Dentro de de la gama de sensores digitales encontramos lo codificadores de posición, estos comprenden a aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica, su importancia subyace en la demanda de medición de posiciones lineales y angulares para sistemas de control en la industria. Dentro de este tipo de sensores encontramos un subgrupo denominados codificadores incrementales, aunque son considerados de tipo "casidigital".
Ahora bien, ahondaremos un poco más dentro de este grupo de sensores, antes de entrar en detalles con los codificadores incrementales con detector óptico.
Codificador de posición incremental.- Este codificador debe estar unido conjuntamente al elemento cuya posición se desea medir, este se puede verificar en la Fig.1, donde se verifican los principios de los codificadores de posición incrementales para posiciones lineales y angulares. Un sensor de este tipo consta de una regla lineal o en un disco, el cual es movido por la parte cuya posición o velocidad va a ser determinada. Este elemento incluye dos tipos de regiones o sectores. Los sectores son ordenados de una manera alternada y equidistante; si esta propiedad cambiante es sensada por un dispositivo de lectura se obtiene un cambio de salida ante un incremento en posición.
Fig. 1. Principio de los codificadores de posición incrementales para posiciones lineales y angulares
Por otro lado a pesar de la simplicidad y economía de este tipo de sensores, es importante señalar una serie inconvenientes que estos dispositivos presentan. Esta serie de inconvenientes se exponen a continuación,
· Pérdida de información sobre la posición cuando falla la alimentación del sistema.
· Pérdida de información ante la presencia de interferencias fuertes.
· Requerimiento de electrónica especial, como contadores bidireccionales, para acondicionarlos a los elementos de análisis.
· No detecta el sentido de avance si no se dispone de elementos adicionales como otra pista codificada, circuitos electrónicos y otra bobina sensora que dé una señal desfasada 90° respecto a la anterior y un detector de fase que dará una indicación del sentido de giro. Para circuitos ópticos y de contacto se añade una línea de sectores codificados que esté ligeramente desfasada con respecto a la primera y un elemento de lectura adicional.
Los codificadores incrementales pueden ser del tipo magnético, eléctrico u óptico y su salida puede ser en forma de tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.
Ahora bien, una vez conocidos los principios de los codificadores incrementales, conoceremos los codificadores incrementales con detector óptico. Funcionamiento, construcción, fabricantes.
Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no reflectores, o en franjas de interferencia. en cualquier caso, en el cabezal de lectura fijo hay simpre una fuente de luz, normalmente un LED infrarrojo, y un fotodetector (LDR, célula fotoeléctrica o fototransistor).
Los problemas asociados son relativos a la influencia del polvo ambiental y humo, a la degradación temporal y térmica de las características de los elementos optoelectrónicos y al efecto de las vibraciones sobre los posibles sistemas de enfoques.
Cuando se emplean sectores opacos y transparentes, cromo sobre vidrio, metal ranurado, etc. como se observa en la Fig. 2, el emisor y el detector deben situarse uno a cada lado del elemento móvil. En cambio, cuando se emplean sectores reflectores y no reflectores, por ejemplo acero pulido con surcos grabados en su superficie (Fig. 3), el emisor y el detector deben estar del mismo lado. Los discos de vidrio son más estables, rígidos, duros y planos que los metálicos, pero tienen menor resistencia a los choques y vibraciones.
Fig. 2. Codificador integral óptico con sectores opacos.
Fig. 3. Codificador integral óptico con zonas reflectoras y no reflectoras.
Los codificadores de franjas de interferencia están basados en las figuras de Moiré. Para producirlas mediante un movimiento lineal se puede emplear una regla fija y otra móvil que tenga una serie de rayas inclinadas una respecto a la otra (Fig. 4). Si la inclinación α es tal que α= p/d, cuando hay un desplazamiento relativo de recorrido p (paso entre líneas) se produce un desplazamiento vertical d de una franja oscura horizontal. Si la inclinación es n veces mayor, aparecen n franjas oscuras horizontales.
Fig.4. Codificador incremental óptico basado en franjas de interferencia (figuras de Moiré). La franja oscura horizontal se desplaza en dirección vertical al deslizar la regla móvil.
Si se trata de un movimiento giratorio, para obtener franjas de interferencia se pueden emplear dos discos superpuestos, uno fijo y otro móvil, que tengan uno N rayas en dirección radial y el otro N+1. También se obtienen franjas de interferencia si en ambos hay N rayas pero están descentrados, o bien N rayas con distinta inclinación. Si se disponen un emisor y un detector de luz, este detecta una señal casi senoidal con N ciclos por vuelta si se trata de un codificador angular.
La resolución obtenida con los codificadores increméntales angulares es del orden de 100 a 6000 cuentas/vuelta, que se puede aumentar fácilmente en un factor de 100 en el caso de que el detector ofrezca varias salidas senoidales desfasadas, entonces es posible interpolar entre máximos sucesivos.
Los diámetros van de 25 a 90mm. La vida de los modelos sin contacto es de hasta 2 millones de vueltas. Los codificadores increméntales lineales se emplean para medir posiciones con una resolución de hasta 400 líneas/mm y una exactitud de 50 a 100x10-6. Se aplican para situar los cabezales de lectura en discos magnéticos y unidades de cinta magnética de bajo costo, las herramientas en máquinas-herramienta y las plumillas en máquinas de dibujo; para controlar el avance del papel en impresoras, fotocopiadoras, y máquinas de facsímil; y en metrología dimensional. Los modelos angulares pequeños, denominados generadores rotativos de impulsos, sustituyen a los potenciómetros de control usados en los paneles de los instrumentos electrónicos, los cuales ofrecen una vida útil unas 10 veces mayor.
Para poder determinar el sentido de avance es necesario añadir otro elemento de lectura y, a veces, otra pista codificada, junto con circuitos electrónicos adecuados. En los codificadores ópticos, se añade una línea de sectores codificados que esté ligeramente desfasada respecto de la primera y con su elemento de lectura correspondiente. En los codificadores de franjas de interferencia y en los ópticos de alta resolución se emplean dos conjuntos ópticos que den salidas a 90º uno de otro, y a veces otros dos conjuntos a 180º de los anteriores, estos últimos para aumentar aún más la resolución.
Fig. 5 Disposición de una rejilla fija para delimitar el campo forodetector, ampliando así la resolución.
Los codificadores que ofrecen mayor resolución son los ópticos. Dado que en estos viene limitada por el tamaño del fotodetector, una forma de aumentar la resolución consiste en disponer una o varias rejillas fijas entre el elemento móvil y el detector, que tengan zonas opacas y transparentes con el mismo paso (apertura) que el elemento codificado (Fig. 5). De este modo el detector recibirá el máximo de luz cuando todas las rejillas y el elemento codificado móvil estén perfectamente alineados. Conforme este último se desplace de dicha posición, la luz recibida irá decreciendo hasta alcanzar un mínimo. El fotodetector promedia la señal de más de una rendija, con lo que compensa posibles desigualdades en éstas. Al disponer de una señal continua entre máximos, es posible interpolar.
A continuación se muestran los fabricantes de codificadores incrementales ópticos más importantes más importantes.
