Линейный датчик положения на ленте (магнитодинамический).

Линейные (и угловые) датчики можно разделить на две группы - датчики положения (абсолютные) и перемещения. Примерная аналогия - линейка с делениями, но без цифр (датчик перемещения), и с цифрами (датчик положения). Датчики перемещения требуют дополнительно какого-то репера, дающего начальную точку, точку отсчёта, от которой можно не просто отсчитывать пройденное расстояние (перемещение), но и определять текущее положение измерительного узла. С такими системами, думаю, все хорошо знакомы, многие пользуются электронными штангенциркулями, построенными на емкостных растровых линейках. Многие знают об оптических линейках, кое-кто ставит на свои станки или хотят поставить. Такие системы относительно доступны для любителя по цене, но всё-же не дёшевы уж совсем. Хочется побюджетнее.

На форуме обсуждались идеи самостоятельного изготовления электронных линеек, но ничего путного из сего не воспоследовало, и большинство считает эту затею в любительских условиях безнадежной. С сим соглашусь, в задаче изготовления растровых линеек просвета не видать.

Но кроме растровых, емкостных или оптических, есть ещё один тип устройств, которые ещё не рассматривали - времяпролётные на основе звука. В мире полно изготовителей датчиков положения (линейных) на основе эффекта Видемана. Имеют прекрасные параметры по точности, стабильности, разрешению, много других достоинств, кроме одного. Цены. Поэтому любители с их скромными бюджетами о них даже не вспоминают.

Но самодельщику такую штуку сделать тоже молореально - датчик основан на магнитострикционном эффекте (эффект Видемана) и требует применения малодоступных материалов с высокой магнитострикцией. А во всём прочем - обычный времяпролётный прибор, на доступной современной элементной базе и в любительских условиях электронную начинку сделать реально с достижением вполне приличной точности и разрешения. Но вот материалы...

Те, кто заинтересуется подробностями, найдут в интернете, здесь основу работы датчика опишу кратко. Датчик состоит из стержневого электропроводного звукопровода (1), перемещаемой вдоль него магнитной системы (2), и приёмника звука на конце (3), и генератора импульсов тока в звукопроводе. При подаче импульса в звукопроводе в зоне действия поля магнитной системы возникает крутильное колебание, и начинает распространяться по стержню. Время прохождения до приёмника и будет полезным сигналом о расстоянии от магнитной системы до звукоприёмника.

Крутильное (как и сдвиговое) колебание обладает стабильной и меньшей скоростью, чем продольное, крутильное внешними силами не возбуждается, благодаря чему датчик помехоустойчив и не боится загрязнения. Преобразование времени в цифру одна из самых точных и высокоразрешающих способностей современной электроники.

Очень заманчивая штука, но магнитострикция... А можно без неё, на одной электродинамике? Если рассмотреть внимательно, то видно, что в процессе переноса звука участвует образующая стержня, тонкий поверхностный слой, и его можно представить как ленту, свёрнутую в трубку. Возьмём ленту (1), перпендикулярно к поверхности на коротком участке приложим магнитное поле (2), пропустим вдоль неё импульс тока, в зоне действия магнитного поля возникнет сдвиговая волна, которая начнёт распространяться в обе стороны к концам ленты. Поставим у концов ленты звукоприёмники, например, пьезодатчики (3). Время прохождения колебаний до датчика, взятого за точку отсчёта, покажет расстояние до него, время до второго - расстояние до него, а суммарное - расстояние между датчиками, которое нам известно, является базой и может использоваться для корректировки системы измерения. Лента не обязана быть из какого-то спецматериала, отлично подойдёт алюминиевая, лучше из жёсткого сплава, меньше затухание. Алюминий хорош относительно небольшой скоростью звука, особенно сдвиговых волн, около 3000 м/с, что снижает требования к разрешению по времени.

Прикинем достижимое разрешение по длине: при скорости волны, характерной для алюминия (около 3000 м/с) при разрешении по времени 55 ps (TDC7200, преобразователь время-цифра) разрешение будет (предельное) около 0,165 микрона, что  в шесть раз превосходит предел практических мечтаний - 1 микрон.

