LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
37Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
Nghiên cứu ứng dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo
laser 3D theo phương pháp tự điều tiêu
Research application KSS210A in instrumentation 3D laser
by autofocus method
Phạm Ngọc Linh
Email: linhpham110@gmail.com
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 20/4/2019
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/6/2019
Ngày chấp nhận đĕng: 28/6/2019
Tóm tắt
Bài báo này trình bày nghiên cứu nguy
6 trang |
Chia sẻ: huong20 | Ngày: 18/01/2022 | Lượt xem: 330 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Nghiên cứu ứng dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp tự điều tiêu, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ên lý, cấu tạo của đầu đo KSS210A, từ đó làm cơ sở ứng dụng
làm đầu đo trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp điều tiêu. Nghiên cứu thực nghiệm đặc tuyến
làm việc của đầu đo để đưa ra khoảng làm việc tối ưu của đầu đo trong thiết bị đo 2÷2,15 mm.
Từ khóa: Tia laser; phương pháp điều tiêu; KSS210A.
Abstract
This paper presents the study of the principle and structure of the KSS210A transducer, which is the
basis for applying the measuring head in 3D laser measuring device according to the autofocus method.
Experimental study of working characteristics of the probe to provide the optimal working range of the
probe in the measuring device 2÷2.15 mm.
Keywords: Laser; autofocus method; KSS210A.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong đo lường điều khiển hiện đại, việc thu thập
và xử lý thông tin qua cảm biến quang điện tử để
nhận biết đối tượng và điều khiển đối tượng đang
được quan tâm và ứng dụng rộng rãi, bởi phương
pháp này giúp ta có thể thu nhận được nhiều
thông tin từ đối tượng mà không cần tác động trực
tiếp đến đối tượng [4]. Việc kết hợp laser trong
các thiết bị kiểm tra đo đạc cho phép đạt độ chính
xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh có thể đạt hàng
ngàn lần trên giây. Bài báo này trình bày kết quả
nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm viêc của đầu
đo KSS210A, thông số khả nĕng làm việc để có
thể ứng dụng vào thiết bị đo laser 3D theo phương
pháp điều tiêu.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cụm đầu đo KSS210A (hình 1) gồm nguồn laser
và một bán lĕng kính, một thấu kính trụ và một
photodetector. Một lưới nhiễu xạ, hai cuộn hội tụ
và cuộn hiệu chỉnh. Dùng tia laser qua lưới nhiễu
xạ được dán trực tiếp ngay tại đầu của diode laser
để chùm tia laser phân thành ba tia với một tia
chính để đọc tín hiệu và nhận dạng hội tụ, hai tia
phụ để xác định vị trí tạo tín hiệu hiệu chỉnh. Ba tia
phản hồi đến bán lĕng kính đổi phương 90 độ qua
hệ thống thấu kính và hội tụ trên dãy photo diode.
Sau khi đi qua bán lĕng kính, tia chính rọi vào 4
photo diode nằm ở giữa, đường thứ hai đến mạch
Auto Focus tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo
chiều đứng, sao cho chùm tia được hội tụ trên bề
mặt chi tiết.
Người phản biện: 1. PGS.TS. Nguyễn Vĕn Vinh
2. GS.TS. Trần Vĕn Địch
38
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
Nguyên lý làm việc của đầu đo:
- LD: laser diode dùng để phát ra tia laser cung
cấp cho cụm quang học và diode MD.
- MD: monitor diode hay còn gọi là diode giám sát,
nhận ánh sáng từ diode laser tới cấp cho mạch
APC (tự động điều chỉnh công suất tia sáng).
- Bộ tách quang (ma trận diode): nhận diện sự sai
lệch focus và các tín hiệu lấy ra là tổng các cảm
biến A, B, C, D lên vị trí mà các tia chính rơi [2].
Đường đi của tia sáng trong đầu đo:
Hình 1. Cấu tạo đầu đo KSS210A
Hình 2. Đường đi của tia sáng trong đầu đo
MD
Đĩa
Hệ thống thấu kính
Thấu kính hình trụ
Bán lĕng kính và
tách tia
Lưới nhiễu xạ
LD
Laser diode
Objective lens (vật kính)
Photo diode array
A, B, C, D, E, F
Mạch RF Amp
Focus Servo
Tracking servo
Thấu
kính
lõm
Disc
Tia phụ
Tia chính
Tia phụ
Disc
Laser
Focus
coil
Tracking coil
Tracking and
sled servo
RF Amp
Focus
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
39Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
Từ hình 2 ta có thể dễ dàng nhận biết đường đi
của tia sáng trong cụm quang học. Chùm tia laser
với bước sóng 780 nm được tạo ra từ diode laser,
được giữ ổn định cường độ sáng nhờ mạch APC.
Trong chùm tia rọi lên mặt chi tiết, tia chính rọi
đi đến mạch Autofocus tạo tín hiệu điều chỉnh vật
kính theo chiều đứng, sao cho chùm tia được hội
tụ trên mặt chi tiết.
Hai tia phụ qua bán lĕng kính rồi tới photo diode
TRA và TRC tạo ra hai tín hiệu cấp cho mạch so
sánh và tạo điện áp sai lệch Tracking TER, sau
đó TER được cấp đến mạch thúc (drive) tạo dòng
chạy trong cuộn Tracking làm dịch chuyển vật kính
theo chiều ngang.
Sau khi tia sáng qua thấu kính, một phần truyền
thẳng qua gương bán thấu còn một phần bị phản
xạ vào thấu kính trụ và được thu bởi photo detector
gồm 4 diode là A, B, C, D.
Lưới nhiễu xạ: khi một tia sáng laser được xuyên
qua lưới nhiễu xạ, một tia chính và hai tia phụ hình
thành bằng cách tận dụng hiện tượng nhiễu xạ
của tia laser.
Bán lĕng kính và lĕng kính phân chia: bán lĕng
kính được sử dụng cho phân cực thẳng, lĕng kính
phân chia được sử dụng cho phân cực vòng.
Bán lĕng kính cho phép truyền 50% ánh sáng
theo hướng truyền đi và 50% theo hướng vuông
góc. Thấu kính phân chia truyền toàn bộ 100%
ánh sáng phụ thuộc vào góc phân cực của
ánh sáng [1].
Thấu kính chuẩn trực: ánh sáng đi qua bán lĕng
kính hoặc bộ tách tia được sửa dạng thành một
chùm tia song song bởi thấu kính chuẩn trực.
Để sử dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo
laser 3D theo phương pháp điều tiêu, ta cần xác
định phạm vi đo của đầu đo.
3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Dựa theo công thức:
và '
2
1
2
y
L r
r r ltg
f
α
⋅ ⋅∆ ⋅
= − + + [3], ta chọn