Encoder Óptico

Codificador óptico: definición completa

Para comprenderlo mejor, hagamos una comparación interesante. Visualiza el codificador óptico funcionando como un detective de alta tecnología, que observa y controla continuamente el funcionamiento del sistema. El hipotético detective informa, codificando señales muy parecidas al envío de despachos secretos para ser descodificados y utilizados de forma productiva. Estos "despachos" son esencialmente señales eléctricas informativas del codificador óptico que proporcionan detalles sobre el estado del sistema, su posicionamiento, velocidad y dirección de funcionamiento.

Distinción entre distintos tipos de codificadores ópticos

Dentro de la amplia gama de codificadores ópticos, pueden distinguirse dos tipos básicos:

• Encóderes absolutos
• Encóderes incrementales

Los encóderes absolutos producen una salida directamente correlacionada con la posición del eje. Poseen un valor de salida único para cada posición del eje, almacenando los datos incluso cuando se produce una pérdida de potencia.

En cambio, los encóderes incrementales generan una salida relativa al cambio de posición del eje. Al carecer de capacidad de retención, estos encóderes no recuerdan su posición en caso de corte de corriente.

Fundamentos de la técnica de codificación óptica y su importancia

Crea un escenario imaginario con un tendero y unos clientes para comprenderlo mejor. El tendero (codificador) utiliza un sistema avanzado (Técnica de Codificación Óptica) que observa a los clientes que entran y salen. Controla con precisión la velocidad (rápida o lenta), la dirección (entrada o salida) y quién se detiene y durante cuánto tiempo (posicionamiento). De este modo, funciona como un sistema de inteligencia avanzada que proporciona control, precisión y retroalimentación.

La precisión, el control de la velocidad y las facilidades de supervisión del sistema resultantes son fundamentales e impulsan una amplia gama de aplicaciones de control del movimiento, como la robótica, los dispositivos de diagnóstico médico por imagen e incluso las herramientas de exploración espacial. El encóder, por tanto, se convierte en un engranaje esencial para optimizar progresivamente el funcionamiento y la eficacia de estos sistemas automatizados.

Visión de un encóder óptico absoluto

En el ámbito de los encóderes ópticos, el encóder óptico absoluto ocupa un lugar importante. A diferencia de su homólogo, el encóder incremental, que sólo registra el movimiento, un encóder óptico absoluto proporciona información posicional precisa, lo que lo convierte en una solución única y muy deseable en muchos campos de aplicación.

Qué es un encóder óptico absoluto - Explicación y ejemplos

Esta característica de los encóderes absolutos, que les permite conservar los datos de posición incluso en caso de pérdida de alimentación, los hace ventajosos frente a los encóderes incrementales. Sumerjámonos en un escenario para ilustrarlo mejor:

Comprender el papel de un sensor de encóder óptico en un encóder absoluto

Fundamentalmente, el sensor del encóder óptico constituye el corazón de un encóder absoluto. El sensor hace las veces de detective en nuestra analogía, escaneando el disco de códigos y generando los impulsos eléctricos pertinentes correspondientes al movimiento y la posición.

El sensor óptico aprovecha esencialmente el principio de interferencia de la luz. Fundamentalmente, el sensor codificador consta de una fuente de luz y un detector de luz. Cuando el disco codificador -unido a la fuente de movimiento- se mueve, interrumpe el haz de luz de la fuente. Esta interrupción altera la intensidad de la luz que llega al detector. Al seguir estos cambios en la intensidad de la luz, el sensor convierte esta información en los impulsos eléctricos correspondientes y emite una señal digital única para cada posición, ayudando a los dispositivos de control a interpretar los datos precisos de movimiento y posición.

Disco codificador óptico: Función y uso en los codificadores absolutos

El disco codificador óptico sirve como elemento que el sensor observa y sigue. Es este disco el que se fija a la parte móvil del sistema.

El disco codificador óptico, o disco de código, encierra una serie de patrones que representan un código único para cada posición. Cuando el disco se mueve con el movimiento del sistema, estos patrones únicos interrumpen la trayectoria de la luz desde la fuente hasta el detector del sensor, alterando la intensidad de la luz detectada.

Estos códigos suelen ser de dos tipos: Código Gris y Código Binario. Un Código Binario utiliza un sistema de recuento binario simple, mientras que el Código Gris utiliza un sistema único en el que sólo cambia un bit en cada paso, lo que reduce las posibilidades de interpretación errónea de la posición debido a los cambios múltiples de bits.

Para ilustrarlo, considera una puerta giratoria equipada con un codificador absoluto para supervisar y controlar su movimiento. El disco codificador óptico se fijará al componente giratorio de la puerta. Cuando la puerta gire, los patrones del disco cambiarán y, con ellos, también lo hará la salida eléctrica del sensor. De este modo, para cada posición única de la puerta, habrá una salida de señal eléctrica única.

