Lars Stenberg

Параметры конструкции для триангуляционных датчиков

В главе 1 мы использовали триангуляционный датчик в качестве примера использования PSD детектора. Так как это достаточно распространенное направление использования PSD детекторов, мы рассмотрим различные варианты установки детекторов, которые необходимо знать, для того чтобы создать триангуляционный датчик. Мы рассмотрим достаточно подробно теоретические основы создания триангуляционных датчиков, с целью улучшения понимания вопросов связанных с качественной работой будущего устройства

Введение

Если Вы хотите разработать триангуляционный датчик, вы должны предусмотреть следующие компоненты (см. рис. 1): источник света (A), светофильтры, основная линза (E), фокусирующая оптика, PSD (F), электронные и механические компоненты. Так как мы решаем задачу бесконтактных измерений перемещений, расстояние от источника света (A) до объекта измерений (D) может варьироваться в достаточно широких пределах. Как мы уже отмечали, точность измерения перемещения объекта D’D’’ будет низкой, если расстояние AD будет больше чем необходимо. Практика показывает, что расстояние AD не должно превышать расчетное.

рис. 1

Важные моменты

параметрами, так чтобы проектируемое устройство удовлетворяет условиям поставленной задачи и располагается на максимальном расстоянии от объекта. На рисунке 2 изображен угол ADF (рассмотрим его более подробно позже). Его величина составляет 30гр., 45гр. и 60гр. в случаях 2.1, 2.2 и 2.3 соответственно. Фокусное расстояние главной линзы (E) одинаково для каждого случая (2.1, 2.2, 2.3). Как показано на рисунке 2 наибольшее расстояние (диапазон измерений) D’D’’ получается в случае 2.1, когда угол ADF наименьший. Соответственно расстояние AF будет наименьшим в случае 2.1. Расстояние AF, с учетом размеров источника света A и детектора F, определяет минимальные линейные размеры триангуляционного датчика. С другой стороны требования к разрешению детектора F в случае 2.1 будут гораздо выше чем в случае 2.3.
В дополнение необходимо сказать, что свободное воздушное пространство E’D’ уменьшается, по мере увеличения угла ADF. Величина угла ADF выбирается в зависимости от: расстояния от источника света до измеряемого объекта (AD), диапазона измерений D’D’’, размера свободного воздушного пространства E’D’, требований к точности и размерам триангуляционного датчика. Некоторые из вышеприведенных параметров могут быть изменены, как мы увидим далее, благодаря выбору линз с другой апертурой и благодаря выбору позиционно-чувствительных датчиков с другим диапазоном измерений. Путем практических исследований было установлено, что угол ADF должен колебаться в диапазоне от 35гр. до 45гр.
Основной задачей данной статьи является разъяснение вопросов по выбору параметров схем триангуляционных датчиков.

Рис. 2.

Процедуры

Наиболее удобной процедурой для создания и расчета различных параметров в триангуляционном датчике является выбор начальных (наиболее подходящих для решения поставленной задачи) значений различных параметров (см. рис. 3): расстояние от объекта до датчика h, углы a и b плюс фокусное расстояние fE основной линзы. После этого Вы рассчитываете другие параметры по формуле, которую мы выведем далее: длина позиционно-чувствительного датчика F’F’’, диапазон измерений D’D’’и угол g, который определяет угол под которым должен располагаться детектор F относительно основной линзы. Если вы удовлетворены полученными результатами, все в порядке, но очень возможен такой вариант, что Вы захотите скорректировать (оптимизировать) один из параметров. Произведя расчеты несколько раз с различными начальными значениями, вы получите интересующие Вас результат.

Механическая конструкция триангуляционного датчика

Выбор материала

Существует много различных типов металлов, стекол и пластика. Рассмотрим некоторые из них. Я рассмотрю несколько видов металлов и стекла. В нижеприведенной таблице представлены примеры таких материалов.
Обращаю Ваше внимание, на тот факт, что я включил в этот список только небольшую выборку различных материалов, для того чтобы иметь возможность конкретно обсудить тему выбора материалов. Так как однажды я посещал одно из крупнейших в мире предприятий по производству оптических систем, представитель компании заявил, что около 2200 различных металлов и сплавов хранится на складе. Рассмотрим два типа широко используемых материалов. Оценим возможности их совместного использования.

