📘 Encoder Wiki
Optische encoders
Optische encoders gebruiken roosterstructuren en foto-elektrische detectie om rotatie- of lineaire verplaatsingen om te zetten in elektrische signalen. Ze zijn de toonaangevende positieterugkoppelingscomponenten in CNC-machines, halfgeleiderplatforms, precisie-metrologie, robotica en high-end automatisering. Dankzij hoge resolutie, lage onderverdelingsfout en uitstekende herhaalbaarheid worden optische encoders breed ingezet voor positionering van nano- tot micrometerniveau.
Wat is een optische encoder (What is an Optical Encoder)
Een optische encoder is een sensor die positie-informatie verkrijgt via de keten lichtbron — optisch rooster — foto-elektrische detectie. De kern bestaat uit een periodisch gestructureerde code-schijf/lineaire schaal (Scale/Disk) en een leeskop (Readhead): de leeskop leest binnen een gedefinieerde optische spleet de door transmissie/reflexie aan het rooster gevormde interferentie- of fringesignalen. Na verwerking in het analoge front-end en interpolatie/decodering worden incrementele A/B-signalen (optioneel met Z-referentie), sinus/cosinus 1 Vpp of absolute seriële posities (SSI/BiSS/EnDat e.d.) uitgegeven.
Naar bewegingsvorm onderscheidt men rotatieve optische encoders (code-schijf) en lineaire optische encoders (schaal). In vergelijking met indirecte meting via kogelomloopspil/tandheugel maakt een lineaire optische encoder directe meting mogelijk en onderdrukt zo speling-, spoed- en thermische uitzettingsfouten; rotatieve encoders leveren hoog-resolute hoek- en snelheidsfeedback voor motoren en draaitafels.
Werkingsprincipe (Working Principle)
1) Afbeeldend/Moiré (Imaging/Moiré)
- Opbouw: lichtbron (LED/VCSEL) → collimatie-/beeldoptiek → masker/phaserooster → fotogevoelige array.
- Mechanisme: relatieve beweging tussen schaal en referentierooster in de leeskop genereert moiré-patronen met quasi-sinus/cosinus; via interpolatie en amplitude-/fasecorrectie ontstaat een hoog-resolute verplaatsingsmeting.
2) Interferentieel/phaserooster (Interferential/Phase Grating)
- Mechanisme: de faseverschillen tussen diffractie-orden veranderen lineair met de verplaatsing; de superpositie levert zeer zuivere sinussignalen — met lagere SDE (Sub-Division Error; onderverdelingsfout) en hoger resolutiepotentieel.
3) Transmissie vs. reflectie
- Transmissief: glas-/keramisch substraat; hoge SNR en goede lineariteit — ideaal voor schone omgevingen en hoge precisie.
- Reflectief: gemetalliseerde of gecoate reflectieroosters; compact en montage-vriendelijk, maar gevoeliger voor vervuiling — vereist goede afdichting en luchtgordijn/afstrijker.
4) Incrementele en absolute logica
- Incrementeel: A/B-quadratuur (90° faseverschuiving), richting bepaald via fasevolgorde; Z-referentie één keer per bereik/per omwenteling.
- Absoluut: op elke positie een unieke code (Binary/Gray), vaak met diagnose-, temperatuur- en statusregisters.
Benaderde lineaire resolutie: Δx ≈ p / (N × M)
waarbij p = roosterperiode, N = analoge interpolatiefactor (bijv. 100×), M = digitale flankvermenigvuldiging (typisch 4×).
Equivalent hoekresolutie (rotatief): θ_res = 360° / (lijnen per omwenteling × 4)
Classificatie (Taxonomy)
- Naar beweging: lineaire optische encoder / rotatieve optische encoder (code-schijf)
- Naar uitgang: incrementeel (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / absoluut (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, parallel)
- Naar optische implementatie: transmissie / reflectie, afbeeldend / interferentieel, amplitude-/phaserooster
- Naar behuizing: open (hoge dynamiek, lage wrijving) / afgedicht (IP65–IP67, bestand tegen olie- en koelmiddeldampen)
- Naar meetlengte/substraat: glas/keramiek (lage CTE), stalen band (lange slag), gecoate reflectieroosters, enz.
