné rušení v řádu do kHz jsou následně při synchronní demodulaci na sekundární straně odfiltrovány. Zároveň indukční princip zajišťuje odolnost proti znečištění olejem, vodou, prachem nebo různými částicemi.

Blokové schéma integrované snímací hlavy indukčního enkodéru složený z vysílací cívky (Generator micro-coil) a detekčních cívek (Detection micro-coils), generátoru budícího signálu, zesilovačů demodulátorů a filtrů. Vše integrováno na jednom křemíkovém čipu.

Samotné pouzdro snímací hlavy je velmi malé 11 x 11 mm a velmi tenké, pouze 0,9 mm (pro použití je tedy nutné je upevnit v držáku). Tím je snímač vhodný pro instalaci do velmi stísněných prostor zařízení, včetně elektromotorů či různých ventilů.

Detekční proužek či kotouček (target) může mít různou délku, resp. průměr, přičemž min. šířka jeho detekčních měděných značek je 7,5 mm a tloušťka 0,6 mm. Vzdálenost značek (perioda značek) je pevná 1,2 mm. Toto provedení pak poskytuje rozlišení od 0,3 až do 300 mikrometrů při rychlosti 0,05 až 50 m/s. Rozlišení vs. rychlost se nastavuje již výše uvedenou interpolací pomocí sériového rozhraní snímací hlavy.

V závislosti na požadované hodnotě odstupu signál - šum (SNR) při požadované snímací rychlosti lze nastavit různý interpolační faktor (rozlišení) definovaný počtem bitů - viz níže uvedený obrázek Fig.1. Generovaný šum totiž závisí na šířce frekvenčního pásma, tj. na rychlosti pohybu detekčního proužku. Čím pomalejší je rychlost pohybu, tím vyšší počet bitů by měl být zvolen (max. 12 bitů). Vícebitová interpolace znamená více kratších pulsů a tím lepší rozlišení pohybu při pomalé rychlosti. Samotná velikost generovaného signálu pak závisí na vzdálenosti mezi snímací hlavou a snímaným proužkem, kdy velikost signálu exponenciálně se zmenšující se mezerou. Vzájemný vliv rozlišení, maximální rychlosti a vzduchové mezery ukazuje níže uvedená tabulka "Table 1".

Možnosti volby rozlišení indukčního snímače IT3401 nastavením různé interpolace (počet bitů). Čím menší je max. rychlost (Max speed), tím větší počet pulsů je nutné generovat (Pulses) a tedy je nutné nastavit vícebitovou interpolaci (Bits), aby bylo zachováno rozlišení při zachování vzdálenosti detekčních plošek (1,2 mm). Při větším rozlišení (větším počtu generovaných pulsů) je však nutné zajistit menší mezeru mezi snímací hlavou a detekčním proužkem / kotoučkem (Airgap).

Základní vlastnosti indukčního enkodéru IT3401:

Výstupní signál: 2 kvadraturní kanály A a B
Fázový posuv: 90° +/- 45°
Střída: 50% +/- 25%
Indexová značka po 90°
Rozlišení: 0,3 až 300 mikrometrů / 2 až 12 bitů (nastavitelné)
Maximální snímací rychlost: 0,05 až 50 m/s (nastavitelné)
Vzduchová mezera: max. 1 mm
Nominální perioda detekčního proužku: 1,2 mm
Napájení: 5 VDC, typ. 15 mA
Výstupy: kvadraturní obdélníkový signál A-B (frekvence až 500 kHz) + indexový výstup I
Materiál detekčního proužku: měď na FR4 podložce
Provozní teplota: -40 až +125°C