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单圈绝对角度检测装置

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倾角仪与单圈绝对值编码器对比

360°范围内绝对角度值的测量是很多行业和生产制造过程的关键指标。在本文中,我们将根据单圈旋转编码器和倾角仪的应用来讨论并比较它们之间的异同。

随着时间的发展,编码器技术不断革新,已经从简单的增量编码器发展到更复杂、更精确的多圈绝对编码器。各种不同的技术,如光学、磁性和电感原理,在检测分辨率和精度上差别很小。而倾角仪已经存在了几个世纪,演变出非常多的类型。

倾角仪的基本原理是测量平面的倾斜。这项技术由基于力学原理的简易气泡和钟摆缓慢发展到特制的电位计,再到基于磁性原理的测量。如今,博思特公司先进的TILTIX系列倾角仪采用了尖端的微电子机械(MEMS)技。

通常人们会误认为倾角仪无法像单圈编码器那样测量0-359.99°范围。但是,技术的进步使得这些成为可能,只有少数公司提供单轴360°全量程的单轴倾角仪。因此,在本文中,我们将比较博思特倾角仪和旋转编码器,并讨论受到客观因素限制的应用中,采用倾角仪代替单圈编码器的可能性。

IXARC系列磁电单圈绝对值编码器

磁性编码器检测轴位置的技术相当简单。一个连接到设备旋转轴的永磁铁和安装固定在编码器壳体内部的双轴霍尔传感器。当磁铁随着轴旋转时,霍尔传感器检测出磁场的变化,并将角度值反馈至控制系统。每台IXARC系列磁性编码器经过校准后才出厂,因此具备了比其他厂家磁性编码器更高的精度(大约千分之一)。

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IXARC系列光电单圈绝对值编码器

光电编码器由带码盘的旋转轴、红外光源和光电扫描单元组成。码盘由不易碎的塑料材质制成,通常在每个角度位置都标刻了一个唯一的编码图案(用格雷码表示)。LED发出的准直红外光线,并穿过码盘。在码盘另一侧,带有刻线的感光器阵列从运动轨迹中采集编码信息。在每个角度的位置,感光器列阵唯一的组合被码盘上所标刻的暗线挡住。

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TILTIX高动态响应MEMS原理倾角仪

它基本上是一个微电子机械传感器(MEMS),并集成嵌入到专用集成电路中(ASIC)。其工作原理可以简化成一对电容极板:其中一个是固定的,另一个是活动的(与弹簧连接)。当倾角仪处于水平位置时,测量所对应的电容值,并作为参考基准。如果姿态发生倾斜,活动的电容极板与固定极板的距离发生变化。这将导致极板之间的电容发生变化,传感器检测出电容的变化并转换成相应的角度值。

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旋转编码器VS倾角仪

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经过详尽的研究和调查,我们获得了主要来自亚洲、欧洲和美国的编码器和倾角仪的参数指标统计。这些统计数据被用于博思特的单圈编码器、倾角度仪以及和同一细分市场其他产品进行对比。

易于安装

客户一贯视传感器在各种应用的安装兼容性。安装的便捷性还与所需的机械附件和安装步骤有关。倾角仪可以通过其4个定位孔中的三个点安装在任何表面上。这意味着倾角仪几乎可以安装在任何地方,并进行精确测量。编码器则需要联轴器,需将轴端连接对齐,确保同轴度与测量准确性。需要一定的专业知识来设计编码器正常工作所需的机械结构。例如,在工程机械行业中,大型齿带传动需要设计滚柱轴承和联轴器来连接编码器。而针对需要检测倾角姿态的移动机构,预先被校准的TILTIX系列MEMS倾角仪可以简单的安装在待测机构任何部位,并直接投入运行。

低成本和紧凑性

选择绝对位置传感器时都要考虑传感器的成本和体积。由于生产工艺复杂,内部部件繁多,因而编码器的成本相对较高。此外,编码器还需要额外的机械安装连接附件,进一步增加了使用成本。编码器通常安装在连接轴上,也会增加所需装配空间,除非选择更高成本的空心轴编码器。在所有具备360°角度检测功能的产品中,基于MEMS技术的TILTIX全压膜纤维增强塑料外壳材质的倾角仪的体积最小,同时成本也比其他大多数产品便宜。要注意的是,不带机械附件(联轴器或齿带)的IXARC系列磁性编码器的成本与尺寸和TILTIX系列倾角仪处在同一水准。唯一的区别是倾角仪的安装更简单,且所需装配空间更小。

