Symptom: Signalamplitude sinkt bei hoher Temperatur – Trennung von Lichtquelle, Abstand und Nahfeldbedingungen

Ein Amplitudenverlust bei hoher Temperatur ist meist das Produkt dreier Faktoren: sinkende Lichtausbeute der Lichtquelle, ein durch unterschiedliche Wärmeausdehnung von Gehäuse und Welle veränderter Abstand und eine Rotverschiebung der Wellenlänge, die die Nahfeldbedingungen ändert. Im Beispiel ergeben sich bei 60 K Temperaturanstieg etwa −24 %, −9,6 % und −1,0 %, zusammen etwa −32 %. Dieser Artikel gibt das Überlagerungsmodell, die Empfindlichkeit des Arbeitspunkts und Versuchsschritte an, mit denen sich vom Symptom ausgehend Teilscheibe, Mechanik und Abtastkopf trennen lassen.

Ein Drehgeber am B-Lagerschild eines Motors liefert bei Raumtemperatur 1 VSS, nach dem Warmlaufen auf etwa 85 °C nur noch etwa 0,7 VSS, und der Servoverstärker meldet schwaches Signal; nach dem Abkühlen im Stillstand ist alles wieder normal. Solche Probleme haben oft mehr als eine Ursache: Die Lichtausbeute der Lichtquelle sinkt mit der Temperatur, Gehäuse und Welle dehnen sich unterschiedlich aus und verändern den Abtastabstand, und die Rotverschiebung der LED-Wellenlänge verändert die Bedingungen der Nahfeldabbildung. Die Mechanismen der einzelnen Temperaturdriften im Abtastkopf sind im Artikel zur Temperatur des Abtastkopfs in dieser Artikelsammlung einzeln behandelt; dieser Artikel geht vom Symptom aus und beantwortet eine praktischere Frage: Welchen Anteil am Amplitudenverlust haben Teilscheibe, Mechanik und Abtastkopf, und wie lassen sie sich mit wenigen Vergleichsversuchen trennen?

Überlagerungsmodell: drei Faktoren multiplizieren sich

Für die abbildende Nahfeldabtastung lässt sich die Signalamplitude schreiben als

A(T)/A(T₀) = [P(T)/P₀] · [m(g(T), λ(T)) / m(g₀, λ₀)]

Dabei ist P die Strahlungsleistung der LED, m der Modulationsgrad der Grundwelle, g der Abtastabstand und λ die Spitzenwellenlänge. Für eine Teilscheibe mit 50 % Tastverhältnis gilt bei teilkohärenter Beleuchtung (Herleitung im Artikel zum Talbot-Effekt in dieser Artikelsammlung)

m(g, λ) = cos(πλg/p²) · sinc(g·Δα/p)

mit p als Teilungsperiode und Δα als Winkelbreite der Beleuchtung in Messrichtung. Die Empfindlichkeit des Detektors steigt im nahen Infrarot mit der Temperatur leicht an und kompensiert einen kleinen Teil; im folgenden Rechenbeispiel wird das nicht berücksichtigt. Die drei Faktoren entsprechen:

• Lichtausbeute der Lichtquelle: Der Temperaturkoeffizient der Strahlungsleistung von NIR-LEDs liegt häufig bei etwa −0,1 ~ −0,6 %/K, je nach Material und Strom.
• Abstand: Der Abtastkopf sitzt am Gehäuse, die Teilscheibe auf der Welle; beide Wärmeausdehnungspfade gehen von derselben axialen Bezugsfläche aus, Δg ≈ α_Geh·L_Geh·ΔT_Geh − α_Welle·L_Welle·ΔT_Welle. Aluminiumgehäuse (etwa 23×10⁻⁶/K) mit Stahlwelle (angenommen etwa 12×10⁻⁶/K), axiale Länge etwa 25 mm: Bei gleichmäßiger Erwärmung um 60 K ergeben sich etwa 16 μm. Das Vorzeichen hängt von der Konstruktion ab: Wird die Welle durch Rotorverluste wärmer als das Gehäuse, kann die Differenz kleiner werden oder sogar das Vorzeichen wechseln.
• Wellenlänge: Die Spitzenwellenlänge verschiebt sich um etwa 0,2–0,3 nm/K ins Rote. Im cos-Term treten λ und g als Produkt auf; eine Wellenlängenänderung Δλ entspricht einer Abstandsänderung g·Δλ/λ.

