automação industrial encoders ópticos rotativos

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Automação Industrial: Codificadores Ópticos Rotativos – Optical Rotary Encoders

03-05-2023 Por : Luís Timóteo 1

Codificadores Rotativos Ópticos

Não concordo com o acordo ortográfico

Optical Rotary Encoders

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Automação

Um dos primeiros sistemas automáticos que se conhece…Sistema automático de abertura dos portões Heron em Alexandria (10-70 DC).

http://www.mlahanas.de/Greeks/HeronAlexandria-Dateien/heron_ani.gif

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AutomaçãoSubstituir o homem em tarefas de máquinas.

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Sensor: Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal. Normalmente, os sensores são aqueles que respondem com um sinal eléctricos um estímulo ou um sinal.

Transdutor: Um transdutor por sua vez é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra não necessariamente em um sinal eléctrico.

Circuito condicionador de sinaisMuitas vezes um sensor é composto de um transdutor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal eléctrico ou electrónico.

Actuador: converte um sinal eléctrico numa ‘saída’ física.

Termos

Controle: Ramo do conhecimento que estuda maneiras sistemáticas de descrever sistemas e de sintetizar acções tais que esses sistemas se comportem de maneira previamente determinada.

Fonte: Enciclopédia da Automática

Automação: Sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção, da redução dos custos e de uma maior flexibilidade.

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Actuadores: dispositivos que modificam a variável controlada. Actuam sobre uma grandeza física do processo, atendendo a comandos que podem ser manuais ou automáticos. Válvulas, cilindros, relés, motores, solenoides…

Sensores: dispositivos sensíveis a alguma forma de energia, relacionada com uma grandeza que se pretende medir.Energia luminosa, térmica, cinética…Intensidade luminosa, temperatura, pressão, velocidade…

Sensores vs Actuadores.....

Controlador: componente que une o resultado da leitura dos elementos sensores com os objectivos de controlo e manipula os elementos actuadores, implementando alguma lógica de controlo.

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Sinais Analógicos vs Sinais digitais

Sinais: Sistema analógico: é um tipo de sinal contínuo que varia em função do tempo.

- O mundo é composto por fenómenos analógicos.

Sistema digital: é um sinal com valores discretos (descontínuos) no tempo.O que fazemos é representar os fenómenos analógicos de forma digital.

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Controlo Manual

Entrada de Vapor

Entrada de Água fria

Saída de Água quente

Correcção

Comparação

Medição

Processo: dispositivo ou uma transformação que se deseja controlar.

Controlar um processo significa actuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objectivo.

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Controlo dinâmico vs controlo lógico.O controlo dinâmico procura estabelecer o comportamento estático e dinâmico

dos sistemas físicos, tornando-os mais obedientes aos operadores e mais imunes as perturbações dentro de certos limites.

Utiliza medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, através de realimentação negativa (malha fechada), controlo preditivo, não linear, adaptativo, robusto…. Possui um incalculável poder tecnológico, permitindo o aperfeiçoamento de processos, aumento de velocidade e precisão. É característico da automação industrial de controle de processos (automação continua), sendo tradicionalmente empregado o controle do tipo P + I + D (proporcional + integral + derivativo), entre outras escolhas.

Referência Erro MedidoControlador Sistema

SensorMedida da saída

Saída do sistema

Variável de Processo

Valor desejado(para a Variável de Processo)

VariávelManipulada

Entradas doProcesso

Saídas doProcesso

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Controlo dinâmico vs controlo lógico.O Controlo lógico complementa os sistemas lógicos permitindo que eles

respondam a eventos externos ou internos de acordo com novas regras que são desejáveis de um ponto de vista utilitário. Utiliza sinais sempre discretos em amplitude, geralmente binários, e operações não lineares e se apresenta na forma de circuitos (eléctricos, hidráulicos, pneumáticos, etc. de redes lógicas combinatórias (sem memórias ou temporizações) cujos projectos são construídos com álgebra booleana (descreve, analisa e simplifica as redes com auxilio de Tabelas da Verdade e Diagramas de reles) ou em redes sequenciais (com memória, temporizadores e entrada de sinais em instantes aleatórios) cujo projecto utiliza a teoria dos autómatos finitos, redes de Petri, cadeias de Markov ou em simulações por computador.

Os dois tipos de controlo (dinâmico e lógico), são usados em proporções extremamente variáveis, conforme o processo, e misturam-se nos controladores lógicos programáveis (CLPs) e PCs. No entanto, as teorias do controle dinâmico e do controlo lógico desenvolvem-se independentes uma da outra. O controle dinâmico busca evitar a instabilidade do sistema, enquanto o controle lógico procura evitar o conflito ou a parada total da evoluído dos sinais.

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Controlo dinâmico vs controlo lógico.

Controlo lógico

Exemplo de aplicação: botões de segurança numa prensa de alavanca.

Controlo dinâmico

Circuito diagrama de enchimento automático de tanque.

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Sensor analógico vs Sensor digital

Sensor Analógico: Pode assumir qualquer valor, no seu sinal de saída, ao longo do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação.

Sensor Digital: Assume apenas 2 valores de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como 0 e 1.

Características Importantes dos sensoresSensibilidade.Exactidão.Precisão.Gama de valores.Velocidade de Resposta. Índice de protecção.

Custo.Calibração. Dimensões. etc.

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O que são?

Codificadores (Encoders) Rotativos

São apenas alguns dos nomes mais comuns para a função de medição do Encoder. Comum para todos os codificadores rotativos (também existem codificadores lineares), é que eles rodam e a sua saída é a informação sobre a rotação. Um Encoder ou Codificador Rotativo, é um sensor de posição angular de um veio.

Encoders: são apresentados sob diversas formas - e sob muitos nomes diferentes.Encoder incremental,Encoder Absoluto,Encoder Rotativo,Gerador de Impulsos Rotativo…

Ângulo Incremental.O ângulo total desde o ponto de índice.O número total de voltas.A velocidade instantânea.

Que informações acerca da rotação?A velocidade média.Aceleração angular.

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O que são? (Cont.)

Codificadores (Encoders) Rotativos

Ângulo incremental é a mudança desde a última medição.

Referência

AnteriorÚltima

Ângulo total desde o ponto de referência ( Índice ).Número de Voltas.

Contadas desde quando?Contadas em que direção?Movimento acumulado?Movimento em rede?

Tudo depende. Não há respostas óbvias para estas perguntas…

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O que são? (Cont.)

Codificadores (Encoders) Rotativos

A velocidade média, é a velocidade (em RPM, RPS, radianos / s ou impulsos / segundo), que se obtém quando se mede por um intervalo de tempo.

Isso depende. Em um carro que pode ser um minuto. Numa máquina de papel pode ser dez segundos. Depende da aplicação. Não há regras gerais. Ele pode ser até uma hora. Ou qualquer coisa, realmente.

Que Intervalo?

Velocidade instantânea: é a velocidade medida ao longo de um intervalo de tempo infinitamente curto.Matematicamente, a definição é: ω = lim dφ / dt (dt ... 0)

O problema é que: quando o tempo fica muito curto, não há impulsos para contar. Assim, o intervalo é geralmente muito mais do que zero. Geralmente dezenas de

milissegundos ou mesmo centenas de milissegundos.

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O que são? (Cont.)

Codificadores (Encoders) Rotativos

O problema com os tempos curtos, fica aqui ainda mais crítico. Isto porque o resultado é a diferença, entre as duas diferenças. Não se pode ter tempos muito curtos ou sua resolução vai-se. Solução: Mais PPR (ou técnicas recíprocas).

A aceleração: é a variação de velocidade entre duas medições.

α = lim dω / dt (dt ... 0)

φ é o símbolo de ângulo, graus ou radianos.ω é o símbolo de velocidade, RPM ou rad / s.α é o símbolo para a aceleração, rad/s2.

São utilizados alguns símbolos gregos. Estes são os símbolos mais comuns na Europa, e nos EUA. De notar que estes símbolos e unidades são utilizados para movimento de rotação. O movimento linear usa s, v e a para comprimento, velocidade, e aceleração.

O uso padrão é o seguinte:

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Porquê Encoders?

Codificadores (Encoders) Rotativos

Os Sistemas de accionamento têm propriedades diferentes. A maioria deles são menos do que o ideai, e necessitam de manter os codificadores a acompanhar a velocidade real dos mecanismos ( motores). Entre as “drives” elétricas AC, umas são assíncronas e outras síncronas, havendo também “drives” DC.

Todas as outras “drives” são mais ou menos imperfeitas. A tolerância de velocidade é em percentagens. É também dependente da carga...

A única “drive” que não precisa de um sensor de velocidade é a síncrona. Ele sempre fica “locado” á frequência actual da drive, que já é conhecida pelo o inversor.

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Porquê Encoders?

Codificadores (Encoders) Rotativos

O sensor de velocidade (encoder ou taco gerador) é necessário para dar o “feedback” da velocidade real para o controlador, que ajusta sua saída, para trazer o sistema para a velocidade ajustada (" velocidade de referência ").

Usando um bom codificador e um bom sistema de controlo, é possível atingir velocidades com tolerâncias abaixo de 0,01 por cento do valor final. Estática.

Contagem dinâmica também. Então precisamos de informações rapidamente. O feedback é necessário uma vez a cada 10 milissegundos, ou muitas vezes ainda mais rápido.

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Porquê Encoders?

Codificadores (Encoders) Rotativos

usos principais são:Medição pura para fins de vigilância ou de registo.

Como um elemento de feedback para melhorar o desempenho de um motor hidráulico, um motor AC ou DC, em conjugação com um controlador adequado.

ConclusãoOs Codificadores são necessários para medir a velocidade de rotação e / ou o

ângulo de rotação.

Os Codificadores (Encoders) são encontrados em todas as máquinas onde a velocidade é crítica e precisa ser controlada ou supervisionada.

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O que são Encoders?

Codificadores (Encoders) Rotativos

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Tipos de Encoders mais usuais

Rotativos

Incrementais

Magnéticos

Absolutos

Classificação de Encoders Rotativos

Ópticos

Resistivos

Sem veio

Magneto-Resistivos

O coração de um codificador é a maneira que ele fornece informações - que é o sistema do codificador. O sistema do codificador toma a informação da posição e de velocidade e, em seguida, fornece um sinal que é enviado para a aplicação. O tipo de sistema é classificado pelo método como a informação de controle é determinada. Existem duas categorias principais: Codificadores ópticos, e os codificadores magnéticos.

Com veio

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Os Sensores rotativos (Encoders), fornecem informações críticas (feedback), aos sistemas de controlo de accionamento do motor na actuação duma máquina CNC (fresa), em elevadores, etc,.. Em eixos rotativos:

Direcção. Rotação. Posição. Velocidade. Comutação.

Classificação de Encoders

Codificadores (Encoders) e Resolvers são os dois tipos mais populares de sensores rotativos. Muitas vezes os termos são usados como sinónimos, mas eles são muito diferentes!

Os Encoders são digitais por natureza, os Resolvers são analógicos. Encoders contêm parte electrónica enquanto Resolvers exigem uma interface R /

D externo. Excepção é codificador de fibra óptica que é passivo). Encoders podem ser internamente ópticos ou magnéticos, mas as opções de

saída são as mesmas (incremental, SSI, analógico, Fieldbus, etc). Potenciómetros são outro tipo de sensor rotativo, mas é pouco considerado

devido a preocupações de fiabilidade. RVDTs, e sistemas sincro, também são outra possibilidade.

CNC - Computer Numerical Control

SSI - Synchronous Serial Interface

R/D interface – Resolver/Digitar interface

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Tipos de Encoders RotativosCodificadores Mecânicos: Muito baixo custo, baixa resolução. Geram código de saída,

abrindo ou fechando um circuito (On/Off) . Na maioria das vezes utilizado como painel de controlo, como o volume de um rádio de carro.

Codificadores Ópticos: Baixo a alto custo, codificadores de baixa para alta resolução que geram código de saída através de luz de infravermelhos e fototransistor. É o tipo mais comum de codificador rotativo, sendo utilizados como painel controlo em aplicações de precisão ou construídos em dispositivos eletrónicos de controlo de movimento.