分辨率、精度和准确度

360°范围内单圈检测,就分辨率、精度和准确度而言,编码器依然是最佳的选择。得益于博思特提供的高精度码盘和几十年来生产IXARC系列编码器所积累的专业知识,能实现最高可达0.005°(16位)的分辨率与0.01°的精度。

TILTIX MEMS倾角仪具有较高的分辨率(0.01°)和精度(0.1°),但没有编码器高。这是需要精确运动和位置分析的应用中考虑的一个主要特性。IXARC磁性编码器具有高达0.005°(16位)的分辨率,与其他磁性编码器相比,其精度高达±0.088°。

这种分辨率和精度的结合使得这些编码器成为磁性编码器行业的首选之一。

动态特性

传感器的动态性能是快速、灵敏测量中的一个重要指标。总而言之,编码器的动态性能更好,因为它们可以在非常高的转速下进行位置的检测和测量。此外,较之其它产品,编码器对振动不敏感,即使在较强的振动环境下也可以快速响应,进行测量。

另一方面,TILTIX MEMS倾角仪具有很好的响应时间,但其动态特性受限于物理阻尼特性(频率高于29Hz)。虽然相比较编码器,TILTIX MEMS倾角仪对振动更敏感,但它具有良好的抗冲击和振动的性能。因此倾角仪即使在高冲击和振动下也能以相同的特性进行测量,但最好不要在此工况下进行工作。

接口选项和输出特性

针对工业产品的多种接口选项能给应用范围提供额外的灵活性。不同的接口都是为特定应用而设计,各自具有不同的通讯速度和工作模式。因为提供了应用广泛的工业级接口,各种通讯协议也大为提升了产品的兼容性。

IXARC系列光电编码器具备的接口种类最多,包括并行口、CANopen、DeviceNet、Profibus、Profinet IO+Ethernet/IP、Modbus、EtherCAT,Powerlink和Interbus等。而TILTIX MEMS倾角仪最初的应用仅限于几个工业领域,但其在工厂自动化领域最新的发展肯定会扩展对其他电气接口的需求,不仅仅是现有的的模拟量、CANopen、SSI和DeviceNet接口。

随着需求的增加,越来越多的用户希望测试TILTIX MEMS倾角仪的能力,接口扩展迫在眉睫,在这种情况下,输出特性是指通过对测量位置值的处理,并在设备中配置的各种输出。

IXARC磁电和光电编码器可以输出位置、速度、转速、加速度、报警等信息,而倾角仪只能给出位置值。尽管TILTIX MEMS倾角仪可以添加这样的功能,但受制限于其动态性能,添加诸如加速度之类的时变参数是没有意义的。IXARC光电编码器和TILTIX MEMS倾角仪中的嵌入式引导程序提高了配置输出参数的灵活性。TILTIX系列倾角传感器可以使用简单的RS232接口进行配置,此外,TILTIX MEMS系统很快就可以使用模拟示教器(用于预设、测量范围和行程限制),并且该示教功能已经在IXARC磁电模拟量编码器中得到应用。

接口规范

防护性能

IP等级标准定义了设备外壳对外部污染物的防护能力。所提及的设备整体的IP等级只有搭配合格的附件(如连接器、联接器等)才能达到,具备防水和重载能力的磁电编码器有着更高的IP防护等级,可以在潜水场合应用。

当应用要求坚固、防护性能更好、价格较低的产品时,倾角仪是更好的选择,因为用倾角仪更容易实现高防护性能。事实上,TILTIX MEMS倾角仪带有一个全压模的外壳,当与一个合适的连接器一起使用时,可以达高达IP69K的防护水平。而编码器也可以实现IP69K的防护等级,但因必须选用更多的合格内部器件和附件来制造,导致成本增加。

IP 防护等级

温度补偿,电磁兼容,抗冲击和振动

POSITAL一直强调防护性能、精确和稳定的测量。因此,倾角仪和编码器在这方面都是一样的。两者均符合EN 61000-6-4和EN 61000-6-2的电磁兼容标准。IXARC光电编码器和TILTIX MEMS倾角仪可承受高达200g的冲击和高达20g的振动,而IXARC磁电重载编码器可承受高达300g的冲击和30g的振动。当温度剧烈变化时,IXARC光电编码器中塑料编码盘尺寸不会变化,IXARC磁电编码器磁场对温度变化也具有很强的抵抗力。因此,就高温应用而言,尽管标准相同,但最好使用编码器。编码器和倾角仪都能承受冲击和振动,但倾角仪不能在这种环境影响下测量。这是因为尽管倾角仪更坚固,但振动实质会带来加速度干扰,从而影响测量结果。因此,即使在振动环境下,正确方式安装的编码器不会受到影响。

