Encoders ópticos versus encoders inductivos

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Con tantas tecnologías de posición a elegir no resulta sorprendente que los ingenieros de diseño tengan dificultades para seleccionar el tipo correcto de sensor para su proyecto. Este documento explica cómo funcionan los encoders ópticos e inductivos y examina sus correspondientes puntos fuertes y débiles.

Desde la década de los años 70, los encoders ópticos han sido una opción popular de sensor de posición entre los fabricantes de equipos. Están ampliamente disponibles de muchos fabricantes y pueden encontrarse en una amplia gama de máquinas industriales, tales como impresoras, máquinas herramienta de control numérico CNC y robots. Los sensores de posición inductivos tradicionales, tales como resolvers y transformadores diferenciales linealmente variables (LVDTs), han estado presentes desde los años 40, pero han sido menos usados. Tienden a utilizarse en entornos adversos o en aplicaciones relacionadas con la seguridad en los sectores de la industria aeroespacial, defensa y petroquímicos, donde sus ventajas de fiabilidad y robustez compensan su alto coste, gran volumen y peso. Sin embargo, un nuevo tipo de dispositivo, el encoder inductivo o ‘incoder’, está consiguiendo cuota de mercado y cambiando el equilibrio tradicional. Los Incoders pueden considerarse como un híbrido de las tecnologías inductiva y óptica.

¿Qué es un encoder?

En primer lugar, comenzaremos con alguna explicación de la terminología. Un encoder es un dispositivo que convierte la posición o movimiento en una señal eléctrica – normalmente un código digital. Para mayor confusión, se suele referir a ellos como encoders rotatorios, encoders de eje, encoders de ángulo, encoders angulares o incluso, sensores de ángulo, transmisores de ángulo – la lista es interminable. Para los fines de este documento, simplemente usaremos el término “encoder”.

Los encoders pueden ser rotatorios o lineales. También pueden ser absolutos o incrementales y ésta constituye una distinción importante. Si consideramos un encoder rotatorio absoluto simple, entonces, su salida eléctrica indica la posición angular actual del eje inmediatamente después de su activación. La salida de los encoder incrementales proporciona información sobre el movimiento del eje. Dicho de otro modo, la salida desde un encoder incremental solamente cambia cuando existe movimiento. Algunos encoders incrementales llevan de una marca, de modo que el encoder pueda utilizar esta marca como referencia para el incremento o decremento de las señales.

Hay disponibles más encoders incrementales que encoders absolutos, pero esta circunstancia está cambiando gradualmente con el transcurso del tiempo debido a que se está reduciendo el costo de los dispositivos absolutos. Además, numerosos mercados, en particular, el de la de robótica y sistemas automatizados, son renuentes a que el equipo pase inicialmente por un proceso rutinario de calibración para que los encoders de posición puedan trabajar donde sea que estén instalados.

La salida eléctrica más frecuente desde los encoders incrementales son pulsos A/B. Esto se refiere a 2 o más secuencias de pulsos de baja tensión en cuadratura que cambian de estado, alto o bajo, a medida que cambia la posición. La detección de rotación se determina considerando si el flujo A de pulsos conduce al flujo B de pulsos, o viceversa. La salida más frecuente de los encoders absolutos es SSI (Interfaz en Serie Síncrona), que es un protocolo de comunicaciones digital cuyos diversos valores de bits indican la posición absoluta.

¿Qué es un encoder óptico?

Los encoders utilizan varias técnicas de detección, siendo la más frecuente la técnica óptica. En un encoder óptico, una fuente emite luz directamente o a través de un disco óptico rallado para que la luz pase a su través o quede bloqueada. Un detector óptico, o cabeza de lectura, detecta el paso de la luz y genera la señal eléctrica correspondiente. Rejillas ópticas están dispuestas como una serie de marcas que pueden utilizarse para medir un ángulo o un movimiento. La escala de las marcas puede ser muy fina – hasta de micrones – lo que permite que muchos encoders ópticos puedan medir con altos niveles de precisión.