Codificadores Magnéticos: codificadores de resolução média, de custo médio alto custo, que geram o código de saída por detecção de alterações nos campos de fluxo magnético. A maioria das vezes é utilizado em ambientes adversos. Resistente a contaminantes no ar.

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Codificadores de fibra óptica: São codificadores de alto custo e de alta resolução que geram o código de saída usando um laser e fototransistor. Mais frequentemente são utilizados em aplicações à prova de explosão, onde existam gases extremamente inflamáveis.

Tipos de Encoders Rotativos (Cont.)

Codificadores capacitivos: São codificadores de baixo custo, de baixa a alta resolução, que geram o código de saída através da detecção de mudanças na sua capacitância, utilizando um sinal de referência de elevada frequência. são relativamente novos em comparação com os outros tipos de codificadores rotativos. A tecnologia tem sido usada há anos em paquímetros digitais e provou ser altamente confiável e precisa.

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Referência

Comparador

Controlador

Energia

Actuador

ProcessoSensor

Classificação do Encoders ópticos

Motor

DiscoRotativo

Motor DC

Cremalheira

Carreto

Linear

Um codificador óptico (encoder), é um dispositivo electromecânico usado para fornecer feedback de sinais para aplicações de controlo de movimento.

Variável a Medir

Erro

Interferência

VariávelManipulada

VariávelControlada

Feedback

• Sentido de rotação. • Posição. • Velocidade.

Estes sinais de feedback podem representar os seguintes tipos de informações sobre os mecanismos :

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Para controlo da posição, a melhor localização para o dispositivo de retorno (feedback), é na carga. Os erros de posição criados pelas engrenagens mecânicas e pelas variações ou deslizamento das cargas poderão assim ser eliminados.

Classificação do Encoders ópticos

Referência

Comparador

Controlador

Energia

Actuador

ProcessoSensor

Variável a Medir

Erro

Interferência

VariávelManipulada

VariávelControlada

Feedback

Codificador Reflectivo

Carga

Motion feedback

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En

code

rs

Encoders ópticos Rotativos

+5V

1Fonte de Luz

4Circuito

Condicionador de Sinais

2Sensor de luz

3 Disco Óptico

Basicamente os “Encoders” ópticos têm 4 elementos principais:Composição

Sensores e Transdutores ÓpticosPrincipal característica: Ausência de cabos metálicos e

outras ligações físicas entre transmissão e recepção de sinais.

Aplicações: contagem de peças, medição de velocidade, medição de deslocamento, sistemas de segurança, comunicação de dados entre muitos outros.

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A fonte de luz: é tipicamente um diodo emissor de luz (LED). Em vez de produzir uma luz visível para os seres humanos, transmite normalmente luz infravermelha (IR).

1

Sensor de luz: O sensor de luz é um fototransistor. Uma vez que o sensor é sensível á energia infravermelha emitida pela fonte de luz, a luz ambiente tem um efeito mínimo sobre o sensor.

2

Disco óptico: O disco é colocado entre a fonte de luz e o sensor. Ele está ligado ao veio a ser medido, de modo que o eixo e o disco rodam em conjunto.

3

Disco Codificado

Veio a medir

Fotosensor

Fonte LED

Área transparente

Área opaca

Encoders ópticos RotativosComposição e funcionamento

À medida que o disco é rodado, alternadamente a luz passa através das aberturas translúcidas ou é bloqueada pelas regiões opacas entre as ranhuras.

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Encoders ópticos RotativosComposição e funcionamento (Cont.)

+5V

Schmitt Trigger

R - de Carga

Fototransistor

O fototransistor está ligado a um circuito condicionador de sinais.

O circuito condicionador de sinais: consiste de uma resistência de carga e um schmitt trigger.

4

5V

0V

0V

0V

Com luz presente:Quando a luz passa através de uma ranhura do disco, ocorrem as seguintes condições:

O transistor é ligado. Uma vez que tem resistência mínima, a queda de tensão através do transistor está próximo de 0 volts.

O potencial de 0 volts no colector do transistor é alimentado para a entrada da báscula Schmitt, o que resulta num potencial de 0-volts na sua saída.

Aproximadamente os + 5 volts da fonte de alimentação caiem sobre o resistência de carga.

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Encoders ópticos RotativosComposição e funcionamento (Cont.)

+5V

Schmitt Trigger

R - de Carga

Fototransistor

5V

0V

0V

0V

Com luz bloqueada:Quando a luz é bloqueada pela área opaca entre as ranhuras, ocorrem as seguintes condições:

0V

5V

5V

5V

O transistor fica totalmente no corte. Uma vez que actua como uma resistência infinita, a queda de tensão através do transistor é perto de +5 volts.

O potencial de +5 volts no colector do transistor, é alimentada para a entrada da báscula Schmitt, o que resulta num potencial de +5 volts na sua saída.

Perto de 0 volts caiem sobre a resistência de carga, uma vez que não circula qualquer corrente por ela.

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Encoders ópticos RotativosComposição e funcionamento (Cont.)

+5V

Schmitt TriggerFototransistor

Schmitt Trigger:

A báscula Schmitt Trigger converte os impulsos do fototransistor em ondas quadradas exigidas pelos dispositivos de computação que recebem o sinal de ”feedback” , nos sistemas em anel fechado…

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Um disco ligado ao veio a ser medido, é colocado entre a luz fonte e um sensor.

Conjunto sensor de luz

Disco Codificado

Eixo a medir

Áreas opacas/transparentes

Fonte emissora de luz LED/IR

Como giram juntos, impulsos de luz do emissor, atingem o sensor de cada vez que uma ranhura no disco está alinhada com o feixe de luz. Cada impulso de luz é convertido num impulso electrónico pelo condicionador de sinais.

Há dois tipos de codificadores ópticos (Encoders):

Incremental e Absoluto.

Princípios de funcionamento Encoders ópticos Rotativos

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LED fonte de luz

Disco Code rotativo

Máscara estacionária

Célula Fotodetectora

Circuito Condicionador de sinais (PCB)

Célula Fotodetectora

LED fonte de luzMáscara estacionária

Disco Code rotativo

Encoders Ópticos RotativosPrincípios de funcionamento

Codificador Óptico Incremental

Codificador Óptico Absoluto

Os Codificadores absolutos são semelhantes aos Encoders incrementais com duas importantes excepções: cada posição de um dispositivo absoluto é única, e estes dispositivos não perdem a posição quando a alimentação é removida.

A maioria dos Encoders incrementais e absolutos usam técnicas semelhantes de escaneamento óptico. A luz emitida por um LED passa através de um disco rotativo e uma máscara estacionária, para produzir uma saída electrónica, a partir de um agrupamento de fotodiodos, de acordo com o padrão do disco. Os Encoders incrementais têm um conjunto de faixas para a contagem, e outra para a comutação opcional. O número de pares de áreas transparentes e opacas espaçadas igualmente em torno da borda do disco corresponde à resolução do codificador.

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1. Conjunto do eixo e rolamentos,2. Disco de impulsos (código),3. Fonte de luz – LED ou IR,4. Grelha diafragma,5. Circuito fotodiodo/codificação e Acond .sinais6. Conector.

Diagrama de um “Encoder” óptico

16

34

2 5

12

3 5 5

6

Disco incremental

Encoders ópticos Rotativos

4

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Também conhecido como codificador de quadratura ou codificador rotativo relativo, é o mais simples dos dois sensores ópticos de posição. A sua saída é uma série de impulsos de onda quadrada, gerada por uma célula fotoeléctrica, através do disco codificado, com linhas na sua superfície, espaçadas uniformemente, com transparência (ou reflectora),e escuro, chamadas segmentos, que se move ou roda frente a um feixe de luz.

O codificador produz um fluxo de impulsos de onda quadrada, que, quando contados, indica a posição angular do eixo de rotação.

Os Encoders incrementais têm duas saídas separadas chamadas "saídas de quadratura". Estas duas saídas estão deslocadas em 90 ° entre si, com o sentido de rotação do veio a ser determinado a partir da sequência de saída.

O número de segmentos transparentes e escuros (faixas ou ranhuras) no disco, determina a resolução do dispositivo, e aumentando o número de linhas do padrão aumenta a resolução por grau de rotação. Discos codificadores típicos têm uma resolução de até 256 impulsos ou 8-bits por rotação.

Encoders ópticosEncoder Incremental

O mais simples Encoder incremental é chamado de um tacómetro. Ele tem uma saída de onda quadrada e é frequentemente usado em aplicações unidireccionais em que só a posição básica relativa ou a informação da velocidade é necessária.

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Encoder IncrementalEncoders Ópticos Rotativos

Um disco ligado ao veio a ser medido, é colocado entre a luz fonte e um sensor.

Conjunto sensor de luz

Disco Codificado

Eixo a medir

Áreas opacas/transparentes

Fonte emissora de luz LED/IR

Como giram juntos, impulsos de luz do emissor, atingem o sensor de cada vez que uma ranhura no disco está alinhada com o feixe de luz. Cada impulso de luz é convertido num impulso electrónico pelo condicionador de sinais.

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Um disco de um “Encoder” incremental é mostrado na sua forma mais simples. As ranhuras (sectores) na sua pista são colocadas de forma muito precisa ao redor do exterior do disco.

Encoders ópticosEncoder Incremental

Uma vez que as ranhuras têm a separação de 1º, então, o disco ao rodar produzirá 360 impulsos por cada volta completa. Diz-se então que a resolução é de 1 impulso por grau. Quanto mais ranhuras, maior resolução.

O número de impulsos entrados num contador digital, determina o número de graus que o disco rodou.

Uma única ranhura, colocada na parte externa (ou interna) do disco, fornece um impulso de indexação que desempenha duas funções.

• Ela indica cada rotação completa. • Ela pode ser usada como ponto de referência ou posição de repouso.

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Automação Industrial: Codificadores Ópticos Rotativos – Optical Rotary Encoders

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Enco

ders

Condicionador de Sinais

Encoder Incremental

POWEROFF

POWERON

HOME RESET

A desvantagem de um encoder incremental é que ele não pode fornecer uma medida de posicionamento absoluto após o codificador ser desligado assim como em direcção .

Vamos supor que a posição do eixo é de 47 graus, quando é aplicada a energia. O contador mostrará um numero aleatório.

Para determinar a posição, é necessário para ir para a posição de referência, e fazer um Reset ao contador, antes de usar o codificador para posicionamento.

Os codificadores de urna só faixa, são normalmente usados para medir as RPMs (rotações por minuto), de um dispositivo rotativo. A velocidade pode ser determinada de duas formas:

-Medindo o intervalo de tempo entre impulsos, ou-Contando o n° de impulsos num período de tempo.

Encoders Ópticos Rotativos

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Enco

ders

A resolução pode ser melhorada:

Encoders ópticosEncoder Incremental

Com 720 ranhura teremos uma resolução de meio grau.

Adicionar mais ranhuras (sectores), no entanto é limitado pelo tamanho físico do disco. O mesmo acontece com o aumento do número de faixas (Bits)… ou aplicar métodos de extrapolação em quadratura…

A frequência dos impulsos é directamente proporcional ao número de rotações no intervalo de tempo, e ao número de ranhuras ao longo do disco. Aumentando o número de faixas (Bits), também se conseguem melhores resoluções .

Graus0,5720360

RanhurasdeN360Resolução

oo

º

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Enco

ders

- In

trod

ução

Os Encoders possuem internamente um ou mais discos (máscaras) perfuradas, que permitem, ou não, a passagem de um feixe de luz infravermelha ou outra, gerado por um emissor que se encontra de um dos lados do disco, e é captado por um receptor que se encontra do outro lado do disco, este, com o apoio de um circuito electrónico gera um impulso.

A quantidade de impulsos numa volta, nos Encoders rotativos, demonstra a relação impulso/volta do mesmo. Quanto maior for esta relação maior é a precisão obtida. Por exemplo, um encoder que gera 50 impulsos por volta teria a seguinte relação angular: 360°/50 pulsos = 1 impulso a cada 7,2°.