Rechenbeispiel: 60 K Temperaturanstieg

Angenommen p = 20 μm, λ₀ = 880 nm, Δα = 20 mrad, g₀ = 100 μm, Temperaturanstieg 60 K:

Die Gesamtamplitude sinkt um etwa 32 %, davon entfallen etwa drei Viertel auf die Lichtquelle. Der Wellenlängenterm entspricht nur etwa 1,7 μm Abstandsänderung und ist eine Größenordnung kleiner als der mechanische Abstandsterm.

Dieses Verhältnis hängt jedoch stark vom Arbeitspunkt ab (siehe Abb. 2). Dieselben +15 μm und +15 nm verringern die Amplitude bei 60 μm Nennabstand nur um etwa 5 % bzw. 0,3 %; bei 200 μm Nennabstand, nahe an der Nullstelle der Grundwelle p²/(2λ) ≈ 227 μm, dagegen um etwa 55 % bzw. 12 %, zusammen etwa 69 %. Ein „starker Amplitudenverlust bei hoher Temperatur“ ist also manchmal kein Zeichen schlechter thermischer Auslegung, sondern davon, dass der Arbeitspunkt schon bei Raumtemperatur im steilen Kurvenabschnitt liegt.

Hat der Abtastkopf eine Lichtregelung, wird der Lichtquellenterm über den LED-Strom kompensiert; nach außen bleibt nur der Modulationsgradanteil sichtbar, im Rechenbeispiel etwa 11 %. Der Preis ist ein um etwa 1/0,76 − 1 ≈ 32 % höherer Treiberstrom. Reicht die Treiberreserve nicht aus, geht die Regelung ab einer bestimmten Temperatur in die Sättigung, und die Amplitude fällt ab diesem Punkt plötzlich beschleunigt ab – auch das ist ein typisches Erscheinungsbild.

Trennversuche: zuerst A und S, dann Faktor für Faktor

1. Amplitude A und Gleichanteilsumme S gleichzeitig aufzeichnen. S ist die Summe der vier Phasen-Fotoströme abzüglich des bei abgeschalteter LED gemessenen Dunkelstroms (bei hoher Temperatur hebt der Dunkelstrom S an). Aufheizen, halten, wieder auf Raumtemperatur abkühlen und die Bahn in der Ebene A/A₀–S/S₀ auftragen (siehe Abb. 3): Sinken A und S im gleichen Verhältnis, liegt es an Lichtquelle oder Transmission des Strahlengangs; bleibt S weitgehend konstant und A sinkt, liegt es am Modulationsgrad, also an Abstand, Wellenlänge oder Lage der Teilscheibe; kehrt die Bahn nach dem Abkühlen nicht zum Ausgangspunkt zurück, liegt ein irreversibler Faktor vor. Mit Lichtregelung ist S festgehalten; dann stattdessen den LED-Treiberstrom aufzeichnen.
2. Extern mit Konstantstrom betreiben. Den Treiber auf der Platine abtrennen, die LED mit einer Labor-Konstantstromquelle beim Strom für Raumtemperatur direkt betreiben und erneut die Temperaturkurve von S messen. Sie zeigt die Temperaturdrift der Lichtausbeute der LED selbst; sinkt S mit dem Platinentreiber stärker, driftet der Treiberstrom selbst – Messwiderstand und Referenz prüfen.
3. Abstand im kalten und warmen Zustand messen. Bei Raumtemperatur mit Distanzscheiben die Steigung der Amplituden-Abstands-Kurve ermitteln, dann den tatsächlichen Abstand kalt und warm messen (Fühlerlehre, kapazitiver Sensor oder Relativlage von Abtastkopf-Montagefläche und Scheibenoberfläche); Δg mal Steigung ergibt die vorhergesagte Modulationsgradänderung, die mit dem Ergebnis aus Schritt 1 abgeglichen wird.
4. Zonenweise erwärmen. Nur den Abtastkopf erwärmen und die Mechanik auf Raumtemperatur halten: Das liefert Lichtquellen-, Wellenlängen- und Schaltungsterm. Nur Wellensystem und Gehäuse erwärmen und den Abtastkopf mit Luftstrom auf Raumtemperatur halten: Das liefert den Abstandsterm. Die Summe beider sollte dem Ergebnis bei Erwärmung des gesamten Geräts nahekommen.
5. Wellenlängenvergleich. Bei Raumtemperatur eine LED mit anderer Spitzenwellenlänge einsetzen oder bei zwei Abständen je einmal messen, daraus direkt ∂m/∂λ bestimmen und mit der tatsächlichen Rotverschiebung multiplizieren – das ergibt den Wellenlängenterm. Liegt der Arbeitspunkt weit von der Nullstelle entfernt, liegt er meist in der Größenordnung von 1 % und kann als Erstes ausgeschlossen werden.