测量原理复杂性

测量的复杂性综合了技术原理、信号输出处理和相关检测灵活性。

IXARC光电编码器,虽然非常复杂,但历经50年的发展与积累,已经日臻完善。从技术上来说,在生产制造时需要细致处理光码盘、感光器列阵等元器件,任何污染都会导致最后的测量性能。这些也是光电编码器的物理限制,而在软件固件方面,则非常灵活,甚至可以通过嵌入式引导程序实现更多灵活性。此外,光电编码器涵盖了几乎所有的工业总线接口,这也使得光电编码器可以和所有需要测量角度的控制系统相匹配。

IXARC磁电编码器,其采用的技术原理很简单,内部元器件较少。因此需少量的维护,并且在嵌入式软件方面,更多的接口协议正在开发阶段,并很快会推出。

目前TILTIX MEMS倾角仪倾角仪测量原理最简单. 通过应用MEMS 微电子机械技术和电容极板列阵来实现高精度测量。全压模外壳可有效防止污染物进入,达到几近永久的使用寿命。高度封装集成的倾角仪可以让客户更方便使用。在灵活性方面,可使用嵌入式引导,RS232,模拟量示教等方式来配置倾角仪。另一个显著特点就是输出信号的处理,倾角仪的信号没有进行编码,所以它的输出更容易处理。通常情况下,模拟量倾角仪和模拟量编码器根据对应位置角度按比例线性输出物理信号(电流或电压),而基于现场总线的倾角仪则直接输出角度值。但对于编码器(模拟量信号除外),不同位置都会输出唯一对应的编码值,并需要进一步在PC或控制器中进行编程解码,因此,编码器的输出信号处理相对更为复杂。

测量范围

初步比较博思特的产品测量范围,一个显著的特性是,TILTIX MEMS倾角仪几乎可以安装在任何位置。与市面上其他品牌的倾角仪相比,这种灵活性是一个很大的优势,同时在某些应用场合下,也可作为单圈绝对值编码器的替代方案。

行业

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TILTIX MEMS 倾角仪,如果应用要求360°的单圈测量,具备良好的分辨率和精度,而安装空间有较大限制,那么倾角仪是最佳选择。毫无疑问,TILTIX MEMS倾角仪最具吸引力的是其紧凑小巧的尺寸,可以垂直或水平安装,几乎可以安装倒任何地方。就成本而言,倾角仪是最佳选项,在许多行业如建筑,机器人,采矿业有广阔的前景。而针对各种应用,如农业机械,移动工程机械,太阳能发电,钻井机械,TILTIX MEM倾角仪小巧的体积,高防护等级,简便的测量与输出信号也带来了额外的优势。

另一方面,IXARC光电编码器具有很高的分辨率/精度,优异的动态性能,良好的温度适应性和抗振动冲击的能力,并且具备多种输出方式。最重要的一点是光电编码器涵盖了所有的工业通讯协议接口,这可以轻易接入现有的通讯网络中。这些特性适用于电梯、控制系统、国防设备、工业机器人、医疗设备、制造业、汽车制造行业,这些行业需要各种的输出方式,并对分辨率和精度有严格的要求。综上所述,如果需要高端高动态响应的传感器,并且不受尺寸,成本,人工的限制,那么IXARC光电编码器是最佳选择。

IXARC磁电编码器在应用领域与特点上与光电编码器非常类似。主要的差异在测量原理、成本和外型尺寸。相比于光电编码器,更小尺寸磁电重载编码器是可实现的,而且IP防护等级最高可达IP69K,甚至可实现水下浸没工作。所有这些特性使得IXARC磁电编码器可应用在在低成本,多种输出方式,并具备良好分辨率和紧凑的尺寸的工业场合下,例如工业门,驱动、减速电机、食品机械、轧机、风电、港口机械和纺织机械。

行业应用

总结

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对于单圈360°范围内的检测,博思特提供了上述各种方案。我们提供了不同的通讯接口以匹配不用领域的设备要求,用户无需担心传感器输出方式的兼容性。单轴倾角仪和单圈绝对值编码器都是360°的测量方案,但需要根据具体应用与特点来选择使用哪种传感器。涉及到多圈角度值检测时,编码器是唯一可行方案。而在某些单圈测量情况下,倾角仪可以作为编码器的替代选择。