Pode-se determinar o sentido da rotação utilizando duas faixas de ranhuras, uma desfasada em 90° em relação à outra, sendo assim num sentido a fileira mais próxima do centro estará adiantada em relação à outra e no sentido inverso ocorre também o inverso.

Encoders Ópticos Rotativos

Melhoria da Resolução:

Desta forma, a velocidade ou o posicionamento é registado, contando-se o número de impulsos gerados.

Encoder Incremental – Modo em quadratura

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Encoders ópticos

Uma maneira de determinar o sentido é adicionando uma segunda faixa. Duas faixas, chamadas de A e B, fornecer o trem de pulsos que indica deslocamento. Cada faixa utiliza uma fonte de luz separada e sensor.

Ao discos incrementais são simples, tendo apenas uma faixa compartilhada por dois sensores. Os sensores são montados assim, e os seus sinais em quadratura, estão 90° desfasados um do o outro. Uma ranhura índice especial fornece uma referência fixa para a posição do eixo de partida.

As faixas estão em quadratura, o que significa que estão desfasadas de 90º. 0 resultado é que são produzidas duas ondas quadradas contínuas, desfasadas de 90º, uma por cada faixa, á medida que o codificador roda.

Encoder Incremental – Modo em quadratura

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Enco

ders

Encoders ópticosEncoder Incremental – Modo em quadratura

Canal A

Canal B

Canal Z

Através de um método conhecido como descodificação em quadratura, como veremos adiante, podemos detectar numa rotação,2.000 impulsos a partir de um codificador de 500 CPR. Um impulso do Canal A ou B representa 1/2000 de uma revolução ou 0,18 ° de rotação.

Cada impulso do canal A ou B aumenta o contador em um, quando o codificador está girando no sentido anti-horário e reduz em um, quando ele está girando no sentido horário. A contagem de impulsos pode ser convertida em distância a partir da relação entre o veio do codificador que está acoplado ao veio mecânico, convertendo o movimento do codificador rotativo em medidas lineares.

O impulso canal de índice (Z), ocorre apenas uma vez por volta. Muitas vezes, o canal de índice é usado para inicializar a posição do eixo do codificador . Um motor gira o codificador até que o canal índice de é detectado como um ponto de partida ou referência, donde qualquer processo automatizado pode começar. O número de voltas completas que o Encoder rodou, pode ser lida e gravada. O contador acrescenta uma volta, quando o índice ocorre durante a rotação anti-horário e subtrai um por sua vez quando ela ocorre durante a rotação no sentido horário. Adicionando a contagem de voltas ao número de impulsos, consegue-se uma informação precisa e completa das rotações.

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Os Codificadores de quadratura combinam a saída de dois canais de detecção, A e B, produzindo um sinal que regista movimentos quatro vezes menores do que o ciclo de um disco de só uma linha padrão.

A saída de um codificador de quadratura é constituída por dois sinais de detecção de faixas designadas A e B, e um terceiro sinal, Z, que corresponde a uma referência ou a posição zero.

Encoders Ópticos Rotativos

Z*

B*

A*

Z

B

A

Encoder Incremental – Modo em quadratura

Um codificador de quadratura diferencial também produz os sinais complementares (inversos), para serem usados (no ponto de destino) como termo de comparação com os sinais originais, minimizando assim os erros de transmissão.

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental – Modo em quadratura

Os Encoders possuem internamente um ou mais discos (máscaras) perfurados, que permitem, ou não, a passagem de um feixe de luz infravermelha, gerado por um emissor que se encontra de um dos lados do disco e é captado por um receptor que se encontra do outro lado do disco, este, com o apoio de um circuito eletrônico gera um impulso.

Canal A

Canal B

Canal Z

Eixo

Disco Transparente

Máscara

LED Emissor

Conjunto Fotodetector

Graduações Opacas/transparente

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Encoders ópticos

As faixas estão em quadratura, o que significa que estão desfasadas de 90º. 0 resultado é que são produzidas duas ondas quadradas contínuas, desfasadas de 90º, uma por cada faixa, á medida que o codificador roda.

Assim Ou Assim:

Encoder Incremental – Modo em quadratura

Z

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Encoders Ópticos RotativosTipos de Sensores Ópticos

Sensor de Ruptura de Feixe: Um sensor comum é o de ruptura-de-feixe. Nesta configuração o emissor e o receptor são empacotados separadamente. O emissor emite a luz através de um espaço e o receptor detecta a luz do outro lado. Se o produto passar entre o emissor e o receptor, a luz pára de bater no receptor, dizendo ao sensor que um produto está interrompendo o feixe. Esta é provavelmente a modalidade de detecção mais confiável para objetos opacos (não transparentes).

LED

Disco

Fotodetectores

PCB

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Encoders Ópticos Rotativos

Sensores de Reflexão: Um dos tipos mais comuns de sensores óticos é o tipo reflexivo ou de reflexão difusa. O emissor e o receptor de luz são encapsulados na mesma peça. O emissor emite a luz, que incide no produto a ser detectado. A luz refletida retorna ao receptor onde é detectada (figura abaixo). Os sensores reflexivos têm menor poder de detecção (alcance) do que outros tipos de sensores óticos porque dependem da luz refletida no produto. No entanto são mais compactos e de menores dimensões.

Tipos de Sensores Ópticos

LED

Disco

PCB

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental: Princípio de funcionamento

Foto receptores

IRED

Lente

Disco de vidro graduado

Marca de referência

Máscara

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental – Descodificação em quadratura

Circuito de descodificação para a obtenção de contagem para up / Down dos impulsos (Anti/horário).

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental – Descodificação em quadratura

Quando um codificador por especificação tem 500 CPR (ranhuras por rotação), isso significa que cada canal codificador produz 500 impulsos de onda quadrada em uma volta completa. Uma vez que cada ciclo representa quatro estados discretos diferentes, a resolução do Encoder pode ser aumentada de quatro vezes através da descodificação em quadratura. Assim, 2000 PPR (impulsos por revolução) podem ser obtidos a partir de 500 CPRs (ciclos por revolução) do codificador.

Isto é importante para aplicações de alta precisão. A resolução máxima para um codificador de quadratura com CPR 500 sem descodificação seria 360 ° ÷ 500 = 0,72 °. Com decodificação de quadratura, o mesmo codificador atinge uma resolução quatro vezes mais fina, 360 ° ÷ 2000 = 0,18 °.

Em cada ciclo de onda quadrada de um codificador de dois canais, existem quatro estados discretos. As quatro linhas a tracejado na Figura acima, representam um ciclo de onda quadrada. "Quadratura" O termo deriva do latim “quarter” que significa "quatro vezes."

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Encoder Incremental – Modo em quadraturaEncoders Ópticos Rotativos

Melhoria da resolução: factor de interpolação

Incorporando um factor de interpolação, que incorpora os modos de quadratura.Num codificador de duas faixas, há três modos de quadratura: X1, X2, e X4.

o “X” representa multiplicação.Aqui está um exemplo de como a resolução pode ser aumentada, usando o

método do Modo em quadratura.

Faix

a A

Faix

a B

Área opaca

Ranhura transparente ou reflectora

Modo X1Modo X2Modo X4

No modo de X1, os circuitos apenas detectam as transições ↑ na faixa A. Por conseguinte, o número de impulsos produzido numa rotação, é igual ao número de ranhuras da faixa A.

No modo de X2, os circuitos detectam as transições ↑ e ↓da faixa A . Assim, um disco com 500 ranhuras, irá produzir 1000 contagens por rotação.

No modo de X4, os circuitos detectam as transições ↑ e ↓da faixa A e da faixa B. Portanto, um disco de um codificador com 500 ranhuras, vai produzir 2.000 contagens por rotação.

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Encoder Incremental – Modo em quadraturaEncoders Ópticos Rotativos

Melhoria da resolução : factor de interpolação

Existe uma velocidade máxima a que um codificador incremental pode operar.Esta limitação é baseada em dois fatores:

A velocidade com que o sensor de luz (fototransistor) pode ligar e desligar,A Rapidez com que o circuito de acondicionamento de sinais pode responder á

frequência dos impulsos.A seguinte fórmula calcula a frequência produzido por um codificador incremental:

Onde: f - Número de contagem por segundo S = Número de ranhuras numa faixa, IF = Factor de interpolação. 60 - Constante numérica (segundos/minuto). 60

RPMISf F

Suponha que um codificador incremental de dupla faixa com 500 ranhuras por faixa, está girando a 4000 rpm. Se ele opera com um factor de interpolação de 4, quantas contagens faz por segundo?

sc133,33360

4000450060

RPMISf F /

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Encoder Incremental – Modo em quadraturaEncoders Ópticos Rotativos

Detecção da direcção: Canal A avançado em relação ao canal B

Faix

a A

Faix

a B

Sensor A

Sensor B

Neste exemplo, o canal A lidera B, ou seja, o canal A emite um sinal, antes do canal B. Isto indica que o eixo de rotação é no sentido anti-horário.

Faix

a A

Faix

a B

Sensor A

Sensor BCanal B avançado em relação ao canal A

Neste exemplo, o canal B lidera A, ou seja, o canal B emite um sinal, antes do canal A. Isto indica que o eixo de rotação é no sentido horário.

A detecção da direcção do eixo é muito útil e importante para algumas aplicações. Num rádio, o sentido de rotação do botão de volume “diz” ao circuito de recepção que deve aumentar ou diminuir o volume. Num equipamento industrial, o sentido de rotação é detectado e parado quando um número pré-definido de impulsos for recebido numa determinada direcção.

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Acw

Bcw

Encoder Incremental – Modo em quadraturaEncoders Ópticos Rotativos

Detecção da direcção:

Máscara

Disco

Ranhura

LEDFotosensor

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Encoders ópticosEncoder Incremental : Tipos

Dois tipos Offset sensor

Um único disco com janelas opacas e transparentes de mesmo tamanho.

Dois sensores de fotodiodo, colocados no mesmo lado com um quarto de distância entre impulsos (quadratura).

Offset track Dois discos iguais, cada um com janelas e regiões opacas, colocados

frente um para o outro com alinhamento desfasado de um quarto de distância entre impulsos (Máscara -quadratura).

Referência adicional fotossensora, perto do centro da periferia do disco, para iniciar a contagem.

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Encoders ópticosEncoder Incremental : Tipos

90º

90º

Disco Codificado

Marca de Referência

1 Configuração offset sensor.

2 Configuração offset track.

V1

tV2

t

t

V1

Ref

t

Reference pulse Pick-off

1Pick-off

2Pick-off

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rpm = = 0.1666 ÷ 0.1666 = 1 rpm60360

1060

÷

Os Codificadores podem detectar a velocidade, quando o número de impulsos de saída é contada num período de tempo especificado. O elemento tempo é tipicamente fornecido por um oscilador interno ou um relógio. O número de impulsos por rotação deve também ser conhecido. A equação para calcular a velocidade é: C

PPRrpm = t

60÷

Onde:rpm -Rotações por minuto.C - Número de impulsos a contar.t - Intervalo de tempo de contagem.PPR - Impulsos por rotação (ranhuras) ou CPR.60 - Coeficiente númerico (por minuto).

Exemplo:Se 60 impulsos foram contados em 10 segundos a partir de um codificador de 360 PPRs, qual a velocidade?

Resolução:

Toda a contagem de tempo, e os cálculos podem ser feitos em tempo real por via electrónica e utilizada para monitorizar ou controlar a velocidade.

Encoder Incremental – Informação da velocidadeEncoders Ópticos Rotativos

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Os Codificadores podem detectar a distância percorrida em função do número de impulsos contados. Na maioria das aplicações, o movimento rotativo é convertido em percurso linear pelos componentes mecânicos, como roldanas, engrenagens de accionamento e rodas de tracção.

