Enkoder optik
Enkoder optik mengandalkan kisi/retikel optik dan deteksi fotoelektrik untuk mengonversi gerak rotasi atau linear menjadi sinyal listrik. Perangkat ini menjadi sistem umpan balik posisi utama pada mesin CNC, platform semikonduktor, metrologi presisi, robotika, dan otomasi kelas atas. Berkat resolusi tinggi, SDE (Sub-Division Error) rendah, dan repeatability yang sangat baik, enkoder optik banyak digunakan untuk pemposisian dari skala nano hingga mikrometer.
Apa itu enkoder optik (What is an Optical Encoder)
Enkoder optik adalah sensor yang memperoleh informasi posisi melalui rantai sumber cahaya → kisi/retikel optik → deteksi fotoelektrik. Intinya terdiri dari skala/diska berkisi periodik (Scale/Disk) dan kepala baca (Readhead): dalam celah optik yang ditentukan, kepala baca menangkap garis interferensi (fringe) atau sinyal interferensi yang dihasilkan oleh transmisi/refleksi kisi; sinyal kemudian diproses oleh front-end analog (AFE) serta rangkaian interpolasi/dekode, menghasilkan keluaran inkremental A/B (opsional referensi Z), sinus/kosinus 1 Vpp, atau data posisi absolut serial (SSI/BiSS/EnDat, dll.)
Menurut bentuk gerak, dibedakan menjadi enkoder optik rotasi (diska/codec disk) dan enkoder optik linear (skala). Dibandingkan estimasi tidak langsung lewat ball screw/cremalier, enkoder linear memungkinkan pengukuran langsung sehingga secara signifikan menekan galat akibat backlash (celah balik), pitch sekrup, dan pemuaian termal; sedangkan enkoder rotasi menyediakan umpan balik sudut dan kecepatan beresolusi tinggi untuk motor dan meja putar.
Prinsip kerja (Working Principle)
1) Penggambaran / frinj Moiré (Imaging/Moiré)
- Struktur: sumber (LED/VCSEL) → optik kolimasi/pembentuk citra → masker/kisi fase → matriks fotosensitif.
- Mekanisme: pergeseran relatif antara skala dan kisi referensi di kepala baca menghasilkan frinj Moiré yang membentuk sinyal sinus/kosinus mendekati ideal; melalui interpolasi serta penyeimbangan amplitudo/fase diperoleh resolusi tinggi.
2) Interferensial / kisi fase (Interferential/Phase Grating)
- Mekanisme: beda fase antar-orde difraksi berubah linear terhadap perpindahan; superposisinya menghasilkan sinus murni dengan SDE lebih rendah dan potensi resolusi lebih tinggi.
3) Transmisi vs. refleksi
- Transmisi: substrat kaca/keramik; rasio sinyal-derau tinggi dan linearitas baik; cocok untuk lingkungan bersih dan penempatan presisi.
- Refleksi: kisi reflektif termetalisasi/berlapis; struktur kompak, mudah dipasang; lebih sensitif terhadap kontaminasi → perlu penyegelan baik serta tirai udara/scraper.
4) Logika keluaran inkremental vs. absolut
- Inkremental: pulsa A/B kuadratur (selisih fase 90°); arah ditentukan dari urutan fase; referensi Z muncul sekali tiap lintasan/putaran.
- Absolut: setiap posisi memiliki kode unik (biner/Gray); dapat menyertakan diagnostik, suhu, dan register status.
Perkiraan resolusi linear: Δx ≈ p / (N × M)
dengan p = pitch kisi, N = faktor interpolasi analog (mis. 100×), M = faktor penggandaan digital (tipikal 4×).
Resolusi sudut ekuivalen (enkoder rotasi): θ_res = 360° / (jumlah garis × 4).
