Codificador lineal

Los codificadores lineales ópticos dominan el mercado de alta resolución y pueden emplear principios de obturación/ moiré , difracción u holografía . Son los más precisos entre los codificadores estándar y los más utilizados en aplicaciones de automatización industrial. Al especificar un codificador óptico, es importante que incorpore protección adicional para evitar la contaminación por polvo, vibraciones y otras condiciones comunes en entornos industriales. Los periodos de escala incremental típicos varían desde cientos de micrómetros hasta submicrómetros. La interpolación permite resoluciones de hasta un nanómetro.

Las fuentes de luz utilizadas incluyen LED infrarrojos , LED visibles, bombillas miniatura y diodos láser .

Los codificadores lineales magnéticos ^{[ 1 ]} emplean escalas activas (magnetizadas) o pasivas (de reluctancia variable) y la posición se puede detectar mediante bobinas sensoras, efecto Hall o cabezales de lectura magnetoresistivos . Con periodos de escala más gruesos que los codificadores ópticos (normalmente de unos cientos de micrómetros a varios milímetros), las resoluciones del orden de un micrómetro son la norma.

Los codificadores lineales capacitivos funcionan detectando la capacitancia entre un lector y una escala. Sus aplicaciones típicas son los calibradores digitales. Una de sus desventajas es la sensibilidad a la suciedad irregular, que puede modificar localmente la permitividad relativa .

La tecnología inductiva es resistente a los contaminantes, lo que permite el uso de calibradores y otras herramientas de medición resistentes a los refrigerantes. ^{[ 2 ]} Una aplicación bien conocida del principio de medición inductiva es el Inductosyn. ^{[ 3 ]}

La patente estadounidense 3820110, «Codificador digital de corrientes parásitas y referencia de posición», ofrece un ejemplo de este tipo de codificador, que utiliza una escala codificada con materiales no magnéticos de alta y baja permeabilidad. Esta escala se detecta y decodifica mediante el monitoreo de los cambios en la inductancia de un circuito de CA que incluye un sensor de bobina inductiva. Maxon fabrica un producto de ejemplo (codificador rotatorio) (el codificador MILE). ^{[ 4 ]}

Los sensores se basan en un método de correlación de imágenes. El sensor toma fotografías sucesivas de la superficie que se está midiendo y compara las imágenes para detectar desplazamientos. ^{[ 5 ]} Es posible alcanzar resoluciones de hasta un nanómetro. ^{[ 6 ]}

La salida analógica estándar de la industria para codificadores lineales son señales en cuadratura de seno y coseno . Estas se transmiten generalmente de forma diferencial para mejorar la inmunidad al ruido. Un estándar inicial de la industria eran  señales de corriente pico a pico de 12 μA, pero más recientemente se ha sustituido por señales de voltaje pico a pico de 1 V. En comparación con la transmisión digital, el menor ancho de banda de las señales analógicas ayuda a minimizar las emisiones electromagnéticas .

Las señales seno/coseno en cuadratura se pueden monitorizar fácilmente utilizando un osciloscopio en modo XY para visualizar una figura de Lissajous circular . Se obtienen señales de máxima precisión si la figura de Lissajous es circular (sin error de ganancia ni de fase) y está perfectamente centrada. Los sistemas de encoder modernos emplean circuitos para ajustar automáticamente estos mecanismos de error. La precisión general del encoder lineal es una combinación de la precisión de la escala y los errores introducidos por el cabezal de lectura. Las contribuciones de la escala al margen de error incluyen la linealidad y la pendiente (error del factor de escala). Los mecanismos de error del cabezal de lectura se suelen describir como error cíclico o error subdivisional (SDE), ya que se repiten en cada período de escala. El principal factor que contribuye a la imprecisión del cabezal de lectura es el desplazamiento de la señal, seguido del desequilibrio de la señal (elipticidad) y el error de fase (las señales en cuadratura no están separadas exactamente 90°). El tamaño total de la señal no afecta a la precisión del encoder; sin embargo, el rendimiento de la relación señal/ruido y la fluctuación (jitter) puede degradarse con señales más pequeñas. Los mecanismos de compensación automática de señal pueden incluir compensación automática de desplazamiento (AOC), compensación automática de balance (ABC) y control automático de ganancia (AGC) . La fase es más difícil de compensar dinámicamente y generalmente se aplica como una compensación única durante la instalación o calibración. Otras formas de imprecisión incluyen la distorsión de la señal (frecuentemente distorsión armónica de las señales seno/coseno).

Un codificador incremental lineal tiene dos señales de salida digitales, A y B, que generan ondas cuadradas en cuadratura. Según su mecanismo interno, un codificador puede obtener A y B directamente de sensores, que son fundamentalmente digitales, o bien interpolar sus señales analógicas internas de seno/coseno. En este último caso, el proceso de interpolación subdivide el período de la escala y, por lo tanto, logra una mayor resolución de medición .

En ambos casos, el codificador generará ondas cuadradas en cuadratura, cuya resolución corresponderá a la distancia entre los flancos de los dos canales. El pulso de referencia o índice también se emite digitalmente, con una duración de entre una y cuatro unidades de resolución. Las señales de salida pueden transmitirse directamente a una interfaz de codificador incremental digital para el seguimiento de la posición.

Las principales ventajas de los codificadores incrementales lineales son una mayor inmunidad al ruido, una alta precisión de medición y una baja latencia en la notificación de cambios de posición. Sin embargo, los flancos de señal rápidos y de alta frecuencia pueden generar mayores emisiones electromagnéticas.

La mayoría de los codificadores lineales incrementales pueden generar un pulso de índice o marca de referencia que proporciona una posición de referencia a lo largo de la escala para su uso al encender el dispositivo o tras una pérdida de energía. Esta señal de índice debe poder identificar la posición dentro de un único período de la escala. La marca de referencia puede consistir en un único elemento de la escala, un patrón de autocorrelación (normalmente un código Barker ) o un patrón de chirrido .

Las marcas de referencia codificadas por distancia (DCRM) se colocan en la escala siguiendo un patrón único que permite que un movimiento mínimo (normalmente, pasar por dos marcas de referencia) defina la posición del cabezal de lectura. También se pueden colocar varias marcas de referencia igualmente espaciadas en la escala, de modo que, tras la instalación, se pueda seleccionar la marca deseada (normalmente mediante un imán o de forma óptica) o deseleccionar las no deseadas mediante etiquetas o pintándolas.

Con escalas codificadas adecuadamente (multipista, vernier , código digital o código pseudoaleatorio), un codificador puede determinar su posición sin necesidad de moverse ni de encontrar una posición de referencia. Estos codificadores absolutos también se comunican mediante protocolos de comunicación en serie. Muchos de estos protocolos son propietarios (por ejemplo, Fanuc, Mitsubishi, FeeDat (Fagor Automation), Heidenhain EnDat, DriveCliq, Panasonic, Yaskawa), pero están surgiendo estándares abiertos como BiSS ^{[ 9 ] , que evitan que los usuarios dependan de un proveedor específico.}