Kerncomponenten & signaalketen (Signal Chain)
- Lichtbron & optiek: LED/laser, collimatie/focus bepalen verlichtingsuniformiteit en thermische drift; veroudering en gesloten-lus vermogensregeling aan te bevelen.
- Rooster/code-schijf: roosterperiode
p, duty-cycle en faseprecisie bepalen signaalzuiverheid en SDE. - Fotodetector/AFE: meerkanaals sampling, automatische amplitude-/offset-/fasebalancering (ABC-balans).
- Interpolatie-/encoder-ASIC: amplitude-/fasecorrectie, ellipscompensatie, digitale filtering en jitteronderdrukking, protocolcodering en line-driver.
- Fysieke laag: RS422-differentieel, 1 Vpp/11 µApp, afsluitimpedantie en kabelrouting (afscherming/aarding).
Uitgangen & interfaces (Outputs & Interfaces)
| Uitgangstype | Typisch signaal | Toelichting |
|---|---|---|
| Incrementele blokgolf | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC-hogesnelheidsteller, snelheids-/positielus; voor lange afstanden bij voorkeur differentieel |
| Sinus/cosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Ultra-hogeresolutie interpolatie; SDE en jitter hangen af van de ketenkwaliteit |
| Absolute serieel | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Enkel-/meeromwentelings-absoluutwaarde, diagnose-/temperatuur-/alarmregisters |
| Veldbus | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Meervoudige assynchronisatie, Distributed Clocks, online configuratie |
Bandbreedteschatting (lineair): f_max ≈ (v / p) × edges
waar v = lineaire snelheid en edges = effectieve flanken per roosterperiode (bijv. 4×-evaluatie).
Prestatiekenmerken (Key Specifications)
| Kenmerk | Typisch bereik/toelichting |
|---|---|
| Resolutie | Lineair: 1 µm → 1 nm; rotatief: ≤ 24-bit equivalent |
| Lineaire nauwkeurigheid | High-end optiek: ±1–±3 µm/m; standaard: ±3–±10 µm/m |
| Herhaalbaarheid | ≤ ±0,1–±0,3 µm (lineair); rotatief tot sub-boogseconde |
| SDE (onderverdelingsfout) | Goede 1-Vpp-keten: ±20–±80 nm |
| Jitter | Tientallen nanometers; beïnvloed door AFE en klok-fasenruis |
| Fase-/duty-cyclefout | A/B-fase 90° ±(1–5)°; duty 50% ±(2–10)% |
| Snelheidsvermogen | Lineair > 1 m/s; rotatief tot 12.000+ rpm (interface-afhankelijk) |
| Omgevingsklasse | IP40 (open) tot IP67 (afgedicht), IEC 60068-2 trilling/schok |
Installatie & foutbronnen (Installation & Error Sources)
- Luchtspalt & oriëntatie (pitch/roll/yaw): afwijkingen → amplitude-ongelijkheid en verhoogde SDE
- Abbe-fout: excentriciteit × hoekfout; laat de meetlijn door het bewegingscentrum lopen of compenseer in software
- Cosinusfout (kleine-hoekbenadering):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Excentriciteit/asslag (runout) bij rotatief: introduceert basis- en 2e harmonische hoekfouten
- Thermische uitzetting (CTE): glas/keramiek laag; stalen band vereist thermokompensatie en zwevende bevestiging
- EMC/aarding: enkelpuntsaarding, correcte afscherming en retourpaden; vermijd common-mode/kringlusstromen
Kalibratie & compensatie (Calibration & Compensation)
- Lineaire mapping: meet de foutcurve met laserinterferometer/ballbar en laad in de besturings-LUT
- Thermodriftcompensatie: realtime correctie op basis van schaal-/machine-temperatuur en CTE-model