Taksonomi (Taxonomy)
- Berdasarkan gerak: enkoder optik linear / enkoder optik rotasi (diska)
- Berdasarkan keluaran: inkremental (TTL/HTL/RS422; 1 Vpp/11 µApp) / absolut (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, paralel)
- Berdasarkan implementasi optik: transmisi / refleksi; penggambaran / interferensial; kisi amplitudo / kisi fase
- Berdasarkan kemasan: terbuka (dinamika tinggi, gesek rendah) / tertutup (IP65–IP67, tahan kabut oli & cairan pendingin)
- Berdasarkan lintasan/substrat: kaca/keramik (CTE rendah), pita baja (lintasan panjang), kisi reflektif berlapis, dll.
Komponen kunci & rantai sinyal (Signal Chain)
- Sumber & optik: LED/laser; kolimasi/fokus menentukan keseragaman iluminasi dan drift termal; disarankan aging terkontrol dan kendali daya loop-tertutup.
- Kisi/diska: pitch
p, duty cycle, dan akurasi fase menentukan kemurnian sinyal & SDE. - Matriks fotosensitif / AFE: multikanal dengan penyeimbangan otomatis gain/offset/fase (penyeimbangan ABC).
- ASIC interpolasi/pengodean: koreksi amplitudo/fase, kompensasi eliptisitas, penyaringan digital dan penekanan jitter, pengodean protokol dan driver jalur.
- Lapisan fisik: RS422 diferensial, 1 Vpp/11 µApp; rancang impedansi terminasi, penataan kabel (pelindung/pembumian) dan jalur arus balik yang tepat.
Keluaran & antarmuka (Outputs & Interfaces)
| Format keluaran | Sinyal tipikal | Keterangan |
|---|---|---|
| Gelombang kotak inkremental | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Penghitung kecepatan tinggi PLC, loop kecepatan/posisi; jarak jauh utamakan diferensial |
| Sin/Cos | 1 Vpp, 11 µApp | Super-resolusi melalui interpolasi; SDE dan jitter bergantung pada kualitas rantai |
| Serial absolut | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Nilai absolut satu/banyak putaran, register diagnostik/suhu/peringatan |
| Fieldbus | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Sinkronisasi multi-sumbu, jam terdistribusi, konfigurasi daring |
Estimasi lebar pita (linear): f_max ≈ (v / p) × edges
dengan v = kecepatan linear, edges = jumlah tepi efektif per periode (mis. kuadratur 4×).
Indikator kinerja (Key Specifications)
| Indikator | Rentang/keterangan tipikal |
|---|---|
| Resolusi | Linear: 1 µm → 1 nm; Rotasi: ≤ 24 bit ekuivalen |
| Akurasi linear | Optik kelas atas: ±1–±3 µm/m; standar: ±3–±10 µm/m |
| Repeatability | ≤ ±0,1–±0,3 µm (linear); tipe sudut dapat mencapai sub-arc-second |
| SDE (galat subdivisi) | Rantai 1 Vpp berkualitas: ±20–±80 nm |
| Jitter | Puluhan nanometer; dipengaruhi AFE dan derau fase jam |
| Galat fase/duty | Fase A/B 90° ± (1–5)°; duty 50% ± (2–10)% |
| Kapasitas kecepatan | Linear > 1 m/s; rotasi hingga > 12.000 RPM (bergantung antarmuka) |
| Kelas lingkungan | IP40 (terbuka) hingga IP67 (tertutup); uji IEC 60068-2 (getar/kejut) |
Instalasi & sumber galat (Installation & Error Sources)
- Celah udara & sikap (pitch/roll/yaw) di luar toleransi → ketidakseimbangan amplitudo & SDE meningkat.
- Galat Abbe: offset lengan × galat sudut; usahakan garis ukur melalui pusat gerak atau kompensasikan via perangkat lunak.
- Galat kosinus (sudut kecil):
e ≈ (L × θ²) / 2. - Eksentrisitas/runout poros (rotasi): menimbulkan harmonisa dasar/orde kedua pada galat sudut.
- Pemuaian termal (CTE): rendah untuk kaca/keramik; pita baja perlu kompensasi termal dan pemasangan floating.
- EMC/pembumian: pembumian titik tunggal, pelindungan memadai & jalur balik terkendali untuk menghindari mode umum/loop ground.
