Optisch of inductief, that’s the question

Veel machines in het veld hebben een ingebouwde encoder om bewegingen te registreren en te reguleren. Zo’n sensor zit vaak op de motor. Dat geeft een aardig beeld, maar de meting zegt helaas niet altijd genoeg over de werkelijke positienauwkeurigheid. Er zitten immers allerlei overbrengingen tussen de motor en de eindapplicatie, elk met zijn eigen afwijking en tolerantie. Omdat systemen steeds nauwkeuriger en sneller moeten werken, is het noodzakelijk om dichter bij het daadwerkelijke proces te meten. In het verleden waren optische encoders vaak te duur en inductieve sensoren te groot. Tegenwoordig zijn er echter lichte en compacte encoders op de markt die prima geschikt zijn in snel bewegende applicaties.

Hoe kies je in de overvloed van catalogi en websites de beste encoder voor jouw applicatie? Accountmanager Sean Ram van Sentech krijgt de vraag vaak. ‘Het eerste dat ik doe, is achterhalen om welk type klant het gaat’, vertelt hij. ‘Is het een bedrijf dat gewend is om zijn systeem met toleranties van een tiende of een honderdste millimeter te bouwen, of is een millimeter een uitdaging? En waartoe zijn ze in staat qua eindassemblage? Verder wil ik weten om wat voor apparaat en toepassingsgebied het gaat. In een landbouwmachine heeft een klant echt geen supernauwkeurige encoder nodig.’

De volgende stap is de vraag wat een klant eigenlijk met de meting wil bereiken. Is het bijvoorbeeld een terugkoppeling voor een motor om een precieze positionering te kunnen doen? Daaruit volgen automatisch de specificaties voor de resolutie, nauwkeurigheid, herhaalnauwkeurigheid en snelheid. Resolutie is de kleinste stap die een meetsysteem kan weergeven. De nauwkeurigheid vertelt hoe ver de meting afwijkt van de daadwerkelijke verplaatsing. En herhaalnauwkeurigheid is een statistische maat die beschrijft hoe groot de spreiding van de meting is.

‘Het is vaak makkelijk om het allerbeste te vragen’, merkt Ram regelmatig, ‘maar heb je dat ook echt nodig? En ben je bereid daarvoor te betalen? Hoe en waar we welke encoder plaatsen, is een onderdeel van de totale systeemnauwkeurigheid. Je kunt een groot gedeelte van de complexiteit in de sensor oplossen, maar dat kan grote gevolgen hebben voor de beschikbare technologieën met de bijbehorende prestaties en prijs. Samen met de klant zoeken we naar een optimum in ontwerp, dus prestaties tegenover integratieprijs.’

Encoder-op-chip

Voordat we ingaan op de keuze tussen een optische of een inductieve encoder, eerst even wat over de achterliggende technologie. Incrementele encoders werken op basis van een liniaal. In het geval van een optische encoder is dat bijvoorbeeld een glazen staafje met chroomsporen erop, of een aluminium strip met geëtste lijntjes. De sensor telt simpelweg op of af als de encoder over de liniaal beweegt. De nauwkeurigheid hangt nauw samen met de kwaliteit van de liniaal. ‘Hoe preciezer je de streepjes zet, hoe nauwkeuriger het systeem is’, verduidelijkt Ram. ‘MicroE, het merk dat wij veel gebruiken voor optische encoders, levert linialen waarbij de streepjes over een afstand van een meter slechts een micrometer uit de pas lopen.’

Een inductieve encoder bestaat uit een configuratie van spoeltjes. De grootste – met een diameter van twee millimeter – genereert een hoogfrequent magneetveld onder de sensor. Dat veld induceert een spanning in de ontvangstspoelen. Een koperen spoortje op de liniaal moduleert het veld, wat direct wordt gedetecteerd doordat de ontvangstspoelen een andere spanning afgeven.

Een inductieve encoder kan bestaan uit draadgewonden spoelen of uit vlakke spoelen in een meerlaagse printplaat of in een siliciumchip. Sentech kiest vaak voor de inductieve encoders van het Zwitserse Posic. Als spinoff van de Swiss Center for Electronics and Microtechnology heeft dat bedrijf gekozen voor die laatste optie. ‘Daardoor zit alles in één behuizing en meet de encoderchip slechts acht bij zeven bij één millimeter. Er zijn maar weinig leveranciers die zo compact kunnen gaan’, zegt Sietse Wouters, marketing- en salesmanager bij Posic. ‘Dat maakt dat de encoders van Posic goed kunnen worden ingebouwd in veel applicaties. Omdat we alles extreem geminiaturiseerd hebben, werkt ons systeem met hoogfrequente magneetvelden. Dat levert een beter resultaat op.’

