CC BY
76
Литература
1. Бискуб К.Н., Писарев А.И. Математическая модель охлаждения технологических газов плавильных электропечей //
Научно-технические ведомости СПб ГПУ. Сер. 6. Информатика, телекоммуникации, управление. - 2010. - Вып. 6(113) 2010. -
С. 81-86.
2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011610292, зарегистрированной в Реестре
программ для ЭВМ 12.10.2010. Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов
плавильной электропечи (версия 2.0) / Бискуб К.Н.
3. Ф. Гилл, У.Мюррей, М.Райт. Практическая оптимизация. М.: Мир - 1985. - С. 213-245.
Бойков В.И.1, Быстров С.В.2, Григорьев В.В.3
1 кандидат технических наук, доцент; 2 кандидат технических наук, доцент; 3 доктор технических наук, профессор, Санкт-
Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики;
ВЫБОР ДАТЧИКА ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ МИКРОМЕТРИЧЕСКОЙ ПОДВИЖКИ
Аннотация
В целом ряде областей науки и техники широко используются микрометрические подвижки для прецизионного перемещения различных объектов. Для автоматизации научных исследований такие подвижки делают моторизированными, применяя в качестве исполнительных устройств электрические машины разных типов. Повышение требований к разрешающей способности и точности позиционирования в микрометрическом диапазоне существенно усложняет задачу. Необходимы другие принципы создания микроперемещений и устройства для их измерения. Данная работа посвящена анализу различных по принципу действия измерительных устройств и оценке возможности их применения в прецизионных микроподвижках.
Ключевые слова: оптические и оптико-электронные датчики, спектральное кодирование, микроперемещения.
Boikov V.I., Bystrov S.V., Grigoriev V.V.
1 candidate of technical sciences, Associate Professor; 2 candidate of technical sciences, Associate Professor; 3 doctor of technical sciences, Professor, St. Petersburg national research University of information technologies, mechanics and optics;
SENSOR SELECTION FOR HIGH-PRECISION MICROMETER MOVEMENT DEVICE
Abstract
In several areas of science and technology is widely used for precision micrometric movement moving various objects. For automation of scientific researches such shifts do, using as a motorized actuators electric machines of different types. Increasing requirements to the resolution and accuracy of positioning in the mikrometriceskom range significantly complicates the task. Other principles needed to create mikroperemesenij and device for measuring them. This work is devoted to the analysis of the various actions on the principle of measuring and assessing their applicability in precise devices.
Keywords: optical and optoelectronic sensors, spectral encoding, mikro- displacements.
В современном исполнении устройство точного позиционирования представляет собой замкнутый по положению электромеханический привод, в состав которого входят:
- пьезоэлектрический преобразователь электрического напряжения в линейное перемещение;
- прецизионный датчик линейных перемещений;
- микропроцессорный модуль управления.
Рабочие диапазоны микроперемещений должны составлять:
- минимальный — 0 — 1 мкм с разрешением 1-10 нм ;
- максимальный — 0 — 100 мкм с разрешением 10-100 нм.
Желательно обеспечить габаритные размеры электромеханического привода соизмеримыми с размерами используемой пьезокерамики. Предъявляемые требования к электромеханическому приводу определяют конструктивные особенности проектируемого устройства. Так проектируемое устройство должно обеспечивать не менее 1000 различных положений исполнительного органа в диапазоне перемещений 0-1 мкм и не менее 10 000 различных положений исполнительного устройства в диапазоне 0 - 100 мкм. Реализация устройства в виде аналоговой системы управления не позволит создать компактное изделие с разрешением более 1000 позиций по перемещению из-за высокой чувствительности элементов к условиям работы (температура, величины питающих напряжений, внешние электромагнитные помехи и т.д.). Это означает, что проектируемое устройство должно изначально разрабатываться, как цифровая система управления, замкнутая обратной связью по положению исполнительного органа.
Типовая цифровая система управления для замкнутого электромеханического привода должна содержать по крайней мере пять элементов: пьезоактюатор (исполнительный элемент), усилитель напряжения управления пьезоактюатора, управляющий микроконтроллер, датчик положения исполнительного органа и приемо-передатчик цифровой линии связи. На рис. 1 показана функциональная схема устройства точного позиционирования.
Рис. 1 - Функциональная схема устройства точного позиционирования: 1- пьезоактюатор, 2 - датчик положения исполнительного органа, 3- усилитель напряжения питания пьезоактюатора, 4 микроконтроллер, 5 - приемо-передатчик цифровой
линии связи
Микроконтроллер 4 по цифровой линии связи получает в цифровом виде задание на перемещение исполнительного органа. В соответствии с законом управления формируется управляющий сигнал для пьезоактюатора. Этот управляющий сигнал усиливается по напряжению и мощности усилителем 3 и поступает на пьезоактюатор 1. Датчик 2 преобразует перемещение исполнительного органа в электрический сигнал, который подается на вход микроконтроллера и является сигналом обратной связи для замыкания системы управления. Этот сигнал в цифровом виде может быть передан для контроля в цифровую линию связи.
