В данной статье рассматривается вопрос контроля положения оптических элементов в оптико-электронных устройствах при изменении поля зрения путем перемещения какого-либо из них относительно оптической оси.
Ключевые слова: датчик линейного перемещения, оптическая система, модуль управления, синусоидальный сигнал.
Датчики линейного перемещения используются для получения данных об абсолютном или относительном изменении положения объекта в пространстве в одном выделенном направлении. По принципу функционирования датчики линейного перемещения разделяются на контактные/бесконтактные, по измеряемой величине — звуковые, оптические, индукционные, емкостные и резистивные [1–2]. Каждый тип датчиков имеет свои преимущества и недостатки, из которых складывается предпочтительная область их применения. Звуковые и оптические датчики наиболее эффективны, когда между датчиком и объектом находится значительный промежуток свободного пространства (десятки сантиметров и более) для точного разделения зондирующего и отраженного сигналов во времени. Резистивные датчики склонны к износу, так как основаны на перемещении скользящих контактов по поверхности материала с заданным удельным сопротивлением и имеют гистерезис из-за их конечных размеров. Емкостные датчики отлично подходят при измерении перемещений на сверхкороткие расстояния (от микрон до миллиметров) из-за обратно пропорциональной зависимости емкости конденсатора, образованного референсными плоскостями. Индукционные датчики являются наиболее удобными при измерении перемещений на расстояния от миллиметров до десятков сантиметров с большой точностью (до сотен микрон).
Если мы говорим о стандартных автоматизированных объективах, разработанных для фото- и видеокамер, в них для изменения фокусного расстояния системы применяются пьезоэлектрические приводы. Обратная связь для контроля положения оптических элементов относительно предыдущего состояния обычно отсутствует. Это непринципиально, если речь идет о наблюдении за объектом на расстоянии нескольких метров или десятков метров. Другое дело, когда в оптической системе, рассчитанной на наблюдение за объектом на дальних дистанциях (сотни метров или километры), реализуется одновременно два режима работы — широкопольный, когда угол обзора близок к 180 о , и узкопольный, когда угол обзора сокращается до долей градуса. Здесь необходимы существенные перемещения оптических элементов (сантиметры) с точностью до долей миллиметра с привязкой к постоянной виртуальной шкале. Вместо пьезоприводов уже должны быть использованы механизмы на червячном принципе, а контроль положения обеспечиваться в широком диапазоне при минимально возможном гистерезисе.
Исследуем характеристики индукционного датчика линейных перемещений MHR 500 от компании TE Connectivity [3] в качестве наиболее подходящего претендента на роль организатора обратной связи в оптической системе с вариабельным полем зрения.
Датчик перемещения
Для управления датчиком линейного перемещения MHR 500 требуется модуль управления, основанный на генераторе синусоидального сигнала с требуемыми параметрами:
Характеристики модуля управления:
– Напряжение питания: 3–12 Вольт;
– Форма выходного сигнала: синус
– Диапазон частот: 10 кГц;
– Диапазон выходного сигнала: 0,05–3 В
Такой модуль был разработан автором статьи на базе микросхемы ICL8038 [4]. Кроме синусоидального сигнала с регулируемой частотой и амплитудой модуль также выдает также сигнал в виде меандра и пилы, необходимые в проведении исследований характеристик датчика.
Конструктивно датчик представляет собой три независимых катушки индуктивности, выводы от которых либо соединяются последовательно, либо подключаются к компараторам или дифференциальным усилителям. Катушки заключены в единый корпус в виде полого цилиндра. Внутри корпуса перемещается калиброванный металлический сердечник заданного размера, который может свободно перемещаться по всей своей длине внутри корпуса и полностью выходить из него с обеих сторон.
Рис. 1. Конструкция датчика MHR 500
Рис. 2. Диапазон перемещений сердечника в датчике MHR 500
Стенд для исследования характеристик датчика
Для исследования таких характеристик датчика, как его линейность, чувствительность, точность перемещения, была изготовлена специальная оснастка, ставшая базой для экспериментального стенда (рис.).
Рис. 3. Экспериментальный стенд для исследований характеристик датчика MHR 500
Шаговый двигатель, управляемый микроконтроллером Atmega 128 в связке с драйвером LM358, перемещает каретку, скользящую вдоль направляющих. Каретка соединена с шаговым двигателем червячным механизмом, что позволяет трансформировать вращение вала двигателя в поступательное движение каретки. На каретке закреплен шток из PLA пластика, к концу которого приклеен измерительный сердечник датчика. Вся конструкция закреплена на массивной металлической станине для обеспечения жесткости и гашения вибраций.
Сигнал с датчика регистрировался цифровым осциллографом Tektronix TDS3032, а также поступал на АЦП на основе микросхемы AD7680ARMZ для дискретизации и отправлялся на персональный компьютер через последовательный интерфейс. Режим передвижения штока задавался также при помощи персонального компьютера, к которому был подключен контроллер посредством интерфейса UART. Питание датчика осуществлялось при помощи источника синусоидального сигнала [5].
Рис. 4. Функциональная схема экспериментального стенда для исследования характеристик датчика
Тестирование проходило в двух (обобщенно) режимах:
- Перемещение сердечника между крайними положениями внутри датчика «туда-обратно» с постоянной скоростью
- Перемещение штока с постоянной скоростью с полным выходом сердечника из датчика.
На рис. приведены некоторые осциллограммы (рис.6–7), снятые для одного из вариантов подключения выводов катушек индуктивности датчика к источнику питания и осциллографу (рис.5). Здесь центральная катушка была возбуждающей, подключенной к генератору синусоидального сигнала, а крайние — принимающие, соединенные последовательно и подключенные к осциллографу. Движение сердечника было организовано с постоянной высокой линейной скоростью (до 10 см/с), в силу требований к скорости перестройки поля зрения оптической системы. Червячная передача с мелким шагом резьбы 0.2 мм в совокупности с шаговым двигателем в 400 шагов на оборот обеспечивала точность линейного перемещения до 250 мкм.
Рис. 5. Одна из исследованных схем подключения датчика к генератору (источнику питания) и осциллографу
Рис. 6. Осциллограммы, снятые в процессе испытания датчика: черная кривая соответствует положению сердечника по центру средней катушки индуктивности датчика, красная — у одного из краев, синяя — линейное движение сердечника со скоростью 0.082 м/с (в масштабе), зеленая — огибающая для красной кривой
Рис. 7. Осциллограмма, снятая при прохождении сердечника от центра до полного выхода из датчика со скоростью 0.082 м/с (красная и синяя кривые — верхняя и нижняя огибающая соответственно)
Заключение
В результате исследований, проведенных для определения реальных характеристик [6] индукционного датчика линейных перемещений MHR 500 от компании TE Connectivity, как вероятного устройства для прецизионного определения положения оптического элемента в схеме с вариабельным полем зрения, можно сделать следующие выводы:
- Датчик предварительно подходит для контроля перемещения оптических элементов с точностью до 250 мкм при движении с высокими линейными скоростями (до 10 см/с).
- Нелинейность выходных характеристик датчика присутствует только при выходе сердечника из корпуса, что выражается в неравнозначности верхней и нижней огибающих сигнала в пределах 10 % от нормы.
В продолжение решения текущих прикладных задач будут проведены экспериментальные и расчетно-теоретические исследования оптической системы с данным датчиком в составе системы фокусировки (изменения поля зрения), а также инженерный анализ электрических схем питания и управления параметрами датчика с целью исследования влияния на его характеристики температуры и механических нагрузок для оптимизации конструкции в целом.
Литература:
- https://www.tmljp.ru/information/datchiki_peremeshcheniya_vybor_i_primery_ispolzovaniya/
- www.kipia.ru
- https://terussia.ru/
- А. В. Федотов Теория и расчет индуктивных датчиков перемещений для систем автоматического контроля Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. — 176 с.
- Юдин А. В. «Датчики технических параметров», Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева, Рыбинск, 2014 г.
- В. Ануфриев, А. Лужбинин, С. Шумилин «Методы обработки сигналов индуктивных датчиков линейных и угловых перемещений». Современная электроника, № 4 2014