Posic heeft twee paar ontvangstspoelen in zijn chip geïntegreerd. Per spoelenpaar wordt differentieel gemeten, waardoor eventuele stoorsignalen sterk worden onderdrukt. ‘Het ene spoelenpaar genereert een sinusvormig signaal wanneer de liniaal langs de encoder beweegt’, legt Wouters uit. ‘En het tweede spoelenpaar – dat iets verschoven is ten opzichte van het eerste – genereert een cosinus. Uit die twee signalen berekenen we de exacte positie van de encoder ten opzichte van de liniaal.’

Ondersteboven

Door de bank genomen, hebben optische encoders de hoogste nauwkeurigheden en resoluties. MicroE haalt bijvoorbeeld een resolutie van 1,2 nanometer. Uiteraard hangt daar een prijskaartje aan. Inductieve encoders zijn beduidend goedkoper. ‘Als je een goed gedefinieerde omgeving met strakke toleranties creëert, kun je met Posic een resolutie tot wel vijftig nanometer behalen’, gaat Ram verder. ‘Mijn ervaring is dat een halve tot een kwart micrometer relatief eenvoudig haalbaar is. Als een hogere resolutie of nauwkeurigheid nodig is, zou ik eerder wat extra moeite doen om te kijken of we een optische of high-end magnetische encoder in die applicatie werkend kunnen krijgen.’

Inductieve sensoren hebben een aantal eigenschappen waar optische encoders niet aan kunnen tippen. Een van de belangrijkste is dat inductieve encoders niet of nauwelijks last hebben van vervuiling. Al ligt de liniaal vol met stof, smeer of vocht, de sensor detecteert de spoortjes probleemloos. ‘Dat kun je van een optische encoder zeker niet zeggen. Een smerige vingerafdruk kan voor een foutieve meting zorgen’, aldus Ram. ‘In de halfgeleiderwereld is dat niet zo’n probleem omdat daar alles in een gecontroleerde omgeving wordt geassembleerd en gebruikt, maar in normale productiemachines kan dat roet in het eten gooien. In die omgevingen hoopt het stof zich in de loop van weken of maanden op, waardoor je het optische systeem regelmatig moet poetsen.’

Als je in een vuile omgeving werkt, en de nauwkeurigheid toch echt vereist is, valt er soms wel een mouw aan te passen. ‘Afscherming kan helpen, of de liniaal ondersteboven monteren zodat er geen vuil op blijft liggen’, zegt Ram. ‘We hebben de liniaal en de sensor weleens in een koker ingebed die we op overdruk hielden. Daar lekte gecontroleerd lucht uit, zodat er geen stof bij kon. Het tekent de creativiteit die soms nodig is om de beste oplossing voor de klant te vinden.’

Daarnaast gebruikt Sentech een derde encodertype op basis van zeer nauwkeurige magneetbanden. Qua nauwkeurigheid zitten die sensoren tussen hun neefjes in. Ze zijn nauwkeuriger dan inductieve encoders, maar erg gevoelig voor magneetvelden.

In vacuüm

In schone omgevingen waar superhoge nauwkeurigheid vereist is, zijn optische encoders waarschijnlijk de juiste keuze. Voeren kosten, ruimte en vuil de boventoon, en hoeft het niet tot op de nanometer precies, dan zijn inductieve encoders een geschikte kandidaat. ‘In situaties waar ze allebei passen – schone omgevingen zonder hoge nauwkeurigheidseisen – moet je goed kijken naar de systeemeisen van de klant. Over het algemeen gaan we dan voor inductieve encoders. Waarom meer betalen dan nodig is?’, zegt Ram. ‘Beide technieken werken contactloos, dus er is geen slijtage en daarmee weinig verschil in levensduur. De inductieve encoders zijn wel bestand tegen temperaturen tot 125 graden Celsius. Dat is vrij uniek. Meestal houdt het wel op bij een graad of zeventig. Hogere temperaturen zijn namelijk funest voor de levensduur van optische halfgeleiders.’

Ook voor vacuüm komen beide encodervarianten in aanmerking. Ze genereren allebei weinig warmte, dus het typische dissipatieprobleem in vacuüm speelt geen rol van betekenis. Waar optische encoders een lange staat van dienst hebben in vacuümapplicaties in de halfgeleiderindustrie, worden inductieve systemen al gebruikt in de ruimtevaartindustrie. ‘Door samen als specialisten naar het vraagstuk te kijken, komen we tot de meest geschikte oplossing’, besluit Ram.