ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ СЕЧЕНИЯ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА НА ПОДВИЖНОМ ИНТЕРФЕЙСЕ
46
УДК 621.01;681.2;537.533
В. В. БИНДЮК
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ СЕЧЕНИЯ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА
НА ПОДВИЖНОМ ИНТЕРФЕЙСЕ
Предложен мехатронный модуль, объединяющий оптоэлектронный преобразователь регистрации малых смещений изображения со средствами линейного перемещения механической системы, позволяющий получить разрешающую способность 10–5мм от заданного положения стрелы изгиба упругих микроэлементов с малой изгибной жесткостью. Полная относительная погрешность оптоэлектронного преобразователя на подвижном интерфейсе составляет 0,09 %. Ключевые слова: интерфейс, преобразователь, упругий элемент, оптопара, погрешность.
В соответствии с методикой [1] измерение изгибной жесткости (H= EI) [2] прецизионных упругих микроэлементов (УЭ) в случае больших упругих перемещений выполняется при условии β = f/L (f —стрела прогиба, L — длина УЭ). Значение β изменяется с фиксированным шагом. Исходя из значения β вычисляется коэффициент
К=2F(α,φк) sin α (1– cos φк), входящий в номинальную расчетную характеристику косвенно измеряемой жесткости сечения УЭ, связывающую стрелу прогиба, длину УЭ и усилие продольного сжатия (Р):
H = LPf/2K.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
Оптоэлектронный преобразователь положения сечения упругого элемента
47
Здесь F(α, φк) — обозначение эллиптического интеграла Лежандра, α — модулярный угол, φк — эллиптическая амплитуда концевой точки упругой линии элемента.
Параметром, величину которого необходимо обеспечить с наименьшей погрешностью, является стрела прогиба f УЭ. Поскольку жесткость сечения гибкого упругого стержня на участке, где выполняется закон Гука, есть величина постоянная, отпадает необходимость в непрерывном измерении стрелы f прогиба и достаточно обеспечить f/L = const.
Обеспечить значение f/L = const можно следующим образом. Пусть имеется некоторая система, содержащая подвижный элемент, на котором установлен бесконтактный преобразователь перемещения (БПП), фиксирующий первоначальное, недеформированное положение УЭ. О том, что положение зафиксировано точно, свидетельствует нулевой уровень сигнала, вырабатываемый БПП. При смещении подвижного элемента совместно с БПП на расстояние f получим некоторое приращение уровня сигнала, которое станет минимальным и сведется к нулю при достижении стрелой прогиба деформируемого УЭ заданного значения.
Для измерения жесткости прецизионных упругих элементов, например баланса приборов времени, наиболее подходят оптико-электронные преобразователи линейных перемещений [3].
На рис. 1 представлена схема оптоэлектронного преобразователя положения (ОЭПП) стрелы УЭ: 1 — источник излучения, 2 — диафрагма, 3 — микрообъектив, 4 — сечение УЭ, 5 — приемник излучения.
12
3
45
Рис. 1
Поток излучения, в зависимости от смещения торца сечения УЭ относительно оптической оси, попадает на несколько фоточувствительных площадок, сигналы с которых сравниваются между собой. Разностный сигнал в этом случае пропорционален величине смещения изображения относительно нулевого положения.
В схеме можно применять любые источники света, однако более выгодно использовать светодиоды [4], так как они имеют наибольший квантовый выход при малых токах, наилучшую оптическую связь с фотоприемником (благодаря малым габаритам и низким рабочим температурам) и наибольшую скорость переключения (0—10 МГц). Для светодиодов группы GaAs длина волны главной полосы λ=0,91—0,97 мкм, внешний квантовый выход до 32 % [4].
В качестве источника инфракрасного излучения ОЭПП использован светодиод АЛ-107Б с λ = 0,97 мкм, полная мощность излучения которого при температуре окружающей среды
–60—+25 °С и прямом токе 100 мА не менее 10 мВт; постоянное прямое напряжение — 2 В.