No caso de uma mesa de corte, se o diâmetro da roda de tracção e o PPR do codificador são conhecidos, o percurso linear pode ser calculado:

Onde:C - Número de impulsos a contar.L - Comprimento do corte.D - Diâmetro da roda de tracção.PPR - Impulsos por rotação (ranhuras) ou CPR.

C = L ÷ (p * D) * PPR

Exemplo:Para um comprimento de corte desejado, de 12 ", assumindo que o diâmetro da roda de tracção é de 8" e um codificador de 2000 PPRs:

C = 12 ÷ (3.142 * 8) * 2000 = 955Resolução:A Contagem de impulsos para conseguir alcançar o desejado percurso linear pode ser

calculada de uma forma semelhante para os dispositivos que usam deslocamentos em parafusos de esfera, engrenagens ou polias, para converter o movimento rotativo em percurso linear.

Encoder Incremental – Informação da distânciaEncoders Ópticos Rotativos

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- In

trod

ução

Encoder Incremental – Posição angular e ResoluçãoEncoders Ópticos Rotativos

Para determinar θ, temos a contagem de impulsos C, contagem máxima PPR, correspondendo a θmax ao maior deslocamento.

θ = C. θmax /PPR

Se usarmos um contador digital de resolução de n bits, temos:PPR = 2 n-1, incluindo 0.

PPR= 2 n-1 – 1, excluindo 0.A resolução R depende , número de ranhuras PPR, e do número de bits n

utilizados para representar as contagens.

Com dois sensores a diodos, e com o circuito de detecção de subidas de impulsos, temos:

(R) =Δθp = 3600/ 4PPR …. Puramente mecânico.(R) = Δθd = 3600 / 2n …… Puramente digital.

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- In

trod

ução

Encoder Incremental – Posição angular e ResoluçãoEncoders Ópticos Rotativos

T

tav=T/n

n

Cadeia de impulsos

Ciclo de amostragem (clock) Contagem de impulsos Número de impulsos, n durante o período

de amostragem T, do processador digital (n tem maior frequência)

tav = T /n, trevl = PPR.T/n, para PPR ranhuras. ω = θ / t = 2πn / PPR.T N/A em baixas velocidades.

Resolução Δωc =2π/PPR.T Mais PPR e menos T aumentam a

resolução.

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Tempo de impulso m clocks por ranhura ou por 1contagem. tsimples = m*t = m / f , onde f é a frequência do

clock (tempo de 1 impulso). trevl =PPR.m / f ω = θ / t = 2πf / PPR N/A em altas velocidades. Δωc =PPR.ω2/2πf

Mais PPR, e ω reduzem a resolução. Mais frequência de clock, aumenta a

resolução.

mt

tsimples = m*t

Cadeia de impulsos

clock

Encoder Incremental – Posição angular e Resolução (Cont.)Encoders Ópticos Rotativos

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental

Disco incremental de 2 faixas

Faixa AFaixa B

Faixa Z

Padrões das faixas do disco code Incremental

Saída do canal A Saída do canal B

Da esquerda para a direita

Da direita para a esquerda

Desfasamento de 90º

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Cobertura exterior e conector

Caixa de Rolamentos

Fotoemissores

Acond. de Sinais (PCB)

Conjunto fotoreceptores

Disco Code e conjunto do veio

Composição

Encoders Ópticos Rotativos

http://www.usdigital.com/products/e6

Encoder Incremental

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental : Aplicação – Rato de PC

Rato de PC

Posição. Velocidade. Sentido de rotação.

Não necessita de outros circuitos conversores A / D.As saídas podem alimentar diretamente o microprocessador / microcontrolador.

Codificador incremental óptico é utilizado para medir:

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- In

trod

ução

Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental : Técnica de varrimento

Os codificadores operam com duas faixas de graduação. Os dados da posição absoluta, numa escala circular, são criptografados numa faixa, e nunca se repetirão dentro da mesma rotação.

Uma faixa adicional de alta resolução incremental, é lida de acordo com o princípio de varrimento de campo único. Este princípio utiliza uma escala com graduação ligeiramente diferente do período anterior.

Os sinais varrimento da faixa incremental são interpolados para o valor da posição e são processados juntamente com a informação da faixa de código série para obtenção de valores de posição absoluta de alta resolução.

Isso permite ao codificador ter uma resolução de mais de 268 milhões de posições por revolução. Ao mesmo tempo, os sinais varrimento da faixa incremental, são usados para gerar um sinal opcional incremental (~ 1 Vpp).

LED – Fonte de luz Lente condensadoraDisco graduadoSinal de varrimento

Incremental

Sinal de varrimento CPR

ASIC Optoelectrónico

http://www.heidenhain.us/enews/stories_610/MTmain.php

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Graças a filtragens ópticas especiais e lentes ópticas de varrimento inovadoras, o codificador produz sinais de varrimento de alta qualidade. Para além da sua qualidade de sinal melhorada, o varrimento de campo único é caracterizada por uma sensibilidade significativamente reduzida á contaminação. Isto foi conseguido através da superfície de varrimento maior e o arranjo especial de campos de varrimento. Mesmo com áreas contaminadas relativamente grandes, resultam apenas em sinais de varrimento ligeiramente menores e desvios de sinal insignificantes…

Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental : Técnica de varrimento

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Incremental : Flash

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Célula Fotodetectora

LED fonte de luzMáscara estacionária

Disco Code rotativo

O Encoder absoluto é um sensor óptico, sem contactos, de posição rotativa, numa gama de ângulos do eixo, dentro dos 360 graus. Diferentemente dos Encoders incrementais, o Encoder absoluto produz um sinal em relação a um ponto fixo absolutamente definido.

Encoders Ópticos RotativosCodificador Óptico Absoluto: Composição

Cada ângulo corresponde a uma combinação específica de bits, assim a posição do objeto monitorado pode ser se informada imediatamente depois energizar ou depois de uma interrupção de energia.

O elemento básico é um disco de vidro estampado por um padrão de faixas concêntricas, contendo segmentos opacos e transparentes. colocado entre a fonte de luz (por exemplo um diodo emissor de luz) e um detector, para interromper um feixe de luz d. Vários feixes de luz atravessam as faixas para iluminar fotosensores individuais.

Os sinais electrónicos que são gerados, são então introduzidos no controlador, em que a posição, e a informação da velocidade, são calculadas com base nos sinais recebidos.

A vantagem principal do Encoder absoluto é a sua memória não-volátil que mantém a posição exacta do codificador sem a necessidade de voltar a uma posição "inicial" se a alimentação falhar.

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto: Composição e funcionamento

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Um codificador óptico absoluto é um dispositivo electromecânico usado para fornecer sinais de posicionamento, em aplicações de controlo de movimento, estes sinais pode dar a seguinte informação, sobre mecanismos rotativos ou lineares:

Direcção,Posição,Velocidade.

Encoder Absoluto:

Encoders Ópticos Rotativos

Tem um disco que está acoplado ao veio em medição, que está colocado entre as fontes de luz e os sensores

Como rodam em conjunto os impulsos de luz do emissor, atingem os sensores, de cada vez que uma ranhura do disco está alinhada entre eles. Cada impulso de luz é convertido num impulso electrónico pelo circuito condicionador de sinais.

É chamado de Codificador Absoluto porque mede sempre a posição absoluta. Isto significa que a posição actual é indicada qualquer que seja a leitura particular do momento.

Uma aplicação típica de Encoders de posição absolutos, é em discos rígidos de computadores e leitores de CD / DVD onde são monitoradas a posição absoluta das cabeças das unidades de leitura / gravação ou em impressoras / plotters onde controlam com precisão a posição das cabeças de impressão sobre o papel.

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LED Disco graduado Máscara PCB

Foptodetector

Alimentação e sinais

Encoder Absoluto: Princípio de funcionamento

Encoders Ópticos Rotativos

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ders

Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto: Princípio de funcionamento (Cont.)

Optical Encoder(1)Disco de Código(2) Veio do motor(3) Elemento emissor de luz.(4) Elemento receptor de luz.

usa o princípio de varrimento (scanning) de imagem :Luz paralela atinge a estrutura

graduada (Disco de código) e a luz passa através das ranhuras.

Quando o padrão de medição se move em relação á varredura do disco, a luz incidente é modulada “On/off” (luz / sem luz).As células fotovoltaicas convertem essas variações na intensidade da luz, em sinais elétricos binários.

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Enco

ders

+5V

+5V

GND

Encoder Absoluto: Circuito acondicionador de Sinais

Encoders Ópticos Rotativos

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Enco

ders

Discos dos Encoders absolutos criam um código único para cada posição do disco. Várias faixas com um sensor por faixa geram um padrão digital especial conhecido como código Gray. A singularidade do código Gray decorre de apenas um só em cada estado da contagem. Isto elimina a ambiguidade dos valores de saída de vários bits causadas por mudanças em tempos ligeiramente diferentes. Uma vez que apenas um bit altera, a leitura tem apenas dois valores possíveis sequenciais. Outros códigos, tais como binário ou BCD podem ser convertidos a partir do valor do código de Gray.

Encoder Absoluto: O Disco

Encoders Ópticos Rotativos

Os codificadores absolutos têm aplicações em sistemas de medida e controlo de posições lineares e angulares com alta resolução, pelo que são utilizados em: robótica, guindastes, válvulas hidráulicas, plotters, máquinas, ferramenta, sistemas de leitura e posicionamento da cabeça discos rígidos e magnéticos, fontes de radiação em radioterapia, radar, orientação telescópios, etc.

A principal diferença em relação aos codificadores incrementais são as faixas múltiplas, com diferentes áreas, e agrupadas de modo a que o sistema de leitura obtenha directamente, em cada posição do elemento móvel, o número de código de determinada posição.

Cada faixa representa um bit, sendo a faixa mais interna correspondente à faixa de mais alta resolução. Os sensores utilizados são, neste caso, os ópticos, com áreas opacas e transparentes ou reflectoras e, em menor grau, os de contactos, com as zonas condutoras e isolantes.

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ders

Faixa1

Faixa12

Encoder Absoluto: O Disco (Cont.)

Encoders Ópticos Rotativos

Princípio de funcionamento

Usando várias faixas, a combinação de On e Off das faixas individuais, gera um valor absoluto de posição.

Quando a alimentação é ligada, o valor desta posição é lido a partir de faixas, e mediatamente enviado para o circuito de saída.

Se o disco tiver 12 faixas, estão disponíveis. 212 posições codificadas (4096 infos / revolução).

Sem repetições de combinações de 1s e 0s no disco (código único).

O disco principal usa um código de Gray, como padrão….

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ders

0 =01 1 52022 2123

Binário Decimal

1 =00 1 91 =11 0 14

A combinação de 1s e 0s dá o valor codificado da posição, á unidade de controlo.

2 31 151413124 6 75 8 9 10110

D2

D3

Sinais de saída:

Cada faixa representa um bit:1 = ↑bit / 0 = ↓bit.

Encoder Absoluto: O Disco (Cont.)

Encoders Ópticos Rotativos

Princípio de funcionamento

D1

D0

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Encoder Absoluto: O Disco (Cont.)

Encoders Ópticos Rotativos

A figura mostra um disco de um Encoder Absoluto de 4bits:

Para cada pista (faixa) é necessário um fotosensor.Para cada posição são fornecidas 4 palavras de 4 bits.Usando 4 dígitos a contagem binária vai de 0000 a 1111,

que representam os números possíveis de 0-15 (Secções).

Se cada número representa uma secção, o disco está dividido em 16 secções de 22.5º (360/16=22.5º)

Secção22.50Disco de Código Binário

Faixa 2º

Faixa 21

Faixa 22

Faixa 23

Um codificador que usa números binários pode ter um problema. Se todos os bits não mudarem exactamente ao mesmo tempo, na passagem da linha de separação entre secções do codificador, um número errado é detectado por breves instantes.

Sentido de Rotação

Um exemplo é quando a contagem passa de 01112 para 10002.Se o bit de maior peso (MSB) muda mais cedo do que outro dos três bits, a saída do codificador será temporariamente, 11112, o que representa um erro de 180º na posição do codificador.