Ursachen auf Seite der Teilscheibe fallen meist in die Gruppe „irreversibel“: Klebstoff oder Schmierfett gast bei hoher Temperatur aus und schlägt sich als dünner Schleier auf Scheibe oder Fenster nieder; eine erweichende Klebschicht lässt die Scheibe kippen, der Planlauf nimmt zu, und die Amplitudenschwankung einmal pro Umdrehung wird mit der Temperatur deutlich größer. Eine mikroskopische Prüfung der Scheibenoberfläche nach dem Abkühlen und eine erneute Planlaufmessung im warmen Zustand bestätigen das. Die optische Dichte der Chromschicht selbst ändert sich mit Temperatur und Wellenlänge nur wenig und ist in der Regel nicht die Hauptursache.

Praxishinweise

• Mit der Bahn A/A₀–S/S₀ zuerst grob einordnen: entlang der Diagonale Lichtquelle, senkrechter Abfall Modulationsgrad, keine Rückkehr zum Ausgangspunkt irreversible Verschmutzung oder Kriechen.
• Den Nennabstand möglichst weit von p²/(2λ) entfernt wählen: Bei p = 20 μm steigt der Einfluss derselben thermischen Abstandsänderung von 15 μm von etwa 10 % auf etwa 55 %, wenn g₀ von 100 μm auf 200 μm verschoben wird.
• Die Rotverschiebung entspricht einer Abstandsänderung von g·Δλ/λ und ist bei sinnvollem Arbeitspunkt meist der kleinste Term.
• Die Treiberreserve einer Lichtregelung muss den Lichtausbeuteverlust bei Höchsttemperatur plus Alterung abdecken; im Rechenbeispiel sind mindestens +32 % Strom nötig.
• Thermisch so auslegen, dass die axialen Bezüge von Abtastkopf und Teilscheibe möglichst nahe an derselben Bezugsfläche liegen, und den Fall „Welle wärmer als Gehäuse“ nachrechnen.
• Zuerst die beiden kostengünstigen Versuche durchführen – externer Konstantstrombetrieb und Abstandsmessung kalt/warm –, dann entscheiden, ob Abtastkopf, Konstruktion oder Arbeitspunkt geändert werden.

Fazit

Ein Amplitudenverlust bei hoher Temperatur lässt sich als Produkt der drei Faktoren Lichtausbeute, thermisch veränderter Abstand und Wellenlänge im Nahfeld darstellen; im Beispiel betragen sie etwa −24 %, −9,6 % und −1,0 %, das Verhältnis ändert sich jedoch stark mit dem Nennabstand. Zeichnet man beim Aufheizen und Abkühlen die Bahn von Amplitude und Gleichanteilsumme auf, trennt man zunächst Lichtquellentyp, Modulationsgradtyp und irreversiblen Typ und bestätigt dann mit externem Konstantstrombetrieb, Abstandsmessung kalt/warm, zonenweiser Erwärmung und Wellenlängenwechsel Faktor für Faktor, ob die Ursache bei Teilscheibe, Mechanik oder Abtastkopf liegt.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0224). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com

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