Что скажет досточтимое сообщество?

Предполагаемый вид макета для проверки идеи такой: основание из П-образного профиля с натянутой дюралевой лентой шириной примерно 10 мм, толщина 0,15 - 0,3 мм, длина (для пробы) миллиметров 300, в раме закреплены пьезодатчики, контактирующие с боками ленты, и транс возбуждения токового импульса для создания однопериодной синусоидальной волны. Импульс тока создаст в зоне действия поля подвижной магнитной системы сдвиговую волну в плоскости ленты, она пойдёт к концам и возбудит в пьезодатчиках соответствующие сигналы, они остановят таймеры, запущенные синхронно с подачей токового импульса. Первую пробу буду делать на Меге Атмеловской, её быстродействия со скрипом хватит на разрешение 0,2 мм, если (тьфу-тьфу) результаты будут обнадёживать, то нужен будет таймер высокого разрешения, такие есть в контроллерах STMicroelectronics, или TDC7200 (Time-to-Digital Converter) от Texas Instruments. Вроде и то, и другое в продаже через интернет есть.

Полезный сигнал уже удалось выделить?

1 минуту назад, Flid сказал:

Полезный сигнал уже удалось выделить?

Только приступаю, пока одни картинки, расчёты и некоторые заготовки. А сигнал.. А куда он денется!

3000 метров в секунду * 100 сантиметров в метре * 10 миллиметров в сантиметре * 100 соток в миллиметре = 300000000 Гц частота счёта, что бы волна в ленте успела пробежать только на 1 сотку.

Работать с сигналами на 300МГц такое себе удовольствие. Если 1 микрометр то 3ГГц совсем такое себе удовольствие.

TDC7200

Minimum Time between Start and Stop Signal ... 12 наносекунд или 83333333.33333333 Гц или 83МГц что как-то сильно меньше 300МГц.

Даже если смотреть на параметр "Time from TRIG to START" то 5 наносекунд, а это 200000000 Гц а 200МГц это уже меньше 300МГц или даже до сотки точность не дотянет.

7 часов назад, Tardis сказал:

Даже если смотреть на параметр "Time from TRIG to START" то 5 наносекунд, а это 200000000 Гц а 200МГц это уже меньше 300МГц или даже до сотки точность не дотянет.

А повнимательнее посмотреть? Первой строкой в перечне параметров: Resolution: 55 ps.

Помнится, на каких-то старинных плоттерах в качестве энкодера работала связка из стальной струны и магнитной головки. Струна была намагничена через равные промежутки. Разрешение у плоттера было 1440dpi.

Только что, A.T.Tappman сказал:

Струна была намагничена через равные промежутки. Разрешение у плоттера было 1440dpi.

В данном случае ничего намагничивать не надо. Прелесть в том, что никаких растров и прочих трудновоспроизводимых периодических структур не нужно, лента-звукопровод - это просто лента. Формируй старт-сигнал и лови волну для стопа. Дальше дело за преобразователем время-цифра ( Time-to-Digital Converter).

Схематичное изображение процессов в устройстве:

Импульс тока по длине ленты, взаимодействуя с полем магнитной системы, вызывает появление сдвиговой волны в поперечном направлении в ленте, и волна смещения (звук) начинает двигаться к концам ленты, доходит до приёмников и даёт стоп-сигнал счётчиков преобразователя время-цифра. Расстояние между парами датчиков известно и может использоваться для калибровки датчика и коррекции в процессе работы для минимизации влияния внешних дестабилизирующих факторов (температура и т.д.).