Минимальная ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 — 40°, максимальная — на
уровне 0,65—120°. Поток излучения ИК-части спектра светодиода (1) направляется оптической системой
(2—3), на приемник излучения (5). При смещении поперечное сечение УЭ (4) вырезает часть потока излучения и на центральную часть приемника излучения проецируется расфокусированное
изображение в виде полоски шириной h′= Kосh, где Kос — коэффициент преобразования
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
48 В. В. Биндюк
оптической системы, h — ширина поперечного сечения УЭ при условии его перпендикулярности оптической оси.
Устройства, содержащие несколько чувствительных элементов, оказываются малопригодны при регистрации малых смещений изображения объекта слежения из-за невозможности высокой точности измерений, так как практически невозможно подобрать пары элементов с одинаковыми характеристиками (амплитудными и временными).
В качестве приемника излучения использован квадрантный фотодиод ФД-19кк, изготовленный из одной пластины полупроводника (рис. 2) [5].
а) Y h′
б)
t 41 X
3 2T
δ
T
Рис. 2
Фотодиод представляет собой пластину полупроводника размером 2×2 мм с электронно-дырочным переходом, рассеченную под прямым углом двумя прорезями на глубину, превышающую глубину залегания p—n-перехода.
Ширина прорезей t фотодиода ФД-19кк равна 0,05 мм (рис. 2, а). На поверхности каждого из полученных фотодиодов имеются выводы для снятия информации о величине смещения изображения (рис. 2, б).
Уровень сигналов, характеризующих смещение изображения относительно центрального положения вдоль оси X, определяется следующим выражением:
I=(I1–I2)–(I3–I4), где Ii (i=1,2,3,4) — сигнал, снимаемый с i-го квадранта. При небольших смещениях вдоль оси X полезный сигнал можно записать в виде
I=2(I1+I2)(dF(δ)/dδ)δ, где функция F(δ) описывает изменение фототока при изменении положения изображения полосы вдоль оси X.
Колебания нулевой точки ФД-19кк за 15—20 часов, по данным работы [6], не превышают ±4 мкм в фотодиодном режиме. Квадрантный фотодиод малочувствителен к внешнему фону, так как при одновременном попадании фона на все элементы происходит его вычитание.
На рис. 3 приведена функциональная схема ОЭПП стрелы прогиба УЭ.
ФД УФ Г СД
СхД
Рис. 3
Генератор (Г), выполненный на микросхеме К155ЛАЗ, является источником модулированного сигнала светодиода (СД) и опорного сигнала, подаваемого на синхронный детектор
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
Оптоэлектронный преобразователь положения сечения упругого элемента
49
(СхД). Частота основного и опорного сигналов равна 7500 Гц. Усилитель фототока (УФ) выполнен на микросхеме К1У401А; схема синхронного детектора — на К1УТ981.
Источником биполярного напряжения +6,3 и –6,3 В является блок Ф5075 ГСП. Интерфейсом ОЭПП служит столик с призматическими направляющими трения качения, смещения которого на фиксированные расстояния f задаются размерами образцовых плоскопараллельных мер длины. При этом обеспечивается перпендикулярность оптической оси ОЭПП к плоскости смещения торца сечения УЭ. Экспериментально получена позиционная характеристика ОЭПП стрелы прогиба УЭ высотой сечения: b=0,18 мм и шириной h=0,03 мм (рис. 4).