Los encoders ópticos utilizan un sensor óptico y un disco óptico para medir el ángulo

El encoder de eje empaquetado es un formato común, en el que el eje del encoder está conectado mecánicamente con el sistema anfitrión. El eje del encoder tiene un conjunto de soporte e incluye un disco óptico que, a su vez, funciona en estrecha relación con los detectores ópticos. Desde el punto de vista eléctrico, la conexión suele ser un cable multifilar que suministra corriente continua y transmite los datos de salida de posición del encoder. La interfaz eléctrica simple, combinada con su amplia disponibilidad, facilita las tareas de especificación e implantación. Su principal inconveniente es que simplemente no puede funcionar con entornos adversos que presenten vibraciones, choques, presencia de materias extrañas o temperaturas extremas. Existe poco o ningún aviso de fallo inminente que podría resultar en un escenario operativo desfavorable con salida de datos de posición incorrecta o – en un caso más favorable – en un mensaje de error. Por lo general, el hecho de informar una posición incorrecta (con ningún mensaje de error) es un modo de fallo operativo mucho más grave que el hecho de que no se produzca ninguna lectura, puesto que el resultado puede devenir en catástrofe.

Los encoders de anillo tienen un diámetro mayor y la “letra pequeña” de la hoja de datos, suele especificar tolerancias muy estrictas para la posición de la cabeza de lectura respecto al disco óptico o la rejilla con el fin de lograr el nivel de medición que se declara. Dichos encoders de anillo, no empaquetados, son particularmente susceptibles a la presencia de materia extraña habida cuenta del tamaño diminuto de las características ópticas, de tamaño similar al del polvo o al de las partículas de suciedad.

Como era de esperar, los encoders ópticos no suelen ser la opción preferida para aplicaciones de alta fiabilidad o relacionadas con la seguridad.

Fortalezas y debilidades de los codificadores ópticos

Puntos fuertes

Alta resolución, ampliamente disponibles, alta precisión posible

Puntos débiles

Delicado, susceptible a la presencia de materias extrañas, modos de fallo catastrófico, rango de temperatura limitado (-20 a +70°C)

¿Qué es un encoder inductivo?

Un encoder inductivo – frecuentemente denominado “incoder” – utiliza los principios inductivos o de transformadores para medir la posición de un objetivo o de un rotor con respecto a un estator. Los incoders utilizan la misma física fundamental que los dispositivos inductivos tradicionales, tales como resolvers sin cepillo o transformadores LVDTs, pero su interfaz eléctrica es similar al de un encoder óptico: una simple fuente de alimentación de corriente contínua y una señal eléctrica digital de salida.

La mayoría de los resolvers tradicionales tienen una apariencia bastante similar a un motor eléctrico – con devanados de cobre en el estator que cooperan con un rotor metálico u objetivo. El acoplamiento inductivo o de transformadores entre los devanados del estator varía según la posición del rotor. En lugar de construcciones de transformadores bobinados, los incoders utilizan placas de circuito impreso para su rotor y estator, lo que les hace menos voluminosos, más precisos y menos costosos de fabricar.

Desde que se utilizaron en aviación militar durante la Segunda Guerra Mundial, los resolvers y los transformadores LVDTs han conseguido una reputación bien merecida de precisión, robustez y fiabilidad, lo que les convierte en la opción automática para aplicaciones relacionadas con la seguridad y alta fiabilidad. Esto es así porque los principios de funcionamiento de los transformadores no suelen resultar afectados por condiciones ambientales adversas, incluyendo la presencia de suciedad, agua y hielo.

Los incoders son fáciles de especificar y de desplegar como encoders ópticos, ya que solamente requieren una fuente de alimentación de corriente contínua y una salida de señal digital que represente la posición. Esto significa que los incoders tienen todas las ventajas de los resolvers y ninguno de sus inconvenientes.

Dado que los incoders no utilizan componentes ópticos delicados, no son susceptibles a la presencia de materias extrañas y no sólo operan en intervalos de temperatura limitados. Además, la medida de la posición más precisa no depende de la alineación exacta de los elementos móviles y estacionarios – permitiendo así tolerancias de instalación más generosas y un enfoque ‘sin rodamientos’. La erradicación de la necesidad de rodamientos ha llevado a construcciones anulares delgadas de baja altura axial y gran diámetro interior, lo que facilita su integración en equipos con restricciones rigurosas de tamaño o peso, tales como cardanes, brazos robóticos y dispositivos de accionamiento.

Los incoders están disponibles en una amplia gama de tamaños de hasta 600 mm de diámetro y se han utilizado amplia y satisfactoriamente en muchas máquinas herramientas, sistema cardánicos, equipos aeroespaciales, de defensa y médicos.