Encoders ópticos

Encoders ópticos

Los encoders ópticos detectan el paso (o no) de la luz a través de una superficie codificada. Es la tecnología más utilizada en la industria ya que se consiguen altas resolución a buen precio.

¿Necesitas ayuda con el encoder? Estaremos encantados de asistirte

Tabla de contenido

QUÉ ES UN ENCODER ÓPTICO

Existen muchos tipos de encoders en el mercado y muchas formas de clasificarlos. Una de ellas es la clasificación según tipo de tecnología de detección que utilizan. En las últimas décadas los encoders ópticos han dominado la industria aunque hay otras tecnocolgías que tambien tienen su cuota de mercado. A continuación repasamos las principales ventajas y desventajas de estos encoders.

Ventajas de un encoder optico

Las 2 principales ventajas de los modelos ópticos respecto a otras tecnologías son:

·         Altas resoluciones que nos facilitan gran precisión. Es una de las principales ventajas de esta tecnología. Los encoders ópticos pueden alcanzar altísimas resoluciones, consecuentemente es la opción elegida para aquellas aplicaciones que demanden altas prestaciones en términos de precisión.

·         Muy buena relación calidad precio: Siempre hay excepciones y matices, pero en términos generales los encoders ópticos son más económicos que por ejemplo los encoders magnéticos.

 

Desventajas de un encoder optico

La principal desventaja es que no es la tecnología más apropiada para aplicaciones con altas exigencias en cuanto a condiciones de trabajo (altas temperaturas, vibraciones, suciedad, humedad…). En estos casos los encoders magnéticos son los más indicados.

Puedes repasar aquí todos los tipos de encoders según la tecnología de detección.

FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA DE LOS ENCODERS ÓPTICOS

Los encoders ópticos se componen de un LED emisor de luz y un fotosensor que se sitúan a un lado y otro de una banda codificada. Esta codificación consiste en una combinación de ranuras transparentes y opacas siguiendo un patrón codificado permite a la controladora conocer la posición del encoder en cada punto de su recorrido. En términos generales cuantas más ranuras tenga el encoder mayor resolución tendrá.

A continuación, repasaremos las principales partes que componen un encoder magnéticos que puede ser lineal o rotativo. El funcionamiento de uno y otro es análogo por eso vamos a basarnos en un modelo rotativo e incremental ya visualmente, son más representativo:

Estructura básica de un encoder óptico

Emisor de luz LED

Los emisores de luz LED (Light-Emitting Diode) generalmente son emisores de luz infrarroja, aunque para algunas aplicaciones se requieren LEDs con longitudes de onda más corta o incluso LEDs láser.

Banda codificada

La banda codificada puede tener forma lineal (tira codificada) o circular (disco codificado) dependiendo si el encoder es lineal o rotativo.

El disco codificado gira de forma concéntrica arrastrado por el eje de giro del encoder. Este disco cuenta con una serie de ranuras trasparentes y opacas que permiten o impiden el paso de la luz desde el LED hasta el fotosensor. Estos discos codificados pueden ser fabricados en distintos materiales según distintas características y calidades:

  • Metálicos: son más robustos y habitualmente son utilizados en encoders enfocados al sector industrial. Permiten altas temperaturas, vibraciones y velocidades.
  • Cristal: permiten una mayor precisión y son utilizados en encoders que requieren una alta resolución. Son ideales también para aplicaciones sometidas a altas temperaturas.
  • Resina: Son más económicos, aunque menos robustos. Se suelen utilizar para aplicaciones donde las condiciones ambientales son favorables y por lo tanto son habituales en los productos de gran consumo. El Mylar es uno de los materiales más utilizados para este tipo de encoders.

Máscara

La máscara es un elemento que se utiliza en los encoder ópticos para mejorar la estabilidad de la señal. A medida que aumenta la resolución aumenta también la complejidad de los encoders: mayor número de canales, más fotosensores, más bandas codificadas y más ranuras transparentes y opacas en un espacio reducido. Por este motivo es necesario el uso de una máscara que permita concentrar el haz de luz emitido por el LED para direccionarlo al fotosensor adecuado y al mismo tiempo aislarlo del otros fotosensores que por proximidad podrían malinterpretar las señales. 

Máscara encoder optico rotativo
Concepto de máscara en un encoder óptico, rotativo

Fotosensor

El fotosensor de un encoder óptico se encarga de convertir las señales luminosas que recibe en un tren pulsos eléctricos que posteriormente se procesan para poder obtener información (posición, velocidad, dirección…) sobre el movimiento de la aplicación.  Un encoder puede tener uno o varios fotosensores dependiendo de numero de canales que disponga. 

Diferencia constructiva entre encoders ópticos lineales y ópticos rotativos

Constructivamente, los encoders lineales son análogos a los rotativos que acabamos de repasar. La principal diferencia es que en los modelos lineales el emisor LED y el fotosensor son la parte móvil mientras que la tira codificada es fija. En los modelos rotativos es al revés, el disco codificado se mueve y emisor y sensor permanecen estáticos.

COMO ELEGIR EL ENCODER ÓPTICO IDEAL

Ya sabemos qué es y cómo funciona un encoder óptico. Ahora vamos a repasar todos los aspectos que hay que tener en cuenta para elegir un encoder óptico apropiado para cada aplicación.

