📘 Enkoder Viki
Optik enkoderler
Optik enkoderler, ızgara (grating) ve fotoelektrik algılamaya dayanarak dönme veya doğrusal yer değiştirmeyi elektrik sinyaline dönüştürür ve CNC tezgâhları, yarı iletken platformları, hassas metroloji, robotik ve ileri düzey otomasyonda başlıca konum geri besleme elemanıdır. Yüksek çözünürlük, düşük alt-bölümleme hatası ve mükemmel tekrarlanabilirlik sayesinde nanometre–mikrometre ölçeğinde konumlamada yaygın olarak kullanılırlar.
Optik Enkoder Nedir（What is an Optical Encoder）
Optik enkoder, ışık kaynağı — optik ızgara — fotoelektrik algılama zinciriyle konum bilgisi elde eden bir sensör sınıfıdır. Çekirdeği, periyodik yapıya sahip disk/cetvel (Scale/Disk) ile okuma kafasından (Readhead) oluşur: okuma kafası, tanımlı optik aralıkta ızgaranın geçirgen/ yansıtmalı desenlerini veya girişim sinyallerini okur; bu sinyaller analog ön uç ve enterpolasyon/kod çözme devreleriyle işlenerek artımsal A/B (Z referanslı olabilir), sinüs/kosinüs 1 Vpp veya mutlak konum seri verisi (SSI/BiSS/EnDat vb.) olarak çıkar.
Hareket biçimine göre döner optik enkoder (disk) ve doğrusal optik enkoder (cetvel) olarak ayrılır. Vida/krema dişlisiyle dolaylı hesaplamaya kıyasla doğrusal optik enkoderler doğrudan ölçüm yapar; boşluk, hatve ve ısıl genleşme kaynaklı konumlama hatalarını belirgin biçimde bastırır. Döner enkoderler ise motorlar ve döner tablalara yüksek çözünürlüklü açı ve hız geri beslemesi sağlar.
Çalışma Prensibi（Working Principle）
1) Görüntüleme/Moiré Şeritleme（Imaging/Moiré）
- Yapı: ışık kaynağı (LED/VCSEL) → kolimasyon/görüntüleme optiği → maske/faz ızgarası → ışığa duyarlı dizi.
- Mekanizma: cetvel ile kafadaki referans ızgaranın bağıl hareketi Moiré şeritleri üretir; yaklaşık sinüs/kosinüs sinyalleri oluşur. Enterpolasyon ve genlik/faz dengelemesiyle yüksek çözünürlüklü yer değiştirme elde edilir.
2) Girişimsel / Faz Izgarası（Interferential/Phase Grating）
- Mekanizma: kırınım mertebeleri arasındaki faz farkı yer değiştirmeyle doğrusal değişir; üst üste bindirme ile yüksek saflıkta sinüs sinyalleri üretilir. SDE (Alt-Bölümleme Hatası) daha düşüktür ve çözünürlük potansiyeli daha yüksektir.
3) Geçirgen (Transmisyon) vs. Yansıtmalı
- Geçirgen tip: cam/seramik altlık; yüksek SNR ve doğrusallık, temiz ortamlar ve yüksek hassasiyetli konumlama için uygundur.
- Yansıtmalı tip: metalize veya kaplamalı yansıtıcı ızgaralar; kompakt ve montajı kolaydır, kirliliğe daha hassastır—iyi sızdırmazlık ve hava perdesi/sıyırıcı önerilir.
4) Artımsal ve Mutlak Çıkış Mantığı
- Artımsal: A/B fazları 90° kayık kare dalga; faz öncülüne göre yön belirlenir; Z referansı strok/ her turda bir kez.
- Mutlak: her konumda tekil kod (Binary/Gray); tanılama, sıcaklık ve durum yazmaçları içerebilir.
Yaklaşık doğrusal çözünürlük: Δx ≈ p / (N × M)
burada p = ızgara adımı, N = analog enterpolasyon katsayısı (örn. 100×), M = sayısal katlama katsayısı (tipik 4×).
Döner enkoder eşdeğer açısal çözünürlüğü: θ_res = 360° / (çizgi sayısı × 4)
Sınıflandırma（Taxonomy）
- Hareket biçimine göre: doğrusal optik enkoder / döner optik enkoder (disk)
- Çıkışa göre: artımsal (TTL/HTL/RS-422, 1 Vpp/11 µA_pp) / mutlak (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, paralel)
- Optik gerçekleştirim: geçirgen / yansıtmalı, görüntüleme / girişimsel, genlik ızgarası / faz ızgarası
- Kapsülleme: açık tip (yüksek dinamik, düşük sürtünme) / sızdırmaz tip (IP65–IP67, yağ buharı ve soğutucuya dayanım)
- Menzil/altlık: cam/seramik (düşük CTE), çelik şerit (uzun strok), kaplamalı yansıtıcı ızgaralar vb.