Для устройств с диапазоном перемещения от 0 до 1 мкм необходимо обеспечить не менее 1000 позиций исполнительного элемента. Это означает, что микроконтроллер должен формировать цифровой управляющий сигнал с не менее, чем 10 двоичными разрядами на диапазон перемещения. Указанное разрешение должно сохраняться при усилении сигнала усилителем 3. Датчик
67
положения исполнительного штока должен иметь разрешающую способность выше требуемой по перемещению по крайней мере в 3 раза [1]. Следовательно, по входу микроконтроллер должен иметь не менее 12 двоичных разрядов на диапазон перемещения.
Для устройства с диапазоном перемещения от 0 до 100 мкм необходимо обеспечить не менее 10 000 позиций исполнительного элемента. Это означает, что микроконтроллер должен формировать цифровой управляющий сигнал с не менее, чем 14 двоичными разрядами на диапазон перемещения. Указанное разрешение должно сохраняться при усилении сигнала усилителем 3. Датчик положения исполнительного штока должен иметь разрешающую способность выше требуемой по перемещению по крайней мере в 3 раза. Следовательно, для хорошей работы устройства, микроконтроллер по входу обратной связи должен иметь не менее 15 двоичных разрядов на диапазон перемещения.
Наиболее жесткие требования в рассматриваемом устройстве предъявляются к датчику положения исполнительного органа. Датчик положения должен преобразовывать аналоговую величину перемещения в сигнал напряжения либо цифровой с эквивалентным разрешением не менее 12 двоичных разрядов для устройства типа 1 и не менее 15 двоичных разрядов для устройства типа 2.
Столь высоким требованиям могут удовлетворять только оптико-электронные датчики, которые являются на сегодняшний день самыми быстродействующими и точными измерителями перемещений различных объектов [1]. Стоит отметить две тенденции: во-первых, бурное развитие смежных технологий, таких как передача информации по волоконно-оптическим линиям связи, приема и обработки изображений с помощью цифровой фото- и видеоаппаратуры, микропроцессорной техники - что способствует развитию оптической измерительной техники и удешевлению технологии ее изготовления. Во-вторых, промышленность и регулирующие органы предъявляют все более жесткие требования к условиям эксплуатации, а именно, требования на помехозащищенность, безопасность измерений, точность и пр. Именно этим критериям удовлетворяют оптикоэлектронные датчики. Как видно, эти две тенденции могут привести к ситуации, когда оптические измерительные системы составят конкуренцию традиционным электромеханическим.
Оптико-электронные датчики, исходя из принципа представления измеряемой информации, можно условно разделить на следующие большие группы:
• фазовые - датчики, в которых используется источник когерентного излучения и производится измерение фазы световой волны, изменяющейся под влиянием измеряемого перемещения параметра;
• со спектральным кодированием - датчики, где, в отличие от чисто фазовых, используется источник излучения с широким спектром и возможностью анализа всего спектра;
• амплитудные - датчики, в которых измеряемое перемещение модулирует интенсивность проходящей или отраженной световой волны;
• туннельные - датчики, где используется эффект туннелирования излучения через малый зазор, изменяющийся при перемещении объекта;
• поляризационные - датчики, использующие информацию о
поляризации световой волны.
Стоит отметить, что это не единственный способ классификации оптико-электронных датчиков. Можно провести классификацию по принципу действия:
• интерференционные (Майкельсона, Фаб-ри-Перо, Маха-Цандера и т.д.)
• распределенные (обратное и прямое рассеяние излучения)
• люминесцентные
• на внутриволоконных решетках
• комбинированные.
Приведенные классификации дают представление о большом разнообразии возможных принципов построения оптикоэлектронных измерительных схем.
