Инкрементальные или абсолютные датчики положения

Большинство инженеров по-прежнему используют инкрементальные датчики положения, поскольку считают абсолютные слишком дорогими. Но за последние годы рынок изменился. В данной статье приведен современный обзор относительных преимуществ каждого из датчиков.

Далеко не все понимают разницу между инкрементальными и абсолютными методами измерения. Многим инженерам никогда не приходилось сталкиваться с этой терминологией. Производители датчиков сами добавляют путаницы, называя свои устройства абсолютными датчиками, которые на самом деле являются инкрементальными.

Поэтому для начала не лишним будет сформулировать определения. Во-первых, общий термин «датчик» мы будем применять к энкодерам, преобразователям и детекторам. Отличительной особенностью инкрементального датчика положения является то, что он сообщает о пошаговом изменении положения. Другими словами, после того, как на датчик подается питание, он не сможет сообщить о положении до тех пор, пока ему не укажут точку отсчета.

Абсолютный датчик положения выдает однозначную информацию о своем положении в каком-либо масштабе или в пределах какого-то диапазона. Иными словами, когда на датчик подается питание, он сообщает о своем положении даже без указания точки отсчета. Что происходит при подаче питания? Ответ на это вопрос зависит от типа датчика. Если датчику нужна калибровка — это инкрементальный датчик, если не нужна — абсолютный.

Некоторые производители заявляют, что их датчики выполняют абсолютные измерения, поскольку аккумуляторная батарея позволяет хранить информацию о положении инкрементального датчика при потере питания. Хорошо, но, что произойдет, когда батарея разрядится? Аналогичным образом, другие производители заявляют, что их датчики выполняют абсолютные измерения, когда инкрементальному датчику нужно совсем немного переместиться при включенном питании, чтобы получить точку отсчета. В любом случае это — инкрементальные датчики, хотя на рынке они заявлены как абсолютные датчики по соответствующим ценам.

Потенциометры

Потенциометры по-прежнему являются наиболее распространенным типом датчиков положения, но за последние 25 лет значительно расширилось использование бесконтактных датчиков. Предпочтение бесконтактного оборудования связано с проблемами износа и надежности потенциометров, особенно в неблагоприятных условиях эксплуатации (в частности, связанных с вибрациями) или при длительных сроках службы. Почти все потенциометры — абсолютные, но обычной бесконтактный датчик конструктивно представляет собой оптический датчик положения.

Oптические энкодеры

Принцип работы оптических энкодеров основан на использовании луча света, направленного сквозь или на специальную решетку, и вычислении положения на основе интенсивности отраженного света. Большинство оптических устройств являются инкрементальными. Как правило, расположение определяется с помощью серии импульсов, обычно со сдвигом фаз на 90°, что позволяет определять направление движения. Эти импульсы называют импульсами A/B. Отдельная последовательность импульсов (опорная точка Z) генерирует один импульс на оборот, который можно использовать в качестве контрольной отметки.

Сейчас продается примерно в три раза больше инкрементальных датчиков, чем абсолютных. Основная причина в том, что инкрементальные датчики, как правило, дешевле абсолютных, при сравнимых характеристиках.

Но абсолютные датчики сегодня уже не такие дорогие, как многие полагают. Переход к (бесконтактным) абсолютным измерениям положения может существенно улучшить производительность, повысить точность и снизить общие расходы. Это связано с тем, что с инкрементальными датчиками связан ряд практических проблем. Самая очевидная заключается в том, что при каждом отключении питания датчику требуется калибровка — это замедляет производительность системы, а также, в случае неожиданного отключения, может привести к нарушениям безопасности.

Во-вторых, положение определяется с помощью контрольной отметки. В некоторых случаях, особенно при изменении напряжения или быстрых изменениях положения, могут произойти нарушения в процессе отсчета. Это может существенным образом нарушить производственный процесс и, если не устранить проблему вовремя, привести к рассинхронизации производственных операций. Большинство инкрементальных датчиков являются оптическими, а для получения данных высокого разрешения элементы оптической решетки должны быть очень маленькими, иногда размером всего в несколько микронов в поперечнике. Хотя такие мелкие элементы и повышают чувствительность, они становятся очень хрупкими и уязвимыми к внешним факторам. Влага, жир и грязь могут остановить работу или, что еще хуже, нарушить точность показаний оптического прибора.

В последнее время разница в цене между абсолютными и инкрементальными датчиками сокращается, частично из-за повышенного распространения абсолютных датчиков, но главное — из-за внедрения новых технологий на основе абсолютных датчиков. Конечно, большинство инженеров по-прежнему предпочитают оптические датчики, но индукционные устройства нового поколения позволяют создавать точные абсолютные датчики положения, устойчивые к неблагоприятным условиям эксплуатации.

Вместо решетки и оптического датчика в этих индуктивных устройствах используются плоские печатные катушки индуктивности, основные принципы работы которых аналогичны принципам работы трансформаторов или резольверов. Фундаментальная физика позволяет создавать компактные и легкие абсолютные датчики высокого разрешения, которые не зависят от оптических характеристик источника света. Помимо того, что такие датчики являются абсолютными по своей сути, они имеют и другие преимущества перед оптическими датчиками. Во-первых, они не подвержены влиянию внешних факторов, например грязи и влажности. Во-вторых, на их измерительные способности, как правило, не влияют смещения или недостаточно точная установка. Это означает, что таким датчикам не нужны сверхточные корпусы или подшипниковые узлы и их можно просто крепить к частям механизмов, например двигателю или корпусу редуктора. В свою очередь, это приводит к существенным упрощениям, уменьшению размера и веса деталей соседних механических конструкций за счет устранения подшипников, валов, муфт и уплотнений. Более того, такие индуктивные устройства нового поколения могут иметь широкое проходное отверстие, через которое можно пропустить вал, кабели или контактные кольца основного оборудования. Для инженеров-конструкторов этот новый подход означает, что они могут обеспечить точность абсолютного измерения примерно по цене, по которой это возможно для инкрементальных датчиков.