Faixa MSB

Sobreposição

Para se evitar este problema, existe um outro sistema de numeração binária chamado Código Gray.

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LSB

MSB

Encoder Absoluto: O Disco – Código Binário

Encoders Ópticos Rotativos

Código Binário: se vários bits mudam ao mesmo tempo – há falhas.

B0

111

110

000

001

010

011100

101

B1B2

Para o código binário, que códigos podem ser produzidos, se a posição do veio se encontra-se entre os códigos de 3 e 4 (011 e 100)?

Sim, a posição do eixo pode ser desconhecida.

{011,100} estão corretos, mas {000,010,001,110,101,111 } também são possíveis! Isto é um problema?

(a) Binary Code for Positions 0 through 7

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Encoder Absoluto: O Disco – Código Gray

Encoders Ópticos Rotativos

LSB

MSB

Código Gray: só muda um bit de cada vez- não falhas.

G0G1

G2

111

101

100 000

001

011

010110(b) Gray Code for Positions 0 through 7

Para o código de Gray, que os códigos podem ser produzidos, se a posição do veio se encontrar entre os códigos de 3 e 4 (010 e 110)?Apenas os códigos correctos: {010,110} Isto é um problema?

Não, está correcto… uma vez que o eixo está efectivamente nessa posição, e os códigos errados não podem ser produzidos nas zonas de transição.

O código Gray é válido para resoluções que possam ser descritas como uma potência de base 2. Para outras resoluções a gama de combinações de código cinza é limitada pelo espaço físico concêntrico do disco.

N- Número de bits (faixas).D-Diâmetro do disco.X-largura de cada faixa.

Resolução:

010

110

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Encoder Absoluto: O Disco de código Gray

Encoders Ópticos Rotativos

MSB LSB

1 1 1 101

2

4

5

678

9

10

11

12

13

1415

3

Faixa opaca

Faixa transparente

Disco Código BCD

Disco Código Gray

MSB LSB

1 0 0 0

Decimal0123456789101112131415

Binário0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111

Gray Code0000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000

Em geral, quando o código de Gray é utilizado para a codificação do disco, e os detectores falham ao detectar novo valor do bit, durante a transição, o código resultante será sempre o código para a posição anterior. Como resultado, o erro máximo será sempre o valor do bit menos significativo (LSB).

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Decimal Binário Gray code

0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0110 5 0101 0111 6 0110 0101 7 0111 0100 8 1000 1100 9 1001 1101 10 1010 1111 11 1011 1110 12 1100 1010 13 1101 1011 14 1110 1001 15 1111 1000

Encoder Absoluto: O Disco: - O código Gray

Encoders Ópticos Rotativos

A Característica mais importante do código de Gray, é que apenas um dígito muda quando se aumenta ou diminui a contagem.

O código Gray é geralmente associado com a entrada / saída de dispositivos, tais como codificadores ópticos de posição angular de um eixo.

O código Gray ,não é um código BCDO código de Gray é um sistema de código binário

inventado por Frank Gray . Este sistema de codificação surgiu quando os circuitos lógicos digitais se realizavam com válvulas termiónicas e dispositivos eletromecânicos.

Os contadores necessitavam de potências muito elevadas e geravam ruído quando vários bits se modificavam simultaneamente. O uso do código Gray garantiu que qualquer mudança variaria apenas um bit.

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01

0110

00011110

0001111010110100

000001011010110111101100

000001011010110111101100

00000001001100100110011101010100

100101111110010011001

1100110111111110101010111001

000 1000

Encoder Absoluto: O Disco: - Como gerar o código Gray

Encoders Ópticos Rotativos

1-bit2-bits

3-bits

4-bits

Para 1 bit, escrevemos em coluna os valores 0 e 1.Está feita a tabela de 1-bit.Para 2 bits, pegamos na coluna de 1-bit e por baixo,

voltamos a escrever mas na ordem inversa.Aos valores de 1-bit, escrevemos um 0 á esquerda.Aos valores da ordem inversa escrevemos um 1 á

esquerda.Está feita a tabela de 2-bits.

Para 3-bits, pegamos nos valores de 2-bits, e por baixo voltamos a escreve-los pela ordem inversa.

Aos valores de 2-bits, escrevemos um 0 á esquerda.Aos valores da ordem inversa, escrevemos um 1 á esquerda.Está feita a tabela para 3-bits ….

E Assim sucessivamente para n-bits.

0123456789

101112131415

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Encoder Absoluto: O Disco: - Como gerar o código Gray

Encoders Ópticos Rotativos

a- Código gray 1 bit.

b- Reflexo do código de 1 bit.

c- Adicionar 0’s e 1’s = Código gray 2 bits.

Nota: as colunas b e d não fazem parte do Código de Gray.

d- Reflexo do código de 2 bits.

e- Adicionar 0’s e 1’s = Código gray 3 bits.

Actualmente o código Gray é utilizado em sistemas sequenciais mediante o uso dos Mapas de Karnaugh, já que o princípio de buscar transições mais simples e rápidas segue vigente, apesar de que os problemas de ruído e potência tenham sido reduzidos.

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Exemplo – Um Encoder óptico absoluto tem oito faixas/anéis, oito sensores de LED e resolução de 9 bits. Se o padrão de saída é 100101100, qual a posição angular do veio?

Anel Angulo Padrão Valor (o)

1 180 1 180

2 90 0 3 45 0 4 22.5 1 22.5

6 5.625 1 5.625

5 11.25 0

7 2.8125 1 2.8125

8 1.40625 0

Total: 210.94o

Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto: posicionamento

9 0,7031250 0

Disco de código Gray de 9 bits

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1 00 1

Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto: Conversão Binário -Gray

1 1 0 0(BC)

(GC)

MSB LSB

O MSB não muda como resultado da conversão – é o mesmo.

Pegando no MSB do número binário e adicioná-lo ao binário seguinte (Ex-OR) para obter o próximo valor do código Gray.

Repita o mesmo procedimento para os posteriores bits Gray.

+Ex

+Ex

+Ex

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1 01 0

Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto: Conversão Gray-Binário

1 0 1 0(GC)

(BC)

LSBMSB

+Ex

+Ex

+Ex

O MSB não muda como resultado da conversão – é o mesmo.

Pegando no MSB do número binário e adicioná-lo ao Gray seguinte (Ex-OR) para obter o próximo valor do bit do código binário.

Repita o mesmo procedimento para os posteriores bits Binários.

Se entradas diferentes – saída =1

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto Rotativo

Célula Fotodetectora

LED fonte de luzMáscara estacionária

Disco Code rotativo

Resolução: (Graus)2

360Δ n

º

n - Número de bits

O seu disco codificado consiste em várias "faixas" concêntricas. com segmentos claros e escuros. Cada faixa é independente com o seu próprio fotodetector, para ler um valor único codificado de posição para cada ângulo de movimento. O número de faixas do disco corresponde á resolução binária do Encoder. Para um codificador absoluto de 12-bits terá 12 faixas e o mesmo valor codificado só aparece uma vez por volta.

São mais complexos do que os codificadores incrementais de quadratura. Eles fornecem um código de saída único para cada posição indicando tanto a posição como a direcção.

4-bit Binary Coded Disc

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Propósito? Para determinar a posição relativa, direção e velocidade duma correia de transmissão bidireccional.

Correia de transmissão

Posição linear com N / C DisplayFinalidade?Para codificar a posição numa mesa de trabalho por meio veio de esferas roscado.

Roda de mediçãoFinalidade?Para medir a distância percorrida por uma lâmina de corte.

Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto: aplicações

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Encoder Absoluto: Flash Código Gray

Encoders Ópticos Rotativos

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Encoder Absoluto: flash

Encoders Ópticos Rotativos

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Encoder Absoluto/Incremental - flash

Encoders Ópticos Rotativos

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto Multi-voltas

A maioria dos Codificadores Absolutos, são definidos como dispositivos de uma só volta "single-turn”, mas também existem Encoders Absolutos multi-voltas, que obtêm feedback sobre várias revoluções adicionando discos de código extra, ou memória alimentada por bateria para manter o controlo das voltas…

Normalmente, os codificadores multi-voltas são maiores do que o padrão dos codificadores de volta simples, porque eles devem ter um trem de engrenagens. No passado, as circunferências de engrenagens de grande porte, geralmente não permitiu codificadores para ter um design “through-hole” através de buracos. Inicialmente, as engrenagens tinham que ser de metal para resistir a alta velocidade. No entanto, as engrenagens metálicas mostraram-se suscetível a EMI. A atentiva de usar engrenagens de plástico falhou, por causa da interação entre o eixo de metal e plástico. Qualquer folga ou deslizamento relativo entre o eixo e as engrenagens, degradavam o plástico, levando à falha da engrenagem.

No entanto, as novas fórmulas de plástico, permitem que engrenagens de plástico trabalhem com eixos de metal, sem se quebrarem. Rolamentos especialmente concebidos para a engrenagem principal permitem atingir velocidades até 6.000 rpm. Como as engrenagens são de plástico, o magnetismo ou EMI não os afeta. A engrenagem primária muito menor, permite diminuir todas as outras, e criar um codificador com design verdadeiro “through-hole” , permitindo a sua montagem dentro do invólucro do motor.

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Cada engrenagem de um codificador multi-volta tem um disco de posição cravado, que gira em relação ao eixo do codificador. Os sensores ópticos montados sobre a placa de circuito impresso, leem os padrões gravados em cada disco, para gerar um valor específico codificado. O valor representa o número de voltas completas do eixo juntamente com a sua posição angular actual.

Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto Multi-voltas (Cont.)

design “through-hole”

IR -LEDs

Veio

Fotosensores

Disco codificador Central

Sensores Hall

Imanes conta- -rotações

Engrenagem Primária

Sensores ópticos

Engrenagens Plásticas

Eixo

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Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto Multi-voltas (Cont.) Eixo

IRLED

IR Fotosensor

Disco Central

Disco para cota rotações

Grelha de focagem

unidade de avaliação de Sinais

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Nº de Bits 2n Graus /min/seg

1 2 180º

2 4 90°

3 8 45°

4 16 22,5

5 32 11,25°

6 64 5,63°

7 128 2,81°

8 256 1,41°

9 512 42,19min.

10 1.024 21,09 min.

11 2.048 10,55 min.

12 4.096 5,27min.

13 8.192 2,64 min.

Nº de Bits 2n Graus /min/seg

14 16.384 1,32min.

15 32.768 39,55 seg.

16 65.536 19,78 seg.

17 131.072 9,89 seg.

18 262.144 4,95 seg.

19 524.288 2,47 seg.

20 1.048.576 1,24 seg.

21 2.097.152 0,62 seg.

22 4.194.304 0,31 seg.

23 8.388.608 0,15 seg.

24 16.777.216 0,08seg.

25 33.554.432 0,04 seg.

26 67.108.864 0,02 seg.

A resolução do Encoder absoluto é dada por contagem/rotação, isto é, se ele tiver no seu disco (Encoder rotativo) 12 faixas para o código Gray, então terá 212 combinações possíveis, perfazendo um total de 4096 combinações. Fazendo algumas contas, concluiremos que o Encoder gera uma combinação de códigos a cada 0,0879º ou 0º5m16s.

Encoders Ópticos RotativosEncoder Absoluto : - Resolução

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Encoders Ópticos Rotativos

360 posições (9 bits)512 posições (9 bits)720 posições (10 bits)1024 posições (10 bits)3600 posições (12 bits)4096 posições (12 bits)8192 posições (13 bits)16384 posições (14 bits)

Single turn

4096 posições/ 6 voltas (16 bits)8192 posições/20 voltas (20 bits)16384 posições/4096 voltas (24 bits)

Multi-turn

Os Encoders absolutos podem ter sua resolução definida em uma única rotação (single turn) ou em várias rotações (multi-turn), ou seja, se um Encoder é para uma rotação, a cada rotação o valor da contagem é reinicializado.

ao contrário de um Encoder para várias rotações, onde o seu valor só é reinicializado depois de um certo número de voltas.