- Amplitude-/fase-/ellips-balans: adaptieve balancering vóór interpolatie
- Referentiestrategie: afstand-gecodeerde referentiemerken verkorten de homing-afstand en verbeteren reproduceerbaarheid
Vergelijking met andere principes (Comparisons)
| Technologie | Resolutie/nauwkeurigheid | Vuil-/omgevingsbestendigheid | Typische slag | Belangrijkste beperking |
|---|---|---|---|---|
| Optische encoder | ★★★★★ | ★★★ | Middel/lang | Gevoelig voor vervuiling/condens, hoge montage-eisen |
| Magnetische encoder | ★★☆ | ★★★★ | Lang | Zwakkere lineariteit en SDE |
| Inductief/capacitief | ★★★ | ★★★★ | Middel | Gevoelig voor metaalnabijheid/wervelstromen resp. vocht |
| Resolver/potentiometer | ★★ | ★★★★★/★ | Middel/klein | Lage resolutie of minder intuïtieve interface |
Toepassingen (Applications)
CNC (lineaire en rotatie-assen), CMM en metrologische platforms, uitlijning/belichting/inspectie in de halfgeleiderindustrie, precisie-positioneerstadia, robotgewrichten en spelingsbewaking van reductoren, medische beeldvorming/bestraling, synchronisatie in druk/verpakking, SMT-plaatsing/inspectie en high-speed handling.
Onderhoud & probleemoplossing (Maintenance & Troubleshooting)
- Routinematig: regelmatig reinigen (pluisvrije doek + geschikt oplosmiddel), buigradius/afscherming van kabels controleren, temperatuur/vocht & condens bewaken
- Typische symptomen & acties:
- Pulsen/Flanken missen: luchtspalt buiten tolerantie, vervuiling/afscherming → uitlijning bijstellen/reinigen/afdichting en luchtgordijn toevoegen
- Toegenomen SDE/jitter: ruis in AFE/interpolatiepad, slechte aarding → voeding/bekabeling/terminatie optimaliseren
- Absolute communicatie faalt: parameter/polariteit van SSI/BiSS/EnDat onjuist → framlengte, CRC, timing en impedantie verifiëren
- Hoekharmonischen (rotatief): excentriciteit/runout → concentriciteit en lagerstijfheid vergroten, harmonische compensatie toepassen
Selectiegids (Selection Guide)
- Doelnauwkeurigheid/herhaalbaarheid (µm/m of boogseconden) en dynamische snelheid
- Implementatieprincipe (transmissie/reflectie, afbeeldend/interferentieel) en roosterperiode
p - Uitgangsinterface (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, veldbus) en regellusbandeed
- Behuizing & omgeving (open/afgedicht, IP-klasse, koelmiddel/stof)
- Mechanisch & thermisch ontwerp (luchtspalt/oriëntatietoleranties, CTE, zwevende montage)
- Compensatie & diagnose (foutmapping, temperatuur-/statusregisters, online-alarmen)
- Levenscyclus (onderhoudbaarheid van kabel/leeskop, beschikbaarheid van reservedelen, kalibratiemogelijkheden)
Normen & referenties (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP-beschermingsklassen)
- IEC 60068-2 (trilling/schok/klimaat)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (industriële EMC — immuniteit/emissie)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (positioneer- en thermische tests van werktuigmachines)
- ISO 10360 (CMM-verificatie)
- ISO 14644 (eisen voor cleanrooms)
Samenvatting: Wie de principes, specificaties, interfaces en installatie-/compensatieaspecten van optische encoders beheerst, realiseert ook in veeleisende toepassingen een nauwkeurige, robuuste en goed te diagnosticeren langdurige performance.