в дальномерах лазерных вроде как все равно сдвиг по фазе используют, т.к. замерить время пока с низкой погрешностью не получается

скорость звука конечно на порядки меньше, но модет тоже в сторону измерерния сдига посмотреть

5 минут назад, alexhott сказал:

в дальномерах лазерных вроде как все равно сдвиг по фазе используют, т.к. замерить время пока с низкой погрешностью не получается

Там другой принцип построения измерительной схемы. Излучение модулируется несколькими достаточно высокими частотами, потом измеряется сдвиг фазы принятого отраженного сигнала относительно текущей фазы модулирующего сигнала и вычисляется расстояние до объекта, дающее время пролёта, вызывающее такой сдвиг фаз. Всё довольно громоздко, но со светом по другому не получится, больно малы времена пролёта. Со звуком проще, можно прямо измерить время с нужной дискретностью, элементная база вполне доступна.

Так-то концептуальных проблем не вижу (на физическом уровне), вижу их различной сложности в реализации. 

Есть подозрения, что для метрологически стабильных результатов нужно будет иметь :

а)хороший запас сигнал\шум, т.к. у вас всё таки резонансый контур, ещё и с несколькими видами возбуждения

б)стабильность принимающего тракта : конвертер время-деньги цифра  -- как у них в реальности со стабильностью? От температуры, от питания, от ЭМИ?

Для работы на более-менее приличных скоростях и точностях у него получается очень некислая полоса пропускания, а ещё хорошо бы измерения усреднять из 3-5-7 хотя бы, что в пункте А себя комфортно чувствовать.

в)К скорости измерений. Какую хотим получить, количество отсчётов в секунду при какой скорости движения головки? Учитывая непрерывную генерацию возбуждения для получения нужной скорости отсчётов - не на какую гармонику не сядем нигде? Датчик будет подпирать ленту, или не касаться её?

Если подпирать, то с одной стороны хорошо, энергия бОльше рассеится в месте контакта, с другой стороны плохо, получим натурально однострунную балалайку со всем набором нот и гармоник. Если не подпирать, то с одной стороны, система получится более стационарная (какие гармоники есть, такие и есть, новых не дадут), с другой - будут ещё отражённые волны, и сильные.. 

В общем, пробовать можно, но предполагаю маленькую тележку интересных эффектов. 

Может это, в сторону современных методов ФАПЧ для диодных лазеров посмотреть, и попробовать на этом деле интерферометр запустить?

14 минут назад, Zoraccer сказал:

Так-то концептуальных проблем не вижу (на физическом уровне), вижу их различной сложности в реализации. 

Так-то и я не вижу. Но может что проглядел...

Сложности в реализации предполагаю, но преодалимые.

16 минут назад, Zoraccer сказал:

Есть подозрения, что для метрологически стабильных результатов нужно будет иметь :

Это понятно, но где сложностей нет?

17 минут назад, Zoraccer сказал:

а)хороший запас сигнал\шум, т.к. у вас всё таки резонансый контур, ещё и с несколькими видами возбуждения

Где там резонансный контур (в рабочем диапазоне)? Да ещё и с несколькими видами возбуждения? Только одно, прохождение тока в зоне действия магнитного поля.

20 минут назад, Zoraccer сказал:

б)стабильность принимающего тракта : конвертер время-деньги цифра  -- как у них в реальности со стабильностью? От температуры, от питания, от ЭМИ?

Очень неплохо, смотри даташит на  TDC7200: Standard Deviation: 35 ps, это около 0,1 микрона в пересчете на деньги путь.

24 минуты назад, Zoraccer сказал:

Для работы на более-менее приличных скоростях и точностях у него получается очень некислая полоса пропускания, а ещё хорошо бы измерения усреднять из 3-5-7 хотя бы, что в пункте А себя комфортно чувствовать.

Выбрать подходящую элементную базу. Усреднения - это к программе обработки. Там и усреднение может понадобится, и отбрасывание результата с отклонением более возможного от замера к замеру, и стробирование по "окну" возможного появления сигнала и т.д. И автокоррекция по суммарному времени прохождения до обоих датчиков (пар) на двух концах.

31 минуту назад, Zoraccer сказал:

в)К скорости измерений. Какую хотим получить, количество отсчётов в секунду при какой скорости движения головки? Учитывая непрерывную генерацию возбуждения для получения нужной скорости отсчётов - не на какую гармонику не сядем нигде? Датчик будет подпирать ленту, или не касаться её?