Таблица 1. Основные характеристики оптико-электронных датчиков
Название технологии Принципы действия Преимущест ва Недостатки Перспективы коммерциализации
Фазовая (с когерентным источником излучения) На основе интерферомет-ров Фабри-Пе-ро, Маха-Цан-дера, Майкельсона, на решетке Брэгга Чрезвычайно высокое разрешение по перемещению Чувствительность к флуктуациям входного, необходимость использования фазокомпенсирующих элементов, сложность в изготовлении, большие габариты Недостатки, основным из которых является чувствительность к флуктуациям входного излучения, не позволяют наладить массовое производство за исключением лазерных гироскопов
Амплитудная Прямое и обратное рассеяние излучения Просты в изготовлении, дешевы Чувствительность к флуктуациям входного излучения, возможность только относи-тельных измерений, низкая точность Недостатки, основным из которых является чувствительность к флуктуациям и малая точность измерений, не позволяют создать конкурентное изделие
Туннельная Туннелирование света через малый зазор Чрезвычайно высокая чувствитель-ность к перемещению Малый диапазон измерений, необходимость точной юстировки, чувствительность к флуктуациям входного излучения Недостатки не позволяют полноценно коммерциализовать данный вид датчиков
68
Поляризаци- онная Изменение состояния поляризации Высокая точность Необходимость использования дорогого волокна с сохранением поляризации Высокая себестоимость и сложность изготовления не позволяют широко коммерциализовать технологию
Спектраль- ное кодирование (с широко-полосным источником излучения) на основе внутриволоконной решет-ки Брэгга Возможность мультиплексирования большого числа каналов, возможность проведения абсолютных измерений Средняя точность, сложная система обработки сигналов, большие габариты Технология отлажена, осуществляется производство небольших партий датчиков
на основе интерферометра Фабри-Перо Высокая точность, обеспечение абсолютных измерений, нечувствительность к флуктуациям входного излучения, нет необходимости в многократной юстировке Сложная схема обработки оптического сигнала, большие габариты Возможен промышленный выпуск
на основе ин-терферомет-ров Маха-Цан-дера, Майкель-сона При использовании технологии интегральной оптики сами чувствительные элементы технологичны, просты в производстве и достаточно дешевы Средняя точность, сложная система обработки сигналов, трудности со стыковкой с оп-товолокном при использовании интегральной оптики Коммерциализа ция затруднена вследствие различных технологических проблем
Из таблицы 1 видно, что самыми точными датчиками перемещения являются фазовые оптико-электронные приборы. Эти устройства могут обеспечить требуемую точность измерения (на уровне 1 нм) и диапазон измеряемых перемещений. Однако, большие габариты подобных устройств по сравнению с пьезоактюаторами делает их непригодными для встраивания в конструкцию пьезопривода. Данный класс датчиков может быть использован как внешнее образцовое устройство для целей градуировки встроенных датчиков перемещения.
Исходя из габаритных размеров, в классе оптических датчиков следует выделить туннельные и поляризационные датчики. Датчики этого класса позволяют достичь приемлемой точности измерения перемещения (на уровне 10 нм.), однако они как правило используют промежуточную амплитудную модуляцию оптического потока. Известно, что при амплитудной модуляции оптического потока фотоприемник позволяет разрешить примерно 250 различных уровней сигнала. В результате для обеспечения требуемой кратности измеряемых перемещений для реализации устройств 1 типа (не менее 1000 различных положений, см. выше) в датчике необходимо использовать не менее 4 фотоприёмных каналов, а для реализации устройств 2 типа ( не менее 10 000 различных положений) необходимо использовать не мене 40 фотоприёмных каналов. Указанное обстоятельство существенно усложняет оптическую схему и обработку сигналов датчиков, приводит к увеличению габаритных размеров.
В результате оказывается целесообразным применение многоканальных оптических датчиков с спектральным кодированием. Так, известен класс датчиков, называемых оптическим энкодером, [2]. Фирма MicrnE Systems разработала малогабаритный оптический датчик, работающий по растровой решетке. Используя интерполяцию сигналов такой датчик способен обеспечить разрешение до 1,2 нм при перемещениях объекта в несколько десятков мм и высоких скоростях. На рисунке 3 показан внешний вид датчика перемещения Mercury II 6000. Габаритные размеры датчика составляют 23х12х12 мм., что соизмеримо с габаритными размерами пьезоактюаторов. В таблице 2 приведены технические данные датчика, а именно, степень интерполяции сигнала и соответствующее разрешение по перемещению и максимально возможная скорость. Из таблицы 2 следует, что данный энкодер может
Рис. 2. - Оптический энкодер Mercury II 6000 фирмы MicroE Systems
69
Таблица 2. Технические характеристики энкодера Mercury II 6000
Интерполяция Разрешение Максимальная скорость
x 4 5.000цш/имп. 10000mm/c
x 10 2.000pm/ имп. 10000mm/c
x 20 1.000pm/ имп. 10000mm/c
x 40 0.500pm/ имп. 10000mm/c
x 80 0.250pm/ имп. 10000mm/c
x 100 0.200pm/ имп. 10000mm/c
x 200 0.100pm/ имп. 5000mm/c
x 400 0.050pm/ имп. 2500mm/c
x 1000 20.0nm/ имп. 1000mm/c
x 2000 10.0nm/ имп. 500mm/c
x 4000 5.00nm/ имп. 250mm/c
x 8000 2.50nm/ имп. 125mm/c
x16384 1.22nm/ имп. 61mm/c
обеспечить измерение перемещения в диапазоне 100 мкм с разрешением 1,2 нм на скоростях до 61 000 мкм/с или на частотах до 610 полных циклов перемещения рабочего органа за секунду. Указанные габаритные и точностные характеристики датчика обеспечивают возможность его использования в малогабаритных микрометрических подвижках.
