Als Inkrementalgeber werden Sensoren zur Erfassung von Lageänderungen (linear oder rotierend) bezeichnet, die sowohl Wegstrecke als auch -richtung erfassen können. Gegenüber anderen, kontinuierlich arbeitenden Meßsystemen wie Potentiometern, besitzen Inkrementalgeber eine Massverkörperung mit einer sich wiederholenden, periodischen Zählspur. Es wird dabei eine zählende Messung durchgeführt. Am häufigsten verwendet werden rotierende optische Geber. Diese Bauform ist auch unter der Bezeichnung Drehgeber oder Drehimpulsgeber bekannt.
Funktionsweise
Inkrementalgeber können nach photoelektrischen oder magnetischen Prinzipien arbeiten.
Photoelektrische Abtastung
Bei der photoelektrischen Abtastung unterscheidet man zwischen dem Abbildenden Messprinzip, das für Teilungsperioden bis hinunter zu 20 µm geeignet ist und dem interferentiellen Messprinzip, das Teilungsperioden bis herab zu 4µm ermöglicht.
Abbildendes Messprinzip
Bei der Mehrfeldabtastung wird ein Lichtstrahl, der durch eine Lichtquelle, in der Regel eine LED, erzeugt wird, durch einen Kondensor, eine mit Strichen versehene Abtastplatte und eine Maßverkörperung auf ein photooptisches Bauelement geleitet. Einfachste Ausführungen, wie sie zum Beispiel bei Computermäusen verwendet werden, verzichten auf Kondensor und Abtastplatte.
Zwischen einer Leuchtdiode und zwei leicht versetzt angeordneten optischen Sensoren sitzt eine mit Schlitzen versehene Scheibe. Rotiert nun diese Scheibe, wird der Lichtstrahl zwischen LED und Sensoren zyklisch moduliert. Bei einer Bewegung geben die beiden Sensoren zwei um 90° phasenverschobene symmetrische Sinussignale ab. Bewegt sich die Maßverkörperung nach rechts, ist das Sinussignal des ersten Kanals gegenüber dem zweiten Kanal um 90° voreilend. In der anderen Richtung ist das Sinussignal des ersten Kanals gegenüber dem zweiten Kanal um 90° nacheilend. Hochwertige Meßsysteme benutzen 4 Sensoren, die jeweils zu zweit antiparallel geschaltet sind um einen definierten Nulldurchgang zu erhalten. In Sonderfällen wird dieses Prinzip auch in einem Auflichtverfahren verwendet, der die Reflexionen auf der Maßverkörperung ausnutzt.
Ein anderes Messprinzip ist die Quasi-Einfeld-Abtastung. Dabei wird der Lichtstrahl durch den Kondensor und eine Abtastplatte, die mit 2 verschachtelten Phasengittern ausgerüstet ist, auf eine Maßverkörperung gelenkt. Der Lichtstrahl wird dann reflektiert und durch die Beugungsgitter zurückgeleitet. Dabei entstehen wiederum 4 phasenverschobene Bilder der Abtastplatte. Durch eine entsprechende Verschaltung der fotooptischen Sensoren wie bei der Mehrfeldabtastung ausgewertet. Das Verfahren ist bei Linearmassstäben anwendbar, da es eine leichte Welligkeit der Maßverkörperung toleriert und auch gegenüber einer leichten lokalen Verschmutzung unempfindlich ist.
