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Encoder sind eine Gruppe von Geräten, die für die präzise Messung von Drehbewegungen verwendet werden. Das Prinzip von Encodern besteht darin, die gemessene Drehbewegung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, um die Anzahl der Umdrehungen, die Verschiebung und die Winkelposition zu bestimmen.
Grundlegende Informationen über Encoder
Encodersind kleine Geräte, die präzise Informationen über die Winkelverbindung eines in Bewegung befindlichen Objekts (z.B. einer Welle) sowie über die Drehrichtung und den Abstand zwischen dem Encoder und dem sich bewegenden Bauteil liefern. Das Prinzip optischer Encoder basiert auf der Nutzung des photoelektrischen Phänomens. Ausgewählte Encoder sind mit einer rotierenden Scheibe mit gekerbten Schlitzen ausgestattet. Im Gegensatz dazu haben andere Modelle ein transparentes Zifferblatt und aufgedruckte Blenden. Auf einer Seite des Zifferblatts befindet sich eine Lichtquelle. Die häufigste ist eine energiesparende LED. Auf der gegenüberliegenden Seite ist ein lichtempfindliches Element (z.B. eine Fotodiode) angebracht. Wenn die Scheibe zu rotieren beginnt, erreicht das emittierte Licht in Form von Impulsen den lichtempfindlichen Teil.
Auf diese Weise wird eine Impulsspannung erzeugt. Andere Arten von Encodern verwenden andere Technologien, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, z.B. resistive, magnetische und mechanische.
Ausgewählte Arten von Encodern
Es gibt verschiedene Arten von Encodern, die sich unter anderem in ihrer Funktionsweise und Anwendung unterscheiden. Neben den bereits beschriebenen optischen Encodern gibt es auch magnetische Modelle, die durch Ausnutzung magnetischer Phänomene lineare oder rotatorische Bewegungen genau messen können. Geräte dieser Art bestehen unter anderem aus einer magnetischen Drehscheibe und einem Sensor, dessen Hauptaufgabe darin besteht, auf ein wechselndes Magnetfeld zu reagieren. Zu den Anwendungen des magnetischen Encoders gehört unter anderem die industrielle Automatisierung (präzise Positionsüberwachung von Wellen und anderen rotierenden Bauteilen). Darüber hinaus werden sie in der Robotik, im Transportwesen und sogar in der Medizin eingesetzt.
Ein resistiver Encoder hingegen nutzt Widerstandsänderungen, um Ausgangssignale zu erzeugen, die auf mechanischen Bewegungen basieren. Geräte dieser Art bestehen unter anderem aus einer Widerstandsbahn mit variablem Widerstand, einem Schieber und Klemmen, an die Leitungen angeschlossen werden.
Wie funktioniert ein resistiver Encoder? Wenn sich der Schieber entlang der Widerstandsbahn bewegt, ändert sich der Widerstand zwischen einem der Anschlüsse und dem Schieber. Die Änderung des Widerstands ist proportional zur aktuellen Position des Schiebereglers. Das erzeugte (elektrische) Ausgangssignal ist proportional zur Änderung des Widerstands. Zu den Anwendungen für resistive Encoder gehören Potentiometer, Positionssensoren, Steuerungen und Joysticks.
Was sind mechanische Encoder und wie funktionieren sie?
MechanischeEncoder verwenden physischen Kontakt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Mit anderen Worten: Sie wandeln eine Drehbewegung in ein elektrisches Signal um. Der Aufbau eines mechanischen Encoders umfasst u. a. eine Scheibe mit Spuren oder Sektoren mit unterschiedlichen Leiteigenschaften, Schleifkontakte und eine Welle. Das Funktionsprinzip dieses Gerätetyps besteht darin, die Schleifkontakte entlang der Codescheibe zu bewegen. Je nach Position der Kontakte auf dem Zifferblatt ist der Stromkreis unterbrochen oder geschlossen. Auf diese Weise wird das entsprechende elektrische Signal erzeugt.
Zu den Anwendungen mechanischer Drehgeber gehören unter anderem Positionierungssysteme und Uhren. Geräte dieser Art weisen gewisse Einschränkungen auf, z. B. aufgrund der Abnutzung der Kontaktelemente und möglicher Störungen, z. B. durch Staub.
Was ist ein absoluter Encoder und wofür wird er verwendet?
Ein Absolut-Encoder ist ein spezieller Typ eines digitalen Winkelmessers. Dieses Gerät liefert präzise Informationen über den Drehwinkel eines sich bewegenden Bauteils, ausgehend von einer festen Position zu einem bestimmten Zeitpunkt. Der Absolut-Encoder, genauer gesagt seine Auflösung, überschreitet in der Regel nicht 25 Bit. Außerdem kann in solchen Konvertern der zyklische Gray-Code verwendet werden. Aufgrund seiner Eigenschaften und seiner Fähigkeit, den Drehwinkel auch dann anzuzeigen, wenn die Stromversorgung unterbrochen ist, wird der Encoder unter anderem in der industriellen Automatisierung und in CNC-Maschinen eingesetzt.
Darüber hinaus werden sie in Industrierobotern und anderen Geräten eingesetzt, bei denen die präzise Positionierung beweglicher Teile entscheidend ist. Der Absolut-Encoder wird auch in medizinischen Anwendungen wie CT-Scannern und chirurgischen Robotern eingesetzt, wo er für die präzise Positionierung zuständig ist. Im Transportwesen hingegen werden solche Geräte verwendet, um die Position der Räder von Zügen und Autos zu überwachen. Die nächste Branche ist die Energieerzeugung, wo der Encoder unter anderem zur Überwachung der Leistung von Windturbinenflügeln eingesetzt wird.
Absoluter Encoder - zusätzliche Informationen
Woher kommt der Name Absolut-Encoder? Geräte dieses Typs wandeln die aktuelle Position in digitale Werte um. Sie verwenden dazu Gray-Code, BCD oder Binärcode. Jede Encoderposition ist ein eindeutiger Wert in digitaler Form. Daher kommt auch der Name Absolutwertgeber.
Die gängigste Kommunikationsschnittstelle ist SSI, die synchrone serielle Schnittstelle. Das Prinzip dieser Schnittstelle besteht darin, digitale Informationen eins-zu-eins direkt auf den Datenbus zu übertragen, d.h. ein Bit nach dem anderen, synchronisiert mit dem sogenannten Takteingang.
Ausgewählte Modelle von Absolutwertgebern lassen sich problemlos an Mikrocontroller (z.B. die beliebte Arduino-Serie) und Minicomputer (z.B. Raspberry Pi) anschließen. Sie benötigen meist eine Stromversorgung im Bereich von 3,3 V bis 5 V.
Bei absoluten Drehgebern wird zwischen Single- und Multi-Turn-Geräten unterschieden. Bei Modellen mit einer Umdrehung ergibt eine Drehung der Welle um 360° den gleichen digitalen Wert wie der Anfangswert. Der absolute Multiturn-Drehgeber ist mit einem Zahnradsystem ausgestattet, das einen eindeutigen digitalen Wert liefert. Modelle, die in der Lage sind, mehr als eine Anzahl von Umdrehungen genau zu erkennen, zeichnen sich durch ihre höhere Gesamtauflösung aus. Dieser Wert ist das Produkt aus der Anzahl der Positionen pro Umdrehung und der Anzahl der Umdrehungen.