I, мкА
40
30
20
10 10 5 0
5 10 δ, 10–2 мм
20
30
40
Рис. 4
Крутизна, или чувствительность, ОЭПП рассчитывается следующим образом: Sδ=∆Ι/∆δ=1250 мкА/мм,
а цена деления шкалы нуль-индикатора равна 0,0008 мм/мкА. Пусть абсолютная погрешность фиксирования стрелы прогиба УЭ ОЭПП ∆f ′ = 0,0008 мм,
тогда при f=1 мм составляющая относительной погрешности измерительного устройства по стреле изгиба равна
η′f = ∆f ′/f ·100 = 0,08 %. Полученное значение η′f необходимо суммировать со второй составляющей. Так как абсолютная погрешность плоскопараллельной концевой меры длины ∆f ″, соответствующая размеру 1 мм для второго разряда, равна 0,0001 мм, то
η″f = ∆f ″/f·100 = 0,01 %. Таким образом, полная относительная погрешность задания f оптоэлектронным преобразователем положения прогиба УЭ на подвижном основании равна
ηf = η′f + η″f = 0,09 %. На основании полученных в работе результатов можно сделать следующие выводы:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
50 В. В. Биндюк
1) ОЭПП на подвижном интерфейсе обеспечивает бесконтактный метод фиксирования стрелы прогиба УЭ при минимальных размерах оптико-информационной системы;
2) работа ОЭПП на модулированном потоке излучения ИК-части спектра позволяет избежать влияния на уровень полезного сигнала посторонних источников излучения и низкочастотных шумов;
3) ОЭПП на квадрантном фотодиоде позволяет, в принципе, довести разрешающую способность системы по перемещению стрелы прогиба УЭ прибора до 0,01 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биндюк В. В. Метод определения жесткости упругих элементов // Тр. ЛИТМО. Расчет и проектирование приборов точной механики. 1977. Вып. 91. С. 27—32.
2. Попов Е. П. Теория и расчет гибких упругих стержней. М.: Наука, 1986. 296 с.
3. Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. Основные направления работ по совершенствованию оптико-электронных систем для контроля смещений объектов или их элементов // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т. 43, № 1—2. С. 100—103.
4. Берг А., Дин П. Светодиоды. М.: Мир, 1979.
5. Айвазова Л. С. и др. Четырехэлементные позиционно-чувствительные фотодиоды // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. Киев: Наукова думка, 1966.
6. Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 176 с.
Сведения об авторе Владимир Владимирович Биндюк — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный иссле-
довательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра мехатроники; E-mail: bvvspb@yandex.ru
Рекомендована кафедрой мехатроники
Поступила в редакцию 29.02.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
УДК 621.01;681.2;537.533
В. В. БИНДЮК
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ СЕЧЕНИЯ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА
НА ПОДВИЖНОМ ИНТЕРФЕЙСЕ
Предложен мехатронный модуль, объединяющий оптоэлектронный преобразователь регистрации малых смещений изображения со средствами линейного перемещения механической системы, позволяющий получить разрешающую способность 10–5мм от заданного положения стрелы изгиба упругих микроэлементов с малой изгибной жесткостью. Полная относительная погрешность оптоэлектронного преобразователя на подвижном интерфейсе составляет 0,09 %. Ключевые слова: интерфейс, преобразователь, упругий элемент, оптопара, погрешность.
В соответствии с методикой [1] измерение изгибной жесткости (H= EI) [2] прецизионных упругих микроэлементов (УЭ) в случае больших упругих перемещений выполняется при условии β = f/L (f —стрела прогиба, L — длина УЭ). Значение β изменяется с фиксированным шагом. Исходя из значения β вычисляется коэффициент
К=2F(α,φк) sin α (1– cos φк), входящий в номинальную расчетную характеристику косвенно измеряемой жесткости сечения УЭ, связывающую стрелу прогиба, длину УЭ и усилие продольного сжатия (Р):
H = LPf/2K.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
Оптоэлектронный преобразователь положения сечения упругого элемента
47
Здесь F(α, φк) — обозначение эллиптического интеграла Лежандра, α — модулярный угол, φк — эллиптическая амплитуда концевой точки упругой линии элемента.
Параметром, величину которого необходимо обеспечить с наименьшей погрешностью, является стрела прогиба f УЭ. Поскольку жесткость сечения гибкого упругого стержня на участке, где выполняется закон Гука, есть величина постоянная, отпадает необходимость в непрерывном измерении стрелы f прогиба и достаточно обеспечить f/L = const.