Литература
1. Соколов А.Н., Ярцев В.А. Волоконно-оптические датчики и системы: принципы построения, возможности, перспективы -Измерительная техника, №4 2006 г., стр. 41 - 45.
2. www.microesys.com - сайт производителя ( ф. Микросистемы)
Гопта Е.А.
Аспирант, Волгоградский государственный технический университет ПРИМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ОБЪЕКТА ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В КАЧЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ СОВМЕСТИМОСТИ ПРИ СИНТЕЗЕ СТРУКТУР ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ
Аннотация
Актуальной задачей является совершенствование методов автоматизации синтеза физического принципа действия технических систем. В связи с этим, предлагается модифицировать уже существующие условия совместимости физических эффектов за счет применения свойств объекта физического эффекта, что позволяет повысить качество получаемых технических решений.
Ключевые слова: физический эффект, физический принцип действия, условия совместимости.
Gopta E.A
Postgraduate student, Volgograd State Technical University
APPLICATION OF PROPERTIES OBJECT OF THE PHYSICAL EFFECT’S AS QUALITATIVE COMPATIBILITY CONDITIONS IN THE SYNTHESIS OF THE PHYSICAL PRINCIPLE STRUCTURES
Abstract
The urgent task is to improve procedure of automation of synthesis of the physical principle of the technical systems operation. In this regard, it is proposed to modify the pre-existing conditions of compatibility of physical effects by taking application ofproperties object of the physical effect’s, which will improve the quality of the solutions.
Keywords: physical effect, the physical principle of operation, compatibility conditions.
Базой любого вида технической деятельности становятся научно-технические достижения - результаты фундаментальных и прикладных исследований, изобретательской деятельности, опытно-конструкторских работ. Однако проблемы, связанные с поиском необходимой информации, получением и анализом структур технических решений, привели к созданию различных автоматизированных систем синтеза технических систем. Разработанная нами система осуществляет синтез физических принципов действия изделий и технологий в виде цепочки последовательно совместимых физических эффектов.
Основным элементом ФПД является физический эффект (ФЭ), имеющий четырехкомпонентную структуру: Fi = (Ai,Bi1,Bi2,Ci), где Ai - входное воздействие ФЭ; Bi1 - начальное состояние объекта ФЭ; Bi2 - конечное состояние объекта ФЭ; Ci - выходное воздействие ФЭ.
Под физическим принципом действия понимается структура совместимых и объединенных ФЭ, обеспечивающих преобразование заданного входного воздействия в заданное выходное, при этом два последовательно расположенных ФЭ Fi = (Ai, Bi1,Bi2, Ci) и Fi+1 = (Ai+1, Bi+11,Bi+12, Ci+1) считаются совместимыми ФЭ, если выходное воздействие Ci Fi ФЭ, эквивалентно входному воздействию Ai+1 Fi+1 ФЭ.
К существующим условиям совместимости ФЭ относятся:
- наименование выхода Ci, совпадает с наименованием входа Ai+1;
- качественные характеристики выхода Ci совпадают с качественными характеристиками входа Ai+1. [1]
Для более корректной работы алгоритма автоматизированного синтеза ФПД ТС и исключения физически противоречивых цепочек совместимых ФЭ, помимо уже существующих условий совместимости, нами были разработаны новые.
В зависимости от разновидности выходного воздействия Fi ФЭ и входного воздействия Fi+1 ФЭ, нами были уточнены условия совместимости ФЭ.
1) Пусть Fi ФЭ имеет параметрическое выходное воздействие и Fi+1 ФЭ имеет параметрическое входное воздействие.
На первом этапе анализа совместимости Fi и Fi+1 ФЭ необходимо определить совместимость ФЭ по воздействию. Структура входной карты каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: раздел физики; физическая величина. Если значение величин выходных карт Fi и Fi+1 ФЭ равны, то делаем вывод, что ФЭ совместимы по воздействию.
На втором этапе проверяем совместимость ФЭ по фазе объекта. Структура объекта каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: вид структуры; количество фаз; структура объекта; вид контакта [2]. Если значение величин конечного состояния объекта Fi ФЭ равны значению величин начальному состоянию объекта Fi+1 ФЭ, то делаем вывод, что ФЭ совместимы по структуре объекта.
На третьем этапе проверяем совместимость ФЭ по фазе объекта. Фазы объекта каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: фазовое состояние; химический состав; магнитная структура; электропроводность; механическое состояние; оптическое состояние; специальные характеристики [2]. Если каждая фаза объекта Fi ФЭ имеет тождественную фазу объекта Fi+1
70