Время прохождения волны - 3 метра за 1 миллисекунду, послали импульс - приняли сигнал, никакой "непрерывной генерации возбуждения", то есть для линейки скажем 1 метр запросто частота измерений 1000 в секунду. И ни каких гармоник и прочих баянов с аккордеонами.

Приёмные датчики касаются ленты в строго фиксированных точках у концов, магнитная системе только полем без материального контакта. 

41 минуту назад, Zoraccer сказал:

(какие гармоники есть, такие и есть, новых не дадут), с другой - будут ещё отражённые волны, и сильные.

Никаких гармоник, всё апериодическое. На концах поглотители, решается конструктивно, и можно дождаться (защитный интервал) достаточного затухания. Мало где нужна частота измерений больше 100-200 в секунду.

42 минуты назад, Zoraccer сказал:

Может это, в сторону современных методов ФАПЧ для диодных лазеров посмотреть, и попробовать на этом деле интерферометр запустить?

Интерферометр чего с чем? ФАПЧ - это от невозможности прямого измерения времени прохождения (технические ограничения), это линейка с рисками, но без цифр. Это и про интерферометрию, измерения внутри периода - это ФАПЧ, подсчёт числа периодов - это отдельно. Как-то так...

15 часов назад, Исаев Михаил сказал:

преобразователь время-цифра) разрешение будет (предельное) около 0,165 микрона, что  в шесть раз превосходит предел практических мечтаний - 1 микрон.

Заманчиво звучит. Что у нас будет с максимальной скоростью движения, полагаю что без измерителя скорости ленты десятые микрона под вопросом

Эхо не будет мешать?

20 минут назад, Besprizornik сказал:

Заманчиво звучит. Что у нас будет с максимальной скоростью движения, полагаю что без измерителя скорости ленты десятые микрона под вопросом

Эхо не будет мешать?

Зачем дополнительный измеритель скорости? И какой? В предыдущем ответе Павлу я всё написал, в динамике никакие микроны, тем более десятые, реального смысла не имеют. 0,165 микрона - это предельное разрешение с конкретной микросхемой, реально использующиеся величины - 1-5 микрон, для человека они уловимы при очень медленном движении, "дотяжке", так сказать. Для автоматики - от неё зависит, как она сможет ими распорядится. На реальных размерностях станков частота измерений без "перекрытия" посылок, то есть послали импульс - дождались затухания всех "хвостов" - это тысячи в секунду. У вас какие скорости движения кареток, сотни метров в секунду? Для особо динамичных случаев можно формировать следующий зондирующий, не дожидаясь отклика от предыдущего, а различать обработкой через учёт предыдущего и вычисленной скорости на предыдущих измерениях. Но я в такие дебри сейчас лезть не собираюсь.

Наверняка преодолимые, поэтому и не отговариваю, просто обращаю внимание на моменты, по моему предположению, потребующие внимания.  Апдейт после вашего уточнения  : мне кажется, вы неверно оцениваете потребность современных сервоприводов в информации канала ОС, либо планируете этой линейке совсем другие, отличные от современной металлообработки применения. Если именно другие применения, то почти всё, что ниже -  не актуально. 

1 час назад, Исаев Михаил сказал:

Где там резонансный контур (в рабочем диапазоне)? Да ещё и с несколькими видами возбуждения?

1)Рабочее, созданное импульсом тока от "ударника". При этом практически непрерывное. Почему? Делаю ряд предположений, если это не совпадёт с Вашими задачами для данного датчика и я где-то ошибся, Вы меня пожалуйста поправьте (без сарказма говорю).

Предположу, что данный тип датчика хотелось бы использовать не только в неторопливой метрологии (иначе взяли бы HeNe лазер и собрали интерферометр Фабри-Перо, дёшево получая пусть инкрементальный, но очень точный датчик). Если хотим эту линейку использовать и для быстрых+точных перемещений, вроде металлообработки, то давайте прикинем, сколько нам нужно в секунду получить информации. 