Ana Bileşenler ve Sinyal Zinciri（Signal Chain）
- Işık kaynağı ve optik: LED/lazer; kolimasyon/odaklama aydınlık düzgünlüğünü ve ısıl sürüklenmeyi belirler; yaşlandırma ve güç kapalı çevrim kompanzasyonu önerilir.
- Izgara/disk: adım
p, görev oranı ve faz doğruluğu sinyal saflığını ve SDE’yi belirler. - Fotosensör dizi/AFE: çok kanallı örnekleme, otomatik kazanç/ofset/faz dengesi (AGC/offset/phase).
- Enterpolasyon/kodlama ASIC’i: genlik/faz düzeltme, eliptiklik telafisi, sayısal filtreleme ve jitter bastırma, protokol kodlama ve hat sürücüleri.
- Fiziksel katman: RS-422 diferansiyel, 1 Vpp/11 µA_pp, sonlandırma empedansı ve kablolama (ekranlama/topraklama) stratejileri.
Çıkışlar ve Arayüzler（Outputs & Interfaces）
| Çıkış türü | Tipik sinyal | Açıklama |
|---|---|---|
| Artımsal kare dalga | A/B (+Z), TTL/HTL/RS-422 | PLC hızlı sayıcıları, hız/konum çevrimleri; uzun mesafede diferansiyel tercih edilir |
| Sinüs/kosinüs | 1 Vpp, 11 µA_pp | Ultra yüksek çözünürlüklü enterpolasyon; SDE ve jitter zincir kalitesine bağlıdır |
| Mutlak seri | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Tek/çok turlu mutlak değer, tanılama/sıcaklık/alarm yazmaçları |
| Saha veri yolu | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Çok eksenli senkronizasyon, dağıtılmış saatler, çevrimiçi yapılandırma |
Bant genişliği kestirimi (doğrusal): f_max ≈ (v / p) × edges
burada v = hat hızı, edges = periyot başına etkin kenar sayısı (örn. 4×).
Başlıca Teknik Özellikler（Key Specifications）
| Parametre | Tipik aralık / açıklama |
|---|---|
| Çözünürlük | Doğrusal: 1 µm → 1 nm; Döner: ≤ 24 bit eşdeğeri |
| Doğrusallık/lineer doğruluk | Üst düzey optik: ±1–±3 µm/m; Standart: ±3–±10 µm/m |
| Tekrarlanabilirlik | ≤ ±0,1–±0,3 µm (doğrusal); açısal tipte alt ark-saniye seviyesine kadar |
| SDE (Alt-Bölümleme Hatası) | Kaliteli 1 Vpp zincirde ±20–±80 nm |
| Jitter | Onlarca nanometre; AFE ve saat faz gürültüsünden etkilenir |
| Faz/görev oranı hatası | A/B fazı 90° ±(1–5)°; görev oranı %50 ±(2–10)% |
| Hız kabiliyeti | Doğrusal > 1 m/s; Döner 12 000+ RPM (arayüze bağlı) |
| Çevresel derece | IP40 (açık) – IP67 (sızdırmaz), IEC 60068-2 titreşim/darbe |
Montaj ve Hata Kaynakları（Installation & Error Sources）
- Optik aralık ve poz (pitch/roll/yaw) sapmaları → genlik dengesizliği ve SDE artışı
- Abbe hatası: sapma kolu × açısal hata; ölçüm hattını mümkün olduğunca hareket ekseninden geçirin veya yazılımla telafi edin
- Kosinüs hatası (küçük açı yaklaşımı):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Disk eksantrikliği / mil atımı (döner): temel ve ikinci harmonik açısal hataya yol açar
- Isıl genleşme (CTE): cam/seramikte düşük CTE; çelik şeritte ısıl telafi ve yüzer montaj gerekebilir
- EMC/topraklama: tek noktadan topraklama, doğru ekranlama ve dönüş yolu; ortak mod ve halka akımlarından kaçının
Kalibrasyon ve Telafi（Calibration & Compensation）
- Lineer haritalama: hata eğrisini lazer interferometre/ballbar ile ölçün, denetleyici LUT’sine yükleyin
- Isıl sürüklenme telafisi: cetvel/gövde sıcaklığını CTE modeliyle birleştirerek gerçek zamanlı düzeltme