Sumérgete en el mundo de los codificadores ópticos incrementales

Un encóder óptico incremental, aunque fundamentalmente similar en diseño a su hermano, el encóder óptico absoluto, se diferencia en función y funcionamiento, atendiendo a requisitos específicos de automatización. Es un dispositivo indispensable en múltiples aplicaciones industriales en las que el seguimiento de los cambios de posición relativa es de suma importancia.

El concepto de encóder óptico incremental - Definiciones y descripciones

Comprender un codificador incremental es similar a comprender el funcionamiento del entrenador de un atleta durante el entrenamiento. Considera al entrenador observando a un atleta durante una carrera de entrenamiento. Aunque el entrenador no sepa con precisión en qué vuelta se encuentra el atleta en un momento dado (posición), sí que sabe cuándo empieza una nueva vuelta (incremento) y en qué dirección corre. Además, pueden incluso determinar si el atleta acelera, ralentiza o se detiene (velocidad).

Del mismo modo, un codificador incremental es un "entrenador" para aplicaciones de control de movimiento. Los sensores y discos codificadores ópticos detectan la presencia o ausencia de movimiento, la dirección en la que se produce el movimiento e incluso la velocidad de dicho movimiento.

El papel de los discos codificadores ópticos en los codificadores incrementales

En el caso de los encóderes incrementales, el disco codificador óptico desempeña un papel tan crucial como en los encóderes absolutos. El disco está grabado con secciones alternas transparentes y opacas que corresponden a las posiciones incrementales.

Sin embargo, a diferencia de los encóderes absolutos, que tienen un patrón distinto para cada posición, el disco de los encóderes incrementales contiene segmentos espaciados uniformemente. A medida que el disco gira con el movimiento, estos segmentos hacen que llegue al sensor del encóder óptico un patrón alterno de luz y sombra.

Un disco típico de un codificador incremental puede tener dos pistas ligeramente desplazadas entre sí. Estas pistas -llamadas fases \(A\) y \(B\)- permiten al sensor detectar no sólo los cambios de movimiento, sino también la dirección del movimiento.

Sensores ópticos en los encóderes incrementales: Funcionamiento e importancia

En el contexto de los encóderes incrementales, el sensor del encóder óptico tiene la tarea esencial de detectar los cambios en la posición del disco del encóder óptico. Este sensor está formado por una fuente de luz (normalmente un LED) y un fotodetector que detecta la intensidad de la luz que le llega.

A medida que el disco, con sus secciones transparentes y opacas alternadas, se desplaza con el movimiento, provoca alteraciones en la cantidad de luz que incide sobre el fotodetector. El fotodetector convierte estas variaciones en la intensidad de la luz en las señales eléctricas correspondientes. La salida final, por tanto, es un tren de impulsos eléctricos que representan los incrementos en la posición del sistema al que está unido.

Recuerda que, a medida que el disco se mueve, los segmentos transparentes y opacos permiten y bloquean el paso de la luz al fotodetector, creando picos y caídas bruscamente alternantes en la señal eléctrica.

Explorando la versatilidad: Encóderes ópticos rotativos y lineales

Una característica destacable de los encóderes ópticos es su adaptabilidad y aplicabilidad a diversos tipos de movimiento: rotativo y lineal. Esta versatilidad amplía considerablemente su ámbito de funcionamiento, abarcando numerosas áreas de aplicación e industrias.

Encóder óptico rotativo vs. Encóder óptico lineal - Visión general

Aunque tanto el encóder óptico rotativo como el encóder óptico lineal funcionan con principios de codificación y detección similares, son adecuados para distintos tipos de aplicaciones de control de movimiento en función de sus diseños estructurales.

Imagina el rotor de un aerogenerador girando en respuesta al viento. En este caso, un codificador rotatorio óptico, acoplado a la turbina, puede controlar con precisión la velocidad y la dirección de giro del rotor. Esta valiosa información puede utilizarse para optimizar el rendimiento de la turbina en distintas condiciones de viento.

Piensa en un sistema dispensador de líquidos automatizado. Un encóder lineal óptico en ese sistema puede garantizar que se dispense la cantidad precisa de líquido, mediante el seguimiento exacto del recorrido del brazo dispensador o pistón.

Básicamente, aunque ambos tipos de encóderes funcionan con principios internos similares, el tipo de movimiento que supervisan y controlan varía drásticamente.

Categoricemos las principales diferencias:

• Encóderes ópticos rotativos - Captan principalmente el desplazamiento rotacional
• Encóderes ópticos lineales - Controlan principalmente el movimiento lineal

Usos y aplicaciones de los encóderes rotativos ópticos

Los encóderes rotativos ópticos, por su capacidad de medir la posición angular y la velocidad, tienen una amplia gama de campos de aplicación.