Interferentielles Messprinzip
Bei diesem Messprinzip wird die Beugungserscheinung an einem Gitter ausgenutzt, um ein Messsignal zu erzeugen. Dieses Verfahren wird bei hochgenauen inkrementellen Linearmesssystemen angewandt. Dazu wird der Lichtstrahl durch einen Kondensor auf eine Maßverkörperung geleitet, dort reflektiert und durch den Kondensor zu den photoelektrischen Sensoren zurückgeleitet. Die ein Phasengitter tragende transparente Abtastplatte sorgt dafür, dass drei gebeugte Strahlanteile (Beugungsordnung –1, 0, +1) erzeugt werden. Nach der Reflexion an der ebenfalls ein Phasengitter tragenden Maßverkörperung wird die Abtastplatte durch die Strahlen erneut passiert, wobei die nullte Beugungsordnung ausgelöscht wird. Anschließend werden die +/- 1. Beugungsordnung so auf drei Photoelemente abgebildet, dass diese dabei ein um jeweils 120° versetztes Signal erzeugen. Diese drei Signale werden dann in einer Folgeelektronik in die industrietaugliche 2-Signal-Form umgesetzt.
Magnetische Abtastung
Bei einem inkrementellen Messsystem mit magnetischer Abtastung besteht die Massverkörperung aus einem hartmagnetischen Träger in dem eine entsprechende magnetische Teilung eingeprägt wurde. Die Abtastplatte trägt dabei 4 magnetfeldempfindliche Widerstände, die ähnlich einer optischen Mehrfeldabtastung verschaltet sind. Die Teilungsperiode kann bei diesen Systemen bis zu 5 mm betragen. Die magnetische Abtastung wird angewendet, wenn das Messsystem nicht mit erträglichem Aufwand gekapselt werden kann. Sie kann gegenüber Flüssigkeiten unempfindlich hergestellt werden. Lediglich Fremdkörper dürfen nicht in den Abtastspalt gelangen.
Signalform
Durch nachfolgende Auswertung von Impulsanzahl, Impulsfrequenz und Phasenlage können Weg, Geschwindigkeit und Richtung bestimmt werden. Gängige Ausgangssignalpegel sind TTL, HTL (digitale Signale) sowie 1Vss und 11µA (analoge Signale). Aufgrund des Sinusverlaufes der Signale kann auch eine interne Interpolation der Position erfolgen, die eine weitere Erhöhung der Genauigkeit erlaubt. Bei analogen Ausgangssignalen kann diese Interpolation auch Extern erfolgen. Abhängig vom Messystem könne dabei Genauigkeiten bis 0,1 µm erreicht werden.
Wird der Drehgeber in einem Servomotor eingesetzt verfügt er in der Regel noch über zusätzliche Spuren. Diese stellen normalerweise Spuren für Kommutierungssignale dar. Sie können analog aus um 90° versetzte Sinus/Cosinussignale (sogenannte Z1-Spur) bestehen oder aus Teilkreisen bei der Blockkommutierung.
Referenzieren
Nachteilig ist, dass nach einem Spannungsausfall die absolute Position nicht mehr bekannt ist. Deshalb werden z.B. bei Positionierungssystemen nach dem Einschalten sog. "Referenzfahrten" auf einen unabhängigen Positionssensor ausgeführt. Manche inkrementelle Drehgeber geben pro volle Umdrehung noch einen Referenzimpuls (Index) auf einem dritten Kanal aus. Einige Inkrementalgeber haben auch eine abstandskodierte Referenzmarke. Dabei wird der Abstand zweier Referenzmarken so auf der Massverkörperung angebracht, das zwischen 1. und 2 Referenzmarke 500 Striche gezählt werden, bei der nächsten 501 usw. Dadurch kann ein externer Referenzgeber entfallen.
Anwendungen
Die wohl häufigste Anwendung ist die optomechanische Maus (EDV), bei der die Bewegungen der Rollkugel auf zwei Inkrementalgeber für die X- und Y-Achse übertragen werden. Bei digital gesteuerten Geräten der Unterhaltungselektronik übernehmen Inkrementalgeber häufig die Funktion eines Potentiometers. Im industriellen Umfeld werden Inkrementalgeber zur Messung von Wegstrecken, Geschwindigkeiten oder Drehwinkeln an Werkzeugmaschinen, in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik und an Mess- und Prüfeinrichtungen eingesetzt.
Sensoren zur jederzeit eindeutigen Erfassung von Winkel- oder Wegpositionen sind die Absolutwertgeber.