Encoder Absoluto : - Resolução

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Encoders Ópticos RotativosHeavy-Duty Encoders

Funcionando em velocidades de 30.000 rpm, com quase nenhum desgaste, estes codificadores de trabalhos pesados, monitoram a velocidade e posição de uma grande variedade de severas aplicações, incluindo energia eólica, processamento de aço, equipamentos industriais pesados, veículos pesados , processamento de gás e petróleo, equipamentos de impressão, estamparia de metais e fundição, e controlo de movimento de motores. A sua concepção robusta, é muito diferente do padrão dos codificadores standard, que lhes permite resistir a contaminação sólida ou em partículas, a falhas de rolamentos mecânicos, e as falhas de sinal de saída.

Para suportar a contaminação por partículas líquidas e sólidas, apresentam sólidas caixas de material fundido, e desenhos robustos, que permitem a sua operação fiável em aplicações ao ar livre, onde os codificadores normais falhariam . Como a sua primeira linha de defesa, incorporam vedantes de labirinto, que têm ranhuras de chumbo em espiral inversa para impedir a penetração de líquidos e de partículas para dentro do alojamento. Estes “selos” permitem que os dispositivos possam ser expostos a condições extremas de temperatura, humidade, sal de pulverização, produtos químicos, e vibrações acima dos limites de codificadores tradicionais.

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Encoders Ópticos RotativosHeavy-Duty Encoders

Codificadores com tecnologia de segurança e módulos de fibra óptica, para a transmissão segura óptica de sinais a longas distâncias, completam a gama de produtos para estes campos de aplicação.

Codificadores robustos e compactos equipados com rolamentos particularmente robustos, com as tecnologias mais modernas de invólucros e muitas interfaces de comunicação diferentes (do analógico até a interface Profinet em tempo real), fazem parte da ampla oferta especialmente para a indústria pesada.

Estes codificadores também possuem rolamentos de esferas maiores montados em lados opostos do invólucro de material sólido fundido, que aloja a electrónica do sensor. Embora estes codificadores normalmente ocupem mais espaço, os seus eixos são pré-carregados para resistir a forças muito maiores em ambas as direções radial e axial. Esta construção robusta permite aos codificadores sobreviverem a choques de certa intensidade e continuarem a funcionar de forma fiável.

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Encoders Ópticos RotativosVirtual Absolute Encoders

Os leitores, provavelmente estão familiarizados com codificadores, tanto incrementais e absolutos. No entanto, podem estar menos cientes de um novo desenvolvimento tecnológico chamado Virtual Absoluto (VATM). Este codificador é absoluto em essência ou efeito, sem ser formalmente reconhecido como tal, isto é o que significa “virtual”. Na realidade, não é nem um encoder incremental nem um encoder absoluto. É um novo tipo de dispositivo que tem o mesmo número de faixas de código que um encoder incremental, mas comporta-se mais como um codificador convencional absoluto.

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Encoders Ópticos RotativosVirtual Absolute Encoders

Num codificador rotativo, este ângulo de inicialização é tipicamente de 1-2º, em função de contagem de linha do codificador (resoluções não binárias são facilmente acomodadas).Num codificador linear, o movimento necessário é menos de 1 mm. A partir desse ponto, o codificador é verdadeiramente absoluto.

Como funciona:Um encoder absoluto virtual usa apenas

faixas cíclicas e índice, como um encoder incremental. No entanto, você pode ver a pista índice (a exterior), é algo como um código de barras, em vez de apenas uma única linha.

A posição absoluta é codificada em série ao longo desta primeira faixa, ao invés de ser dispersa por várias faixas paralelas. Você não sabe a posição imediatamente após a inicialização, como acontece quando se utiliza um encoder convencional absoluto, mas depois de um movimento muito curto, em qualquer direção e partindo de qualquer lugar, você sabe exatamente onde está.

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Encoders Ópticos RotativosVirtual Absolute Encoders

Como funciona (Cont.):

Os códigos pseudorandom de saída, lidos a partir do disco ou escala, necessitam de descodificação para um formato binário natural. Este descodificador pode ser implementado com um PLD, que fica no lugar do descodificador de quadratura e do contador up / down, como num codificador incremental.

Assim, embora este tipo de unidade custe um pouco mais do que um sistema de incremental, a resolução é comparável e eficaz como absoluto. Uma vez que não conta incrementos de posição a partir da faixa cíclica(s), não pode ganhar ou perder "contagens" , como na rigidez de um sistema de encoder incremental.

Aplicações caractristicas:Movimento muito lento.Movimento muito rápido.Segurança.Eficiência.Confiança.

Controle remoto.Vácuo.Transdutores lineares.Sensibilidade ao preço.

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Encoders Ópticos RotativosVirtual Absolute Encoders

Vantagens:

A distância ou o ângulo de inicialização dependem de um movimento fixo muito pequeno e, independentemente da posição de partida ou direcção da rotação.

O codificador gera todas as informações do mesmo modo como um codificador absoluto convencional, de modo que tem interface para processadores de sinais digitais, computadores, PLCs, controlos de servos, etc, é simples.

Com teste de funções “Built-in”, não encontrado em nenhum dispositivo similar convencional, elabora relatórios de várias avarias do codificador, e também pode ajudar a detectar problemas no sistema, como calor ou velocidade excessiva.

Óptica simples permitem um codificador rotativo menor do que um convencional absoluto, para uma resolução igual (e tem um maior orifício de passagem).

Electrónica mais simples, com contagem de peças reduzida, e menos alinhamentos críticos internos traduz-se numa maior fiabilidade intrínseca em relação a um codificador convencional absoluto.

As principais vantagens desta tecnologia Virtual Absolute podem ser resumidas da seguinte forma:

http://gurley.com/Virtual_Absolute/VAoverview.htm

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Encoders Ópticos Rotativos Encoder de fibra Óptica

Usa duas tecnologias maduras, os codificadores ópticos convencionais, e fibras ópticas, reunidas num sistema, para criar um um sensor de posição intrinsecamente seguro e confiável, pequeno, de baixo custo, imune a EMI, robusto, e de alta temperatura.

Este produto inovador, mede a posição angular absoluta de 0 ° a 360 ° com 13 bits de resolução (8192 contagens), a velocidades superiores a 2500 rpm, e a distâncias superiores a 300 metros. Este novo sistema de sensor de posição absoluta (ou incremental) de fibra óptica, usa uma nova técnica óptica, embebida num sensor passivo e um controlador activo ligados por um link duplex de fibra óptica.O controlador transmite um impulso de luz para o disco de código do sensor, que

modula os componentes espectrais da luz com base na posição angular. A informação da posição é impressa no espectro óptico da luz e é enviada de volta para o controlador para leitura precisa da posição.

Funcionamento

http://www.micronor.com/products.php?product_id=273

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Módulo movimento angular do eixo

Carcaça

Cabeças de Leitura

2 Colunas de 7 fibras por canal

Canal 1

Canal 2

Canal 3

Faixa reflectora

Encoders Ópticos Rotativos Encoder de fibra Óptica

Composição do sensor

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Contoller

Encoders Ópticos Rotativos Encoder de fibra Óptica

> 2500 metros

+24V

A/B

Um sistema completo de Sensor de Posição Fibra Óptica (FiberOpticPositionSensor) é composto por um sensor óptico e um controlador, ligados através de conectores padrão industrial, Duplex LC 62.5/125 de fibra óptica multimodo. Este novo sistema de sensores secundariza os convencionais codificadores absolutos e resolvers, fornecendo sem interferências, detecção e de transmissão de até 2500m.

VFD Drive

http://www.micronor.com/products.php?product_id=273

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Encoders Ópticos Rotativos Encoder de fibra Óptica

Módulo de Controlo

http://www.micronor.com/products.php?product_id=273

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Encoders Ópticos Rotativos Encoder de fibra Óptica

Com eixoSem eixo

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Encoders Ópticos Rotativos Encoder de fibra Óptica

Precisão e imunidade a EMI, são ideais para aplicações que requerem controlo de movimento preciso, e medição de posição, em ambientes rigorosos: plataformas de petróleo, antenas de satélite, matrizes de painéis solares, sistemas de actuadores, sistemas de transporte, siderúrgicas e instrumentação médica…

http://www.micronor.com/products.php?product_id=273

O sensor de velocidade com fibra óptica para a determinação da velocidade de rotação de um objecto, usa uma superfície reflectora (Disco) que selectivamente deixa passar a energia luminosa, num determinado intervalo de comprimentos de onda. Uma vez que a luz incidente e a reflectida não têm o mesmo comprimento de onda, esta é característica da velocidade rotativa do veio.

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http://vimeo.com/20637306

Encoders Ópticos Rotativos Encoder de fibra Óptica

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Encoder a Laser : Laser Rotary Encoder (LRE) Técnicas de difracção melhoram o desempenho do codificador

Encoders Ópticos Rotativos

Um codificador mede o movimento relativo entre as duas partes de um sistema mecânico. Num dispositivo convencional, baseado em geométrica óptica, em que a luz brilha através de fendas em um disco de código móvel, ou escala. As sombras das fendas passam por um grupo fixo de fendas correspondente a uma escala fixa, e um detector por detrás das fendas fixas e um outro detector também por detrás das fendas fixas, que monitora a modulação óptica resultante.

Este método funciona bem o suficiente para sistemas de resolução menos selectiva, mas ocorrem problemas como o método é aplicado a resolução mais alta. Para aumentar a resolução do sistema, as fendas devem ser reduzidas, os efeitos de difracção eventualmente começam a dominar, a fidelidade degrada a sinusoidal do sinal e a sua dependência do alinhamento, limita severamente a resolução. Porque os efeitos da difracção pioram com o aumento do caminho da difracção óptica, uma solução parcial para os codificadores tradicionais foi mover a escala fixa para cada vez mais perto da escala em movimento. Esta abordagem, no entanto, leva a apertadas tolerâncias mecânicas inaceitavelmente caras.

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Encoders Ópticos Rotativos

Diodo Laser

Abertura

Colimador

Disco de Difracção

Região de interferência

+3

-3

+1

-1

Detectores

Saída de 4 bits

Encoder a Laser : Laser Rotary Encoder (LRE) Técnicas de difracção melhoram o desempenho do codificador

Os codificadores ópticos de difracção, são baseados em física óptica, utilizando a interferência entre duas ordens de difracção, produzida por uma grelha padrão, que gera um sinal quase sinusoidal perfeito, numa matriz de fotodetectores. A Saída colimada a partir de uma fonte de díodo laser passa através do disco graduado, que difrata a luz, em ordens discretas. O design da graduação, suprime a ordem “0” e até todas as ordens pares.

Um agrupamento de fotodetectores colocados dentro desta região capta quatro amostras da sinusoide.

Com a ordem 0 suprimida, existe uma região divergentes além da terceira ordem, onde apenas as ordens +1 e -1 se sobrepõem, para criar uma interferência quase sinusoidal pura.

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Os Codificadores rotativos a laser (LREs), detectam ângulos por meio de análise de luz(*) e interferência(** ), empregando lasers de semicondutores, como a fonte de luz. O uso de um prisma óptico proprietário, permite a criação de dispositivos mais compactos.

Encoders Ópticos Rotativos Encoder a Laser : Laser Rotary Encoder (LRE)

Os LREs são usados para ajustar o ângulo de braços robóticos industriais, e plataformas de câmaras de radiodifusão.

Análise de luz(*) - Uma propriedade da luz. A luz viaja em ondas que, após bater num objeto, se curva, em torno da sombra do objeto. Este fenômeno é conhecido como difração.

Funcionamento

Interferência da Luz(** ), Uma propriedade da luz. A luz viaja em ondas e torna-se mais brilhante quando combinada com luz da mesma fase.

Quando combinada com a luz com uma fase que difere em 180º, as duas se anulam mutuamente, resultando na escuridão. Este fenômeno é conhecido como interferência.