За точку отсчёта беру не самый новый, но и не самый старый сервопак и мотор Yaskawa Sigma V. Они снабжены 20-битным энкодером при рабочей скорости в 3000об\мин. Предположу небезосновательно, что для правильного следования контуру на высоких скоростях подачи движок использует как минимум половину доступного ему потока обратной связи, чтобы адекватно посчитать скорость\ускорение и успеть несколько раз внести итеративно коррекцию тока через обмотки. Это подтверждается экспериментально, при прочих токовых равных, разница в поведении мотора с 13 и 20 бит энкодерами колоссальна. 

50 оборотов в секунду на 20 бит это 50Мгц тиков с энкодера. Уполовиним, 25МГц. В "мало где нужно больше 200Гц" - в моём понимании не очень вяжется. Возможно, у Вас другие планы по применению, в таком случае всё выше мимо. Если применения всё таки в обработке и моушен-контроле, то или надо уходить в среды с большей скоростью распространения волн, либо сокращать длину линейки, либо работать уже в режиме непрерывной подачи возбуждения, что, предположу, приведёт как раз ко всем гармоническим проблемам, если не на первых порядках, то на высоких они уж точно будут. 

Т.е. разрывный режим работы тут не прокатит, имхо. 

2)Возбуждение внешними возмущениями:

а)Упругие колебаниями окружающей среды и всего звенящего вокруг

б)Температурные, конвективные

в)ЭМ. На частотах из моего примера они будут сопоставимы с рабочими, на частотах из Вашего - полагаю, можно отфильтровать. 

1 час назад, Исаев Михаил сказал:

Интерферометр чего с чем? ФАПЧ - это от невозможности прямого измерения времени прохождения (технические ограничения), это линейка с рисками, но без цифр. Это и про интерферометрию, измерения внутри периода - это ФАПЧ, подсчёт числа периодов - это отдельно. Как-то так...

Оптический, лазерный, классический. Всё упирается в стабильность опорного излучения, если оно со временем плывёт по частоте\фазе, уплывают и измерения. Возможно, сейчас проще хорошенько застабилизировать лазерный диод и собрать Фабри-Перо. Правда не знаю, как там со стохастическими явлениями в самом диоде, умные люди говорят, что при тамошних плотностях энергии есть очень интересные и непредсказуемые по времени эффекты. 

Даташит-то я вижу, я про реальные данные именно, и вообще про метод их поверки и достоверности. Для точных дел самое обидное получить псевдослучайную, апериодическую ошибку - трудно поймать, не всегда понятно как бороться. Тут кидать камень в огород техасам не буду, но надо именно что пробовать. 

Как-то так.. Повторюсь, у меня нет задачи раскритиковать идею и как-то её принизить. Идея рабочая, я просто обращаю внимание на те моменты, которые продумал бы сам, если бы делал что-то подобное. Ведь сначала гипотеза, а потом уже эксперимент. 

55 минут назад, Исаев Михаил сказал:

Зачем дополнительный измеритель скорости?

Может ошибаюсь но на скорости 6 м/мин, если предположить что между пьезодатчиками 30 мм дискретность будет 30мкм. Хотя забыл что м/мин, тогда 0,5 мкм, но здесь ещё надо учесть сдвиг по времени, всё-таки свет летит гораздо быстрее звука в ленте и чем больше скорость тем больше поправка на скорость нужна.

2 минуты назад, Besprizornik сказал:

Может ошибаюсь но на скорости 6 м/мин, если предположить что между пьезодатчиками 30 мм дискретность будет 30мкм

Да, ошибаетесь. Дискретность определяется временным разрешением счётчика и не зависит от расстояния между датчиками. От расстояния между парами датчиков зависит предел измерений, пролёт, так сказать. Берём длину ленты больше, чем необходимая длина (пролёт) измерений, и датчики ставим у концов, с небольшим запасом. Положим, надо мерить 500 мм. Берём ленту 540-560 мм (зависит от конструкции), ставим пары датчиков 510-520 мм друг от друга (с запасом), и мерим на нужных 500 мм пути без разрывов и т.п. Скорость тут вообще ни при чём.