- Genlik/faz ve eliptiklik düzeltmesi: enterpolasyon öncesi adaptif dengeleme
- Referans stratejisi: mesafe kodlu referans noktaları geri dönme mesafesini kısaltır ve tekrarlanabilirliği artırır
Diğer Prensiplerle Karşılaştırma（Comparisons）
| Teknoloji | Çözünürlük/doğruluk | Kirlilik/ortam dayanımı | Tipik menzil | Başlıca zayıflık |
|---|---|---|---|---|
| Optik enkoder | ★★★★★ | ★★★ | Orta/uzun | Kirlilik ve yoğuşmaya duyarlılık, yüksek montaj hassasiyeti gereksinimi |
| Manyetik enkoder | ★★☆ | ★★★★ | Uzun | Doğrusallık ve SDE daha zayıf |
| Endüktif/kapasitif | ★★★ | ★★★★ | Orta | Metale yakınlık/eddy akımları veya nemden etkilenme |
| Resolver/potansiyometre | ★★ | ★★★★★/★ | Orta/kısa | Düşük çözünürlük veya sezgisel olmayan arayüz |
Uygulamalar（Applications）
CNC (doğrusal ve döner eksenler), CMM ve metroloji platformları, yarı iletken hizalama/pozlama/denetim, hassas hareket tablaları, robot eklemleri ve redüktör boşluk izleme, tıbbi görüntüleme/radyoterapi ekipmanları, baskı-ambalaj senkron kontrolü, elektronik SMT yerleştirme/denetim ve yüksek hızlı taşıma.
Bakım ve Arıza Giderme（Maintenance & Troubleshooting）
- Rutin: düzenli temizlik (tüysüz bez + uygun çözücü), kablo bükülme yarıçapı/ekranlama kontrolü, sıcaklık-nem ve yoğuşma izlemesi
- Yaygın belirtiler ve çözümler:
- Darbe/kenar kaybı: optik aralık aşımı, kirlilik kaynaklı gölgelenme → poz ayarı/temizlik/sızdırmazlık ve hava perdesi ekleme
- SDE/jitter artışı: AFE/enterpolasyon zinciri gürültüsü, zayıf topraklama → besleme/kablolama/sonlandırmayı iyileştirin
- Mutlak iletişim hatası: SSI/BiSS/EnDat parametresi veya polaritesi uyumsuz → çerçeve uzunluğu, CRC, zamanlama ve empedansı doğrulayın
- Açısal harmonik hata (döner): eksantriklik/atım → eşmerkezlilik ve yatak rijitliğini artırın, harmonik telafi uygulayın
Seçim Kılavuzu（Selection Guide）
- Hedef doğruluk/tekrarlanabilirlik (µm/m veya ark-saniye) ve dinamik hız
- Gerçekleştirim prensibi (geçirgen/yansıtmalı, görüntüleme/girişim) ve ızgara adımı
p - Çıkış arayüzü (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, saha veri yolu) ile denetleyici bant genişliği uyumu
- Kapsülleme ve çevre (açık/sızdırmaz; IP sınıfı, soğutucu sıvısı/toz)
- Mekanik ve termal tasarım (optik aralık/poz toleransları, CTE, yüzer montaj)
- Telafi ve tanılama (hata haritalama, sıcaklık/durum yazmaçları, çevrimiçi alarmlar)
- Yaşam döngüsü (kablo/okuma kafası servis edilebilirliği, yedek parça bulunabilirliği, kalibrasyon kabiliyeti)
Standartlar ve Referanslar（Standards & References）
- IEC 60529:2020 (IP koruma sınıfları)
- IEC 60068-2 (titreşim/darbe/sıcaklık-nem)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (endüstriyel EMC bağışıklık/emisyon)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (tezgâh konumlama ve termal özellik testleri)
- ISO 10360 (CMM doğrulama)
- ISO 14644 (temiz oda gereksinimleri)
Özet: Optik enkoderlerin prensiplerini, metriklerini, arayüzlerini ve montaj/kompanzasyon noktalarını kapsamlı biçimde kavramak; zorlu koşullarda yüksek hassasiyetli, dayanıklı ve tanılanabilir uzun süreli işletimi mümkün kılar.