Kalibrasi & kompensasi (Calibration & Compensation)
- Pemetaan linear: ukur kurva galat dengan interferometer laser/ballbar, lalu muat ke LUT pengendali.
- Kompensasi termal: koreksi waktu nyata menggunakan suhu skala/struktur dan model CTE.
- Penyeimbangan amplitudo/fase (kompensasi eliptisitas): penyeimbangan otomatis offset, amplitudo, dan fase sebelum interpolasi.
- Strategi referensi: marka referensi berkode jarak (distance-coded) memendekkan lintasan homing dan meningkatkan repeatability.
Perbandingan dengan prinsip lain (Comparisons)
| Teknologi | Resolusi/akurasi | Ketahanan kotoran/lingkungan | Lintasan tipikal | Keterbatasan utama |
|---|---|---|---|---|
| Enkoder optik | ★★★★★ | ★★★ | Sedang/panjang | Sensitif terhadap kontaminasi/kondensasi; tuntutan instalasi tinggi |
| Enkoder magnetik | ★★☆ | ★★★★ | Panjang | Linearitas dan SDE lebih lemah |
| Induktif/Kapasitif | ★★★ | ★★★★ | Sedang | Sensitif pada logam di dekatnya/arus eddy atau kelembapan |
| Resolver/Potensiometer | ★★ | ★★★★★/★ | Sedang/pendek | Resolusi rendah atau antarmuka kurang intuitif |
Aplikasi (Applications)
Sumbu linear & rotasi pada CNC, CMM dan platform metrologi; penjajaran/paparan/inspeksi semikonduktor; meja gerak presisi; sendi robot & pemantauan backlash reduktor; peralatan pencitraan/radioterapi medis; sinkronisasi pencetakan & pengemasan; perakitan/inspeksi elektronik dan penanganan berkecepatan tinggi.
Pemeliharaan & troubleshooting (Maintenance & Troubleshooting)
- Rutin: pembersihan berkala (kain bebas serat + pelarut sesuai), patuhi radius tekuk kabel/pelindung, pantau suhu-kelembapan & kondensasi.
- Gejala umum & penanganan:
- Pulsa hilang/tepi runtuh: celah berlebih, terhalang kontaminasi → atur sikap/bersihkan/tambah seal & tirai udara.
- SDE/jitter meningkat: derau pada AFE/rantai interpolasi, pembumian buruk → optimalkan catu, penataan kabel & terminasi.
- Gagal komunikasi absolut: parameter atau polaritas SSI/BiSS/EnDat tidak serasi → periksa panjang bingkai, CRC, timing & impedansi.
- Galat sudut harmonisa (rotasi): eksentrisitas/runout → tingkatkan konsentrisitas & kekakuan bantalan, terapkan kompensasi harmonik.
Panduan pemilihan (Selection Guide)
- Akurasi/repeatability target (µm/m atau detik busur) & dinamika kecepatan.
- Prinsip optik (transmisi/refleksi; penggambaran/interferensial) & pitch kisi
p. - Antarmuka keluaran (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, fieldbus) & lebar pita pengendali.
- Kemasan & lingkungan (terbuka/tertutup, rating IP, adanya cairan pendingin/debu).
- Desain mekanik/termal (toleransi celah/sikap, CTE, pemasangan floating).
- Kompensasi & diagnostik (peta galat, register suhu/status, alarm daring).
- Siklus hidup (kemudahan pemeliharaan kepala/cabling, ketersediaan suku cadang, kemampuan kalibrasi).
Standar & referensi (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (tingkat proteksi IP)
- IEC 60068-2 (getaran/kejut/suhu-kelembapan)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC industri: imuniti/emis)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (uji pemposisian & karakteristik termal mesin perkakas)
- ISO 10360 (verifikasi CMM)
- ISO 14644 (persyaratan ruang bersih)
Ringkasan: Penguasaan prinsip, spesifikasi, antarmuka, serta poin kunci instalasi & kompensasi pada enkoder optik memungkinkan operasi yang presisi, robust, mudah didiagnosis, dan stabil jangka panjang bahkan dalam kondisi kerja yang kompleks.