Movimiento lineal o rotativo

En realidad antes incluso de decidir si necesitamos un encoder óptico, tendríamos que tener claro si elegiremos un encoder lineal o uno rotativo. Normalmente esta decisión dependerá del tipo de movimiento que queramos controlar en nuestra máquina. En la medida de lo posible intentaremos siempre utilizar un encoder rotativo ya te permiten mayor rango de movimiento que los lineales que están limitados por su carrera. Incluso si el movimiento que queramos controlar es lineal, es posible utilizar encoders rotativos ya que a veces los elementos lineales implican elementos de trasmisión rotativos como husillos, reductores, poleas, engranajes…  

Encoder óptico: ¿incremental o absoluto?

Éste tal vez sea el criterio que más confusión genera a diseñadores e ingenieros, sin embargo también es uno de los más importantes. Veamos cuales son las diferencias:

  • Absolutos: Los encoders absolutos, independientemente de la tecnología de detección que sea (ópticos, magnéticos…) son capaces de conocer en todo momento la posición en la que se encuentran, incluso cuando acabamos de conectarlos. Es decir, no es necesario marcar un cero de referencia como si ocurre en los incrementales. Esto es una ventaja considerable sobre todo en aplicaciones sin intervención humana o que pueden estar sometidos a interrupciones de corriente. Los encoders absolutos generan un código único para cada posición. Esto significa que si el encoder tiene una resolución de 8 bits, tendrá `2^8=256` posiciones únicas y consecuentemente 256 códigos distintos, uno para cada posición.  
  • Incrementales: Los encoders incrementales son más sencillos que los absolutos pero tienen más limitaciones. Su funcionamiento se basa en contar pulsos, y calcular el desplazamiento a partir del número de pulsos que haya contado. Cada pulso es una fracción de mm o de grado dependiendo si el encoder es lineal o rotativo. En realidad un encoder incremental no conoce su posición, simplemente sabe cuantos «pulsos» se ha desplazado con respecto a la referencia y por eso puede llegar a «calcular» la posición en la que se encuentra. 
Disco de encoder óptico incremental vs absoluto
Disco codificado de un encoder incremental y otro absoluto

Resolución de los encoders ópticos

Para dimensionar correctamente un encoder es necesario evaluar la aplicación y determinar cuanta precisión necesitamos para elegir un encoder con una resolución acorde a las necesidades reales. Un ejemplo de mal dimensionado sería elegir un encoder de alta resolución para máquinas que integran componentes o elementos de trasmisión con holguras mucho más grandes que la precisión del encoder.

Cuando hablamos de encoders absolutos la precisión se mide en bits, cuando tratamos encoders incrementales la precisión se mide en pulsos por revolución (PPR) si el encoder es rotativo o en pulsos por unidad de longitud si el encoder es lineal.

Los encoders ópticos tienen la ventaja de ser capaces de alcanzar altas resoluciones a precios más competitivos que los encoders mágneticos.

ENCODERS DE ALTA Y BAJA RESOLUCION
Disco codificado de un modelo de baja y otro de alta resolucíon

Otras caracteristicas a considerar

Por experiencia sabemos que elegir un encoder puede llegar a ser complicado ya que el mercado nos ofrece muchas opciones. Acabamos de repasar los criterios más destacables pero hay otros muchos que no se deben pasar por alto y que también vamos explicar brevemente:

  • Integración con el resto de componentes: Cada proyecto es distinto, a veces los ingenieros y diseñadores tienen flexibilidad para diseñar y modificar elementos y otras están limitados y se tienen que adaptar a componentes ya definidos. Por eso hay muchas opciones de integración del encoder tanto rotativos (eje hueco, eje macho con chaveta, con estriado…), como lineales.
  • Materiales constructivos: Los distintos fabricantes nos ofrecen muchas alternativas. Los materiales más habituales son el acero inoxidable, el aluminio, y algunos polímeros o plásticos.
  • Velocidad del movimiento. Si nuestra aplicación precisa controlar movimientos a altas velocidades tendremos que asegurarnos que el encoder soporta esas velocidades. 
  • Carrera y número de vueltas: Es fundamental conocer el rango de movimiento que queremos abarcar. Si el encoder es de giro, necesitaremos conocer el ángulo o número máximo de vueltas que nuestro encoder tiene que ser capaz de controlar. Si el encoder es lineal necesitaremos definir la carrera del mismo.
  • Protocolo de comunicación: Una vez más el mercado nos ofrece muchas opciones y una vez más tenemos que conocer el resto de nuestra aplicación para elegir el protocolo de comunicación que mejor se ajuste a ella. La tendencia es el bus de campo, estos son algunos ejemplos: DiveceNet, Interbus, ProfiBus, CAN Open…
  • Estanqueidad del encoder (grado de protección IP): Hay aplicaciones que por distintos motivos (humedad, ambientes sucios, polvorientos,…) necesitan garantizar cierta capacidad de estanqueidad de los componentes que integran dicha aplicación. En estos casos hay que tener en cuenta el grado de protección IP (IP50, IP64, IP67…)
  • Certificados: Algo parecido ocurre con algunas aplicaciones que necesitan cumplir con una serie de requisitos (de calidad, de seguridad ,de compatibilidad, de robustez, de vida útil…). Para asegurar el cumplimiento estos requisitos existen los certificados, algunos de ellos son Atex, DIN 61508, ISO 13849, IEC 61580, SIL3…
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