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Como ilustrado no diagrama, os feixes de laser são aplicados em dois pontos equidistantes do centro do disco graduado de rotação. Um feixe de difracção de primeira ordem é positivo (1) e o outro é de primeira ordem negativa (-1). Para cada passo que o disco gira, a luz de difração ± 1 vai mudar de por ± 2π.

Eixo de Rotação

Foto receptor

Espelho Espelho

Separador de feixe

Semicondutor - Laser

Disco graduado

Elemento reflector Elemento reflector

Encoders Ópticos Rotativos Encoder a Laser : Laser Rotary Encoder (LRE)

Funcionamento

Reflectindo a luz de difracção ± 1 nos espelhos respectivos e em seguida aplicando-a novamente para o disco, muda de fase em ± 4π.

Deste modo, cada vez que o disco gira um passo, os sinais de interferência de brilho de 4 ciclos pode ser obtida, fazendo possível uma detecção do ângulo de alta precisão.

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Encoders Ópticos Rotativos Encoder a Laser : Laser Rotary Encoder (LRE)

Diagrama

Semicondutor LaserFotodiodos

Polarizers

Beam Splitter

Disco Codificado

Quarter Wave Plate

Prisma Polarizador

Eixo

Quarter Wave Plate

Cats eye reflector

Zero-Phase index pattern

http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-32/issue-10/departments/design-and-applications/diffractive-techniques-improve-encoder-performance.html

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Encoders Ópticos Rotativos Encoder a Laser : Laser Rotary Encoder (LRE)

Codificadores laser Canon rotativos usam o método de difracção de interferência da luz, com um laser de semicondutor como o elemento emissor de luz. O resultado é um codificador de tamanho ultra-compacto que, era impossível obter com as tecnologias tradicionais dos Encoders rotativos.

Tecnologia da Canon mudou o mundo de Encoders rotativos:81.000 impulsos num disco de 36mm de diâmetro.

É um produto compacto, sensor de elevada precisão de rotação angular, que é certo que desempenhará um papel importante no desenvolvimento de produtos de alta tecnologia, que irão liderar o mercado no século 21, numa grande variedade de campos, tais como a robótica, a fabricação de máquinas , e o equipamento de medição.

http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-32/issue-10/departments/design-and-applications/diffractive-techniques-improve-encoder-performance.html

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Encoders Rotativos Encoder de Comutação

Um codificador de comutação contém os mesmos componentes fundamentais, tal como os codificadores incrementais, mas com a adição de vias de comutação ao longo do bordo exterior do disco para saídas U / V / W .

Como funciona?Utiliza um disco transparente, que inclui secções opacas que são igualmente espaçadas,

para determinar o movimento. Um diodo emissor de luz é utilizado para passar a luz através do disco de vidro e que é detectada por um fotodetector. Isso faz o codificador gerar um trem de impulsos espaçados enquanto ele roda. A saída de emissores incrementais é medida em pulsos por revolução, que é usada para manter o controlo de posição ou determinar a velocidade.

A parte exterior do disco codificador inclui faixas de comutação que proporcionam a um controlador a informação sobre a posição exacta dos pólos do motor, de modo que a entrada do controlador pode ser fornecida ao motor. As faixas de comutação do codificador leem a posição do motor e instruem o controlador de como fornecer corrente eficaz e adequada ao motor, para provocar a rotação. A saída de comutação para U / V / W pode ser sob a forma de saída diferencial ou colector aberto (dependente do fabricante ).

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Zero pad’s

Encoders Rotativos Encoder de Comutação: (Cont.)

A instalação é simples, com uma larga gama de actuadores magnéticos e opções de montagem para o codificador. Uma simples posição de azeramento e programação simples, evita a necessidade de ajustamentos complicados do codificador.

Resoluções disponíveis a partir de 256 a 1.024 impulsos por revolução (1.024 para 4.096 contagens por revolução com avaliação × 4 ). Sinais de comutação U, V, W com saídas simultâneas para 1-8 pares de pólos (2 a 16 pólos).

http://www.rls.si/en/commutation-encoders--15877

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A tecnologia de Sensores Capacitivos não é certamente nova para o mundo da electrónica. A sua primeira grande aplicação, remonta á década dos anos de 1960´s, com comutadores de toque capacitivos, e actualmente é universalmente usada em dispositivos electrónicos portáteis, como telemóveis e tabletes.

As vantagens da tecnologia capacitiva, inclui correntes de operação muito baixas, na ordem dos microamperes, ampla gama de programação, excelente gama de temperatura de funcionamento, resistência aos contaminantes do ar, baixo custo, longa durabilidade.

Encoders Rotativos Encoder Capacitivo

Tendo sido uma área, quase exclusivamente servida por sensores de efeito de Hall e tecnologias ópticas, os Encoders, podem agora beneficiar do uso da tecnologia capacitiva.

Mas os sensores capacitivos, são uma tecnologia recente no campo de codificadores rotativos, em aplicações controlo de motores, para medida da posição, distância, direcção e velocidade do motor.

No entanto, os sensores capacitivos podem ser suscetíveis a EMI / RFI e a humidade (água). Ambos os problemas são corrigíveis com suplementos mecânicos, tais como vedantes de água e blindagem EMI / RFI. http://www.cui.com/

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Encoders Rotativos Encoder Capacitivo (Cont.)

A busca da eficiência energética nos projetos, fez dos codificadores de posição capacitivos, um tema importante. Praticamente em todas as aplicação de controlo de movimento, encontraremos, um codificador de posição. Estes transdutores onipresentes, têm sido a maneira padrão de fornecer feedback de posição em servoloops.

Os Codificadores capacitivos actualmente no mercado, operam a 3,6 V - uma vantagem quando operando a partir de baterias - e consomem apenas cerca de 7mA. Além disso, eles podem ser vantajosos em situações da presença de sujidade, névoa, ou outra contaminação, que tornam os codificadores ópticos pouco fiáveis.

O codificador é composto essencialmente por três partes: Um transmissor de HF,Um receptor de HF,E um disco modulador.

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Encoders Rotativos Encoder Capacitivo: Composição

Transmissor de HF

Disco Modulador

Receptor de HF

Veio do Motor a controlar

Desta forma, a amplitude relativa dos sinais a partir de diferentes partes da placa do transmissor depende da posição do disco e, assim, serve como meio para a medição da posição do eixo. Um ASIC incorporado, calcula a posição do sensor, para cada ciclo de medição. Circuitos adicionais neste ASIC criam um modelo contínuo do movimento de rotação, a partir da qual os sinais de quadratura semelhantes aos dos codificadores ópticos são criados.

O Encoder capacitivo utiliza um disco codificador que modula o acoplamento capacitivo entre os eléctrodos de um transmissor e de um receptor. Assim, dependendo da posição de rotação do disco, as diferentes partes dos seus segmentos condutores de sinais, podem integral ou parcialmente estar entre as diferentes partes das placas do transmissor e do receptor.

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Encoders Rotativos Encoder Capacitivo: Esquema Bloco

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Encoders Rotativos Encoder Capacitivo: Funcionamento

Para gerar o sinal do transmissor, o codificador inicia-se com um sinal digital de 5MHz modulado por 10 KHz. Ele vai para um circuito de contador que, em conjunto com outra lógica, produz um conjunto de quatro padrões digitais cada, deslocados em fase de 90 °.

Como as rotações, o disco codificador, efectivamente modula em amplitude, o sinal recebido pelo receptor . Este sinal modulado em amplitude passa por um detector síncrono no receptor. O detector elimina a portadora de 5MHz e deixa a modulação de amplitude, o que resulta num sinal que é efectivamente sinusoidal de cerca de 10kHz. A sua fase é a medida da posição angular do disco codificador. Um contador seguidor de posição, é usado para obter uma representação contínua da posição do rotor.

O seu valor é comparado com o contador de controlo do transmissor no mesmo instante. A diferença (positiva ou negativa) controla a frequência do gerador de impulsos que alimenta o contador seguidor de posição. Por filtragem adequada, deste circuito de controlo, o contador seguidor de posição, segue o movimento real do rotor com uma boa precisão. http://www.cui.com/

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Encoders Rotativos Encoder Capacitivo: Funcionamento (Cont.)

O circuito gera os sinais em quadratura normalmente associados com transdutores de posição, combinando os dois bits menos significativos deste contador num circuito de lógica simples. O contador seguidor de posição está configurado de forma que a contagem total é igual ao número de voltas de 360 ° dadas pelo veio do motor.

O contador seguidor de posição é um contador ascendente / descendente. Quando o movimento codificador é para a frente, este contador conta o seu conteúdo e aumenta em valor. Quando o codificador se move para trás, o contador diminui a sua contagem. Esta acção permite que ao codificador manter-se informado se o rotor roda no sentido horário ou anti-horário. Um circuito de quadratura utiliza essa informação para gerar impulsos de A e B em quadratura, com a fase relativa entre eles, indicando o sentido de rotação do eixo

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PCB

Encoders Rotativos Encoder Capacitivo: Flexibilidade

As placas de circuito que são responsáveis pela detecção de rotação são rebitadas dentro do invólucro da tampa superior. Isso permite mais fácil acesso ao Dip-switch que faz a selecção de resolução.

Disco

16 Resoluções seleccionáveis Tecnologia

ASIC (Proprietária)

Mangas de adaptação a várias secções de veios.

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Encoders Rotativos Encoder Capacitivo: Flexibilidade

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Com apenas algumas peças duráveis , ele encaixa-se em segundos, sem risco de danificar um disco de vidro óptico ou outros componentes frágeis.

Encoders Rotativos Encoder Capacitivo: Flexibilidade

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Encoders Ópticos Rotativos Encoder Capacitivo Vs Encoder Óptico

As vantagens deste tipo de codificador incluem um custo mais baixo, uma vez que são mais fáceis de montar. Os sensores capacitivos não são corrompidos por partículas no ar e há menos massa, assim a folga é minimizada e o momento de inércia é reduzido. Também não há LEDs para queimar. Eles também podem usar menos energia, pois não precisam de acender LEDs múltiplos e detectores, têm resoluções seleccionáveis e podem transferir sinais em série, não precisando de tantos fios.

No entanto, os sensores capacitivos podem ser suscetíveis a EMI / RFI e a humidade (água). Ambos os problemas são corrigíveis com suplementos mecânicos, tais como vedantes de água e blindagem EMI / RFI.

A tecnologia ASIC assegura que o codificador é menos sensível ao calor e ao frio, proporcionando um funcionamento fiável entre uma gama de temperatura mais ampla. Além disso, a construção baseada em ASIC é muito menos susceptível à vibração do que o disco de vidro de um codificador óptico.

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Codificadores de Posição Resistivos o Potenciómetro

Um método para determinar uma posição, é a utilização de qualquer "distância", que pode ser a distância entre dois pontos, tais como a distância percorrida ou afastada de um ponto fixo, ou por "rotação" (movimento angular). Por exemplo, a rotação de uma roda de robôs para determinar a distância percorrida ao longo do solo. De qualquer maneira, os sensores de posição podem detectar o movimento de um objecto em linha recta, usando sensores lineares, ou pelo seu movimento angular, com sensores de rotação.

O mais utilizado de todos os "Sensores de posição", é o potenciómetro, porque é um sensor de posição de baixo custo e fácil de usar. Ele tem um contacto de fricção, ligado a um veio mecânico, que pode ser angular (rotação) ou linear (tipo deslizante), no seu movimento, e que faz com que o valor da resistência entre o contacto / cursor e as duas ligações de extremidade, produza um sinal eléctrico de saída que tem uma relação de proporcionalidade entre a posição real do contacto resistivo e o seu valor de resistência. Por outras palavras, a resistência é proporcional à posição.

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RotativoLinear

o Potenciómetro (Cont.)

Codificadores de Posição Resistivos

V+Vout

V+Vout

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Existe uma grande variedade de modelos e tamanhos de Potenciômetros, tais como o tipo mais comum, redondo e rotativo ou mais longos e planos, os tipos deslizantes lineares. Quando usado como um sensor de posição do objecto móvel, está ligado directamente ao veio ou deslizante do potenciómetro e uma tensão de referência DC é aplicada entre as duas ligações fixas exteriores, que formam o elemento resistivo. O sinal de tensão de saída é obtido a partir do terminal do contacto deslizante:

o Potenciómetro (Cont.)