Только что, Исаев Михаил сказал:

Дискретность определяется временным разрешением счётчика и не зависит от расстояния между датчиками

Ну от скорости движения ведь зависит, чем больше скорость тем больше ошибка накопится. Скорость 6 м/ми к в скорости 3 км/с или к скорости 300000 км/сек есть небольшая разница.

7 минут назад, Besprizornik сказал:

к скорости 300000 км/сек есть небольшая разница

У Вас релятивистский станок? Люто завидую! Но Эйнштеин вроде запретил!

При чем тут "Скорость 6 м/ми к в скорости 3 км/с" ? Не понял вопроса. Или его (вопроса) нет и это утверждение? Всё равно не понял...

7 часов назад, Исаев Михаил сказал:

А повнимательнее посмотреть? Первой строкой в перечне параметров: Resolution: 55 ps.

Что за единица СИ такая "ps", я не знаю. Буду признателен, если поясните что это за единица измерения такая (расшифровка этих "ps" в данном случае).

Я исхожу из: если скорость распространения волны 1 метр в секунду, то для того, что бы измерить 1 метр этой волной (от вершины её максимума до вершины её максимума) нужна 1 секунда.

На "Functional Block Diagram", я вижу что у микрохи есть входы старт, стоп и клок, если мы на клок подадим 1 Гц на старт будем подавать импульс когда излучили волну, а на стп, когда приняли, то будем измерять метрами. Для сантиметров потребуется 100 Гц, для миллиметров 1000Гц.

То есть какие бы там пэ эс не были бы написаны, в конечном итоге нам для измерения миллиметров при скоости волны 1 метр в секунду надо уметь оперировать импульсами с частотой 1000 Гц, не важно будь то импульс старта или стопа или клока, ведь если импульс старта шире (длинее, занимает больше времени), то мы наложим старт на стоп на расстоянии 1 миллиметр. Если у нас импульс стопа будет не с настолько резкими фронтами как нужен для частоты 1000 Гц, то мы будем иметь погрешность тем больше, чем более затянуты фронты или чем больше они гуляют.

Tardis, вероятно это пикосекунды.

Zoraccer, то есть эта микросхемка тактируется частотой 18ГГц (ведь что бы измерить 55 пикосекунд надо частоту такую)? Удивительное рядом.

Tardis, на клок-то там может и меньшая частота приходит (каюсь, дш не смотрел целиком), внутри может быть множитель, главное, чтобы опорная частота была ровной/стабильной. Но вот чисто из физики процесса я с вами согласен, внутри этого чипа или впечатляющее ВЧ, или что-то не вяжется.

Zoraccer, вот именно что что-то не вяжется, по этому я не только по заголовку даташита пытаюсь судить. Если бы мы ловили вону синус и только синус и всегда синус, то можно было бы применить измерение уровня и поделить длину волны ещё и по уровням, но тут то прямоугольник.

Кроме того, не с проста там всё на два диапозона измерений разбито от 12 наносекунд до 500 наносекунд и от 250 наносекунд до 8 милисекунд.

То есть применительно к волне распространяющейся со скоростью 3000 метров в секунду, это от 0.036 мм до 1,5 мм и от 0,75 мм до 24000 мм.

Дтаташит пока весь не прочитал, но что-то мне подсказывает, что измерять с точностью 55 пикосекунд оно будет между 0.036 мм и 1,5 мм, а вот на втором диапозоне точность будет уже не торт. Вот и получится или линейка максимальной длиной 1,5мм но сточностью тысячные мм или до 24 метров но с точностью деревянной линейки школьника.

Но может я ошибаюсь.

Кроме того, это не отменяет необходимость верхней граничной частоты усилителя "стоп" сигнала равной 3 ГГц для измерений расстояний с точностью 1 микрометра и 300 МГц для измерений с точностью сотка. Ведь иначе просто непредсказуемо затянем передачу момента прихода волны.