Estos encóderes son fundamentales en sectores como la robótica, la fabricación y la automoción, debido a su gran precisión y su naturaleza inmune a los parámetros externos:

Entendiendo los codificadores ópticos lineales - Uso y aplicaciones

A diferencia de los encóderes rotativos, los encóderes lineales ópticos encuentran su aplicación en áreas que requieren una retroalimentación precisa de la posición lineal. Desde la fabricación hasta los instrumentos médicos, su uso es indispensable para proporcionar un control de movimiento preciso y rápido.

Enumeremos sus aplicaciones críticas:

• En los servicios de fabricación electrónica, para controlar el posicionamiento de la maquinaria pick-and-place
• En maquinaria de precisión para trabajar la madera, para ofrecer un control de movimiento lineal de alta precisión
• En sistemas de imagen médica, como escáneres CT y MRI, para posicionar con precisión los elementos de escaneado

Además, resume estas aplicaciones en una tabla:

Aplicaciones prácticas: Los encóderes ópticos en acción

Los encóderes ópticos tienen la capacidad de añadir una gran precisión a un amplio espectro de aplicaciones que van desde las operaciones industriales y los experimentos científicos hasta los aparatos de uso cotidiano. Su capacidad para proporcionar información valiosa sobre la posición, la velocidad y la dirección constituye la base de varios sistemas de control de movimiento.

Ejemplos habituales de uso de encóderes ópticos en la física moderna

Los encóderes ópticos, absolutos o incrementales, de movimiento rotativo o lineal, se utilizan mucho en la experimentación física moderna. Su funcionamiento sin ruido, sus mediciones de precisión y sus datos en tiempo real mejoran enormemente la precisión y la eficacia de estos experimentos.

Considera otro experimento de física habitual: cartografiar el campo magnético alrededor de un solenoide. Necesitas registrar la intensidad del campo magnético en distintos puntos alrededor del solenoide. Fijando un sensor magnético de efecto Hall en un soporte y moviéndolo incrementalmente alrededor del solenoide con ayuda de codificadores ópticos lineales, consigues esta tarea con gran precisión y repetibilidad.

En astronomía, los telescopios dependen en gran medida de los encóderes. Al tratar con objetos celestes lejanos en pistas que pueden parecer infinitas, los astrónomos necesitan apuntar sus telescopios con un alto grado de precisión. Los codificadores ópticos giratorios montados en los ejes de acimut y elevación proporcionan la información necesaria para un posicionamiento exacto.

Importancia de los encóderes ópticos en las aplicaciones industriales

Los procesos industriales y los sistemas de automatización dependen en gran medida del control del movimiento para diversas aplicaciones, lo que convierte a los codificadores ópticos en parte integrante de la industria. Estas aplicaciones incluyen, entre otras, la industria robótica, los sistemas de embalaje y transporte, y las máquinas CNC.

La importancia de los codificadores ópticos se extiende a otra industria clave: los sistemas de envasado y transporte. Tomemos el ejemplo de una planta embotelladora. Desde el llenado de las botellas hasta su sellado, etiquetado y envasado, hay múltiples transportadores de alta velocidad con distintos requisitos de velocidad. Los codificadores ópticos instalados en estos sistemas de transporte proporcionan datos de velocidad en tiempo real y ayudan a sincronizar las operaciones de forma óptima.

Retos y soluciones en el uso de encóderes ópticos en distintos campos

A pesar de su gran cantidad de ventajas, el uso de encóderes ópticos no está exento de desafíos. El polvo, las vibraciones, las temperaturas extremas e incluso el requisito de alimentación continua pueden plantear dificultades para su funcionamiento. Sin embargo, unas modificaciones ingeniosas del diseño y una selección cuidadosa pueden mitigar eficazmente estos retos.

Por ejemplo, en entornos polvorientos, sellar el disco óptico de acuerdo con la clasificación IP, o seleccionar en su lugar un codificador magnético, puede contrarrestar eficazmente el problema. Del mismo modo, elegir codificadores con carcasas y montaje resistentes puede ayudar a soportar las vibraciones. Las acerías, los molinos de viento y la fabricación de maquinaria pesada son algunos de los ámbitos en los que las vibraciones pueden suponer un reto.

La necesidad de alimentación continua es otra característica inherente a los codificadores ópticos. Aplicaciones como el almacenamiento de energía renovable o los sistemas remotos que funcionan con baterías pueden encontrar esto como un reto. Una solución en estos casos es utilizar un sistema robusto de batería de reserva o considerar tecnologías de captación y almacenamiento de energía.