Esta configuração produz um circuito divisor de potencial ou de voltagem, cuja saída é proporcional à posição do eixo. Em seguida, por exemplo, quando se aplica uma tensão de 10V através do elemento resistivo do potenciómetro a tensão de saída máxima seria igual à da tensão de alimentação de 10 volts, com a tensão de saída mínima igual a 0 volts. O contacto do potenciómetro irá variar o sinal de saída de 0-10 volts, com 5 volts, indicando que o contacto ou cursor está na sua posição central.

Faixa Resistiva

Contacto Deslizante

Corpo

Movimento angular do

veio

O sinal de saída (Vout) do potenciómetro é tomado a partir da ligação do contacto central enquanto se move ao longo da faixa resistiva, e é proporcional à posição angular do veio.

Codificadores de Posição Resistivos

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o Potenciómetro (Cont.)Exemplo de um circuito sensor posicional simples.

Enquanto sensores resistivos de posição, os potenciómetros têm muitas vantagens: baixo custo, baixa tecnologia, fácil de usar, etc.,. Como um sensor de posição, eles também têm muitas desvantagens: desgaste por peças móveis, baixa precisão, baixa repetibilidade, e resposta em frequência limitada.

Codificadores de Posição Rotativos

Os Potenciómetros são úteis para precisão na área de 5% a 0,5% e são o dispositivo de menor custo. Uma vez que eles estão sujeitos a desgaste, a sua aplicação é geralmente limitada ao consumidor final e a aplicações industriais baratas (low end).

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Codificadores de Posição Resistivos o Potenciómetro (Cont.)

Tipos de potenciómetros:Bobinados: o contacto desliza ao longo de uma bobine de fio de níquel-crómio.

O fio tende a falhas com variações de temperatura.

Cermet: o contacto desliza sobre uma faixa de cerâmica condutora.Melhor que os bobinados na maioria dos aspectos.

Película de Plástico: de alta resolução.Longa duração e estabilidade com a temperatura.

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Codificadores de Posição Resistivos

Potenciómetro

Engrenagem 2/1

Motor

120º

Contacto

Hardware

5V

Vpot= 0,29V

(5V) 350º 7.3V

(3.4V) 340º 5V

Vref= 5V

ADC8-bits

Controller

0 MSB0 0 0 1 1 1 1 LSB

20º

Gama de variação

filtragem

Circuito Sensor

o Potenciómetro (Cont.) – Motor de braço de Robot

10V Vout

Motor

Braço

BraçoHardware

Potenciómetro

Potenciómetro acoplado ao eixo do motor.

350º

175º

10V

(10V)

(5V)

(0V)

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No entanto, os potenciómetros bobinados, conhecidos também por reóstatos, bobinados com bobine de fio resistivo, ou fio linear, também são muito usados , mas sofrem de problemas de resolução, como ressaltos dos seus contactos (escovas), de um segmento de fio para o outro produzindo uma saída logarítmica (LOG), resultando em erros no sinal de saída. Estes também sofrem de ruído elétrico.

Contacto

Para aplicações de alta precisão e de baixo ruído, potenciômetros tipo cermet, ou potenciómetros de película de polímero, com elementos resistivos de plástico condutor, são mais indicados. Estes potenciómetros têm baixo atrito e deslocamento eléctrico e resistivo, de muito baixo ruído, longa duração e excelente resolução, e estão disponíveis como multi-voltas e volta única simples. As aplicações típicas para este tipo de sensores de alta precisão da posição é em joysticks de jogos de computador, volantes, industriais e aplicações de robôs.

Codificadores de Posição Resistivos o Potenciómetro (Cont.)

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Codificadores de Posição Resistivos o Potenciómetro (Cont.) –Potenciómetro de película

Elemento:Plástico condutor:Substrato moldado, de resina plástica condutora, de alta temperatura, para uma melhor fiabilidade, durabilidade e capacidade de contacto..

Contactos em anelde metal precioso:Para menor ruído e longa duração.

Terminais banhados a ouro:Não corroer ou manchar.

Eixo de aço inoxidávelNão corrosivo. Muitas modificações disponíveis para a facilidade de ligar para o seu sistema..

Contacto em liga de metal precioso:Em liga de platina para longa vida e baixo ruído. Os modelos de plástico condutor estão equipados com contactos em forma de pente, impedindo contacto intermitente em aplicações de choques e de maiores vibrações.

Bocins em bronzePara fixação e melhor suporte do veio.

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o Potenciómetro (Cont.)Mas existe uma desvantagem principal ao usar o potenciómetro como um sensor

de posição. A gama de movimentos do cursor ou do contacto (e, portanto, o sinal de saída obtido) está limitada ao tamanho físico do potenciómetro a ser utilizado. Por exemplo, um potenciómetro rotativo de uma rotação simples, geralmente só tem uma rotação eléctrica fixa, entre cerca dos 240 a 330º, no entanto, os potenciómetros multi-voltas podem disponibilizar até 3600º de rotação eléctrica. A maioria dos tipos de potenciômetros usam película de carbono para a sua faixa de resistência, mas esses tipos são eletricamente ruidosos (o crepitar num controlo de volume do rádio), e também têm uma vida mecânica curta.

potenciómetro multi-voltas

Veio de Aço Inox

Rosca de bronze

Terminais banhados a ouro

Contacto de metal precioso

Codificadores de Posição Resistivos

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Codificadores de Posição Rotativos o Potenciómetro (Cont.) –Potenciómetro de Corda (Spring/Wire)

Potenciômetros cordas são compostos essencialmente por quatro partes principais: um cabo de medição, um rolo, molas, e sensor de rotação.

Alojado juntamente com o sensor/transdutor, um cabo de aço inoxidável, é enrolado em bobine de diâmetro com precisão constante, que gira sobre um rolo cilíndrico, á medida que o cabo de medição enrola ou desenrola.

Para manter a tensão no cabo, uma mola de torção é acoplado ao rolo. O rolo está acoplado ao veio, de um sensor de rotação (um potenciómetro ou codificador). O cabo do transdutor estende-se ou encolhe, conforme o movimento do objecto móvel, que é transmitido aos eixos do rolo e do sensor de rotação. O eixo de rotação cria um sinal eléctrico proporcional à extensão linear do cabo ou da velocidade.

Cabo flexível de alta resistência

Sensor de rotação/Encode

r

Mola motora de alto binário

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http://www.beiied.com/images/LT25_v07.swf

Codificadores de Posição Resistivos o Potenciómetro (Cont.) –Potenciómetro de Corda (Spring/wire)- Flash

O potenciómetro de corda, deve ser ligado como uma resistência variável de três fios (divisor de tensão), a um circuito de controlo, ou uma placa electrónica, para produzir um sinal de medição de uma forma útil, tais como uma tensão variável de 0-10 VDC, e corrente 4-20mA, Encoder, ônibus (Device Net e Canbus) e comunicações RS232.

As limitações do método.Uma vez que o cabo de medição pode cair ou ser desviado pelo vento ou gravidade, a precisão global da uma medição com potenciômetro de corda é limitada. O mecanismo do cabo limita a velocidade à qual o objecto medido pode mover-se. Mudanças de temperatura afectam tanto o comprimento do cabo como o valor da resistência do potenciómetro. Quando vários objetos, tais como artigos sobre uma linha de montagem, ou objetos que são quentes ou revestidos com tinta fresca estão para ser medidos, deve-se usar um método sem contato…

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Tacó

met

ro

Medidores Rotativos

Por ser um instrumento de última geração dispõe de um indicador de cristal líquido de grande tamanho facilitando a leitura das medições. Este instrumento também dispõe de memória de máximo e mínimo.

o TacómetroO Tacómetro, também conhecido como

taquímetro, é um instrumento de medição do número de rotações (geralmente por minuto, RPM) de um motor.

Pode também ser chamado também de conta-rotações, conta-voltas ou conta-giros.

O Tacómetro digital electrónico de baixo custo, pode ser utilizado como um tacómetro óptico ou como um tacómetro de contacto, permitindo a medição de RPMs nas mais diversas aplicações.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Tac%C3%B4metro

Quando operado como tacómetro de contacto, permite o uso como medidor de velocidade linear (metros/segundo). No modo fototacómetro possui uma mira laser que pode ser usada com precisão até 100 cm de distância do ponto de medição da rotação.

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Tacó

met

ro

Medidores Rotativos o Tacómetro

Medições tacométricas em automação …

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Tacó

met

ro

Medidores Rotativos o Tacómetro: Funcionamento óptico

Para medição de rotações onde não é possível o contacto físico, difícil acesso, restrições de espaço, problemas de segurança, etc.

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Módulo SensorFalha com ar

Roda Magnética

Medidores Rotativos o Tacómetro: Funcionamento Linear

Para medição de rotações, em veio, poleias, engrenagens etc.

Para medição da velocidade linear, ou o comprimento de superfícies móveis como por exemplo sintas de transporte, estampagem de tecidos, rolos de papel, etc.

Sensor Magnético

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Vantagens: alta sensibilidade, simplicidade de construção, baixo custo.Desvantagens: atrito, desgaste, salto de contato, oxidação de metais.A precisão depende da realização de padrões de impressão a galvanoplastia.

Codificadores Rotativos – Outras Tecnologias Contactos deslizantes

Saída

Comutador de escovas Escova de contacto

deslizante

Áreas de metal condutor

Disco Codificador

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Primário

SaídaO rotor magnetizado está ligado ao eixo, rodando ambos em

conjunto. Existe um espaço de ar entre o circuito sensor e o rotor magnetizado. Conforme o rotor gira e passa sobre o circuito sensor, um sinal de onda sinusoidal é gerado em função da mudança no campo magnético.

Um codificador magnético usa dois componentes principais para fornecer feedback posição. O primeiro componente é o rotor, que está magnetizado com pólos norte e sul, que são revestidas em torno do perímetro do disco. O segundo componente é o sensor. Dois sensores utilizados são os sensores Hall-Efeitos ou os sensores magneto-resistivos. O sensor de efeito Hall é capaz de detectar a alteração na tensão, devido à deflexão magnética dos electrões, enquanto que os sensores magneto-resistivos usar resistências sensíveis a alterações no campo magnético.

VrefTransformador(Sensor)

Pontos Magnéticos

A onda sinusoidal criada é então convertida num sinal de onda quadrada (A/D), e alimentado a um circuito de controlo.

Codificadores Rotativos – Outras Tecnologias Encoders Magnéticos

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Pode ser usado sensor de indução magnética ou de corrente de Eddy .Indução magnética: a impressão no disco é ferromagnético, as áreas salientes dos disco

alteram o fluxo.Relutância diminui-fluxo aumenta - tensão induzida aumenta. Corrente de Eddy: o disco é revestido com padrão de material condutor.

Indução Magnética ou Corrente de Eddy

SaídaDisco Codificador

Faixa Codificada

Sensor de Proximidade

Marcas (ferromagnéticas) Material condutor (Eddy)

Corrente de Eddy

Codificadores Rotativos – Outras Tecnologias

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Dúvidas?

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Bibliografiashttp://www.cowardstereoview.com/analog/

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040003/lecciones/cap5lecc10.htm

http://www.ebah.com.br/content/ABAAABrnwAI/encoders#

http:// www.motion-control-info.com/

http://www.euclidres.com/motionSensors/motionSensors.html#other

http://www.ufsm.br/desp/geomar/automacao/Apostila_032012.pdf

DEG -UFLA - Introdução à Engenharia de Controle e Automação de Bruno Henrique Groenner Barbosa

http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_2.html

http://content.heidenhain.de/presentation/elearning/EN/index

http://www.ebah.com.br/content/engenharia-eletrica

http://www.potentiometers.com/LCPdesign.cfm

http://amci.com/tutorials/tutorials-what-is-resolver.asp

http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos5.php

http://www.micronor.com/products.php?product_id=273