Алюминий сплавляется с другими материалами, такими как медь, магний, марганец, свинец и висмут и часто используется в оптических приборах. Чистый алюминий очень мягкий и поэтому плохо поддается машинной обработке. Примеры приборов, в которых используются такие материалы: теодолиты, бинокли, фотокамеры, видеокамеры, триангуляционные датчики и т.д. Чаще всего используемая обработка поверхности - черное анодирование. После обработки поверхность становится сравнительно прочной, но часто возникают случаи, когда обработанная поверхность начинает выполнять функции отражателя, вместо того чтобы просто выполнять функции ЋдержателяЛ линз. В этом случае внутреннюю поверхность Ћдержателя линзЛ необходимо покрыть черной антибликовой краской. Что касается анодного окисление для создания гладкой и черной поверхности, необходимо выбирать не слишком жесткий сплав алюминия, так как в этом случае поверхность станет серой и пятнистой. Достаточно сложно для деталей сделанных из дюралюминия создать однородную гладкую поверхность. Отметим, что анодно-окисная пленка, толщиной 5 - 25 Еm обладает изолирующими свойствами. С одной стороны можно не использовать анодно-окисную пленку, но с другой стороны мы должны учитывать необходимость уплотнения всех анодированных алюминиевых частей прибора, для того чтобы исключить попадание частиц пыли внутрь прибора. Возможно создать готовый ЋдержательЛ для линз с продольными втулками, тонкими стопорными кольцами и т.д. целиком из алюминия, но в этом случае все детали должны быть анодированы и обработаны крипоустойчивой смазкой перед установкой линз. С другой стороны существует риск, что алюминиевые детали не удовлетворят установочным допускам после обработки.
Для того чтобы создать движущиеся алюминиевые детали мы должны быть очень осторожны и внимательны. Если есть необходимость создания оптического прибора для работы в различных температурных условиях, важно быть осторожным при намерении использовать алюминий, так как у алюминия коэффициент линейного (температурного) расширения достаточно велик, но об этом, более подробно, поговорим позже.
Если кто-то решил использовать алюминий в комплексе с другими материалами, то предварительно надо рассмотреть вопрос – какие материалы можно использовать с алюминием, а какие нет. По причине большой разницы электростатических характеристик алюминия и латуни не рекомендуется использовать их вместе. В конструкции, которую я рассмотрел можно выкручивать латунные болты при помощи пальцев из алюминия, в который они были закручены с большим усилием. В этом случае посадочные отверстия должны быть обработаны морской водой. Хорошая идея – использовать стальные болты для того чтобы скреплять вместе алюминиевые детали, но стальной болт легко срывает резьбу в алюминиевом корпусе.

Латунь легко полируется и возможно создание поверхностей с очень высокой отражающей способностью. Очень хороший материал для полировки латуни – измельченная скорлупа орехов. С другой стороны достаточно тяжело покрыть поверхность латуни черным покрытием недорогими методами. Для изменения цвета чаще всего покрывают черной оксидной пленкой или воронят, что придает латуни темно-коричневый цвет. Для того чтобы свет не отражался от корпуса, латунь покрывают антибликовой черной краской типа Nextel которая производится компанией 3M. Для того чтобы получить практичную и красивую поверхность, латунь никелируют, а затем хромируют. Латунь может отлично использоваться вместе с железом и сталью. Для того чтобы создать механизм позволяющий произвести фокусировку с высокой точностью наиболее разумно будет создать тонкий стальной ЋдержательЛ для линз в латунном корпусе. Эта комбинация материалов используется в фотообъективах наивысшего качества. Если у вас есть вращающийся стальной вал – можно использовать латунные подшипники (латунный корпус + металлизированные латунные шарики). Когда между латунными шариками образуется выработка (впадина), ее можно заполнить густой смазкой, что значительно продлевает подшипникам жизнь. Если в процессе эксплуатации устройства имеют место быть большие радиальные нагрузки необходимо использовать латунные шарикоподшипники.