Обеспечить значение f/L = const можно следующим образом. Пусть имеется некоторая система, содержащая подвижный элемент, на котором установлен бесконтактный преобразователь перемещения (БПП), фиксирующий первоначальное, недеформированное положение УЭ. О том, что положение зафиксировано точно, свидетельствует нулевой уровень сигнала, вырабатываемый БПП. При смещении подвижного элемента совместно с БПП на расстояние f получим некоторое приращение уровня сигнала, которое станет минимальным и сведется к нулю при достижении стрелой прогиба деформируемого УЭ заданного значения.
Для измерения жесткости прецизионных упругих элементов, например баланса приборов времени, наиболее подходят оптико-электронные преобразователи линейных перемещений [3].
На рис. 1 представлена схема оптоэлектронного преобразователя положения (ОЭПП) стрелы УЭ: 1 — источник излучения, 2 — диафрагма, 3 — микрообъектив, 4 — сечение УЭ, 5 — приемник излучения.
12
3
45
Рис. 1
Поток излучения, в зависимости от смещения торца сечения УЭ относительно оптической оси, попадает на несколько фоточувствительных площадок, сигналы с которых сравниваются между собой. Разностный сигнал в этом случае пропорционален величине смещения изображения относительно нулевого положения.
В схеме можно применять любые источники света, однако более выгодно использовать светодиоды [4], так как они имеют наибольший квантовый выход при малых токах, наилучшую оптическую связь с фотоприемником (благодаря малым габаритам и низким рабочим температурам) и наибольшую скорость переключения (0—10 МГц). Для светодиодов группы GaAs длина волны главной полосы λ=0,91—0,97 мкм, внешний квантовый выход до 32 % [4].
В качестве источника инфракрасного излучения ОЭПП использован светодиод АЛ-107Б с λ = 0,97 мкм, полная мощность излучения которого при температуре окружающей среды
–60—+25 °С и прямом токе 100 мА не менее 10 мВт; постоянное прямое напряжение — 2 В.
Минимальная ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 — 40°, максимальная — на
уровне 0,65—120°. Поток излучения ИК-части спектра светодиода (1) направляется оптической системой
(2—3), на приемник излучения (5). При смещении поперечное сечение УЭ (4) вырезает часть потока излучения и на центральную часть приемника излучения проецируется расфокусированное
изображение в виде полоски шириной h′= Kосh, где Kос — коэффициент преобразования
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
48 В. В. Биндюк
оптической системы, h — ширина поперечного сечения УЭ при условии его перпендикулярности оптической оси.
Устройства, содержащие несколько чувствительных элементов, оказываются малопригодны при регистрации малых смещений изображения объекта слежения из-за невозможности высокой точности измерений, так как практически невозможно подобрать пары элементов с одинаковыми характеристиками (амплитудными и временными).
В качестве приемника излучения использован квадрантный фотодиод ФД-19кк, изготовленный из одной пластины полупроводника (рис. 2) [5].
а) Y h′
б)
t 41 X
3 2T
δ
T
Рис. 2
Фотодиод представляет собой пластину полупроводника размером 2×2 мм с электронно-дырочным переходом, рассеченную под прямым углом двумя прорезями на глубину, превышающую глубину залегания p—n-перехода.
Ширина прорезей t фотодиода ФД-19кк равна 0,05 мм (рис. 2, а). На поверхности каждого из полученных фотодиодов имеются выводы для снятия информации о величине смещения изображения (рис. 2, б).
Уровень сигналов, характеризующих смещение изображения относительно центрального положения вдоль оси X, определяется следующим выражением:
I=(I1–I2)–(I3–I4), где Ii (i=1,2,3,4) — сигнал, снимаемый с i-го квадранта. При небольших смещениях вдоль оси X полезный сигнал можно записать в виде
I=2(I1+I2)(dF(δ)/dδ)δ, где функция F(δ) описывает изменение фототока при изменении положения изображения полосы вдоль оси X.
Колебания нулевой точки ФД-19кк за 15—20 часов, по данным работы [6], не превышают ±4 мкм в фотодиодном режиме. Квадрантный фотодиод малочувствителен к внешнему фону, так как при одновременном попадании фона на все элементы происходит его вычитание.
На рис. 3 приведена функциональная схема ОЭПП стрелы прогиба УЭ.
ФД УФ Г СД
СхД
Рис. 3
Генератор (Г), выполненный на микросхеме К155ЛАЗ, является источником модулированного сигнала светодиода (СД) и опорного сигнала, подаваемого на синхронный детектор
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
Оптоэлектронный преобразователь положения сечения упругого элемента
49
(СхД). Частота основного и опорного сигналов равна 7500 Гц. Усилитель фототока (УФ) выполнен на микросхеме К1У401А; схема синхронного детектора — на К1УТ981.
Источником биполярного напряжения +6,3 и –6,3 В является блок Ф5075 ГСП. Интерфейсом ОЭПП служит столик с призматическими направляющими трения качения, смещения которого на фиксированные расстояния f задаются размерами образцовых плоскопараллельных мер длины. При этом обеспечивается перпендикулярность оптической оси ОЭПП к плоскости смещения торца сечения УЭ. Экспериментально получена позиционная характеристика ОЭПП стрелы прогиба УЭ высотой сечения: b=0,18 мм и шириной h=0,03 мм (рис. 4).
I, мкА
40
30
20
10 10 5 0
5 10 δ, 10–2 мм
20
30
40
Рис. 4
Крутизна, или чувствительность, ОЭПП рассчитывается следующим образом: Sδ=∆Ι/∆δ=1250 мкА/мм,
а цена деления шкалы нуль-индикатора равна 0,0008 мм/мкА. Пусть абсолютная погрешность фиксирования стрелы прогиба УЭ ОЭПП ∆f ′ = 0,0008 мм,
тогда при f=1 мм составляющая относительной погрешности измерительного устройства по стреле изгиба равна
η′f = ∆f ′/f ·100 = 0,08 %. Полученное значение η′f необходимо суммировать со второй составляющей. Так как абсолютная погрешность плоскопараллельной концевой меры длины ∆f ″, соответствующая размеру 1 мм для второго разряда, равна 0,0001 мм, то
η″f = ∆f ″/f·100 = 0,01 %. Таким образом, полная относительная погрешность задания f оптоэлектронным преобразователем положения прогиба УЭ на подвижном основании равна
ηf = η′f + η″f = 0,09 %. На основании полученных в работе результатов можно сделать следующие выводы:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6
50 В. В. Биндюк
1) ОЭПП на подвижном интерфейсе обеспечивает бесконтактный метод фиксирования стрелы прогиба УЭ при минимальных размерах оптико-информационной системы;
2) работа ОЭПП на модулированном потоке излучения ИК-части спектра позволяет избежать влияния на уровень полезного сигнала посторонних источников излучения и низкочастотных шумов;
3) ОЭПП на квадрантном фотодиоде позволяет, в принципе, довести разрешающую способность системы по перемещению стрелы прогиба УЭ прибора до 0,01 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биндюк В. В. Метод определения жесткости упругих элементов // Тр. ЛИТМО. Расчет и проектирование приборов точной механики. 1977. Вып. 91. С. 27—32.
2. Попов Е. П. Теория и расчет гибких упругих стержней. М.: Наука, 1986. 296 с.
3. Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. Основные направления работ по совершенствованию оптико-электронных систем для контроля смещений объектов или их элементов // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т. 43, № 1—2. С. 100—103.
4. Берг А., Дин П. Светодиоды. М.: Мир, 1979.
5. Айвазова Л. С. и др. Четырехэлементные позиционно-чувствительные фотодиоды // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. Киев: Наукова думка, 1966.
6. Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 176 с.
Сведения об авторе Владимир Владимирович Биндюк — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный иссле-
довательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра мехатроники; E-mail: bvvspb@yandex.ru
Рекомендована кафедрой мехатроники
Поступила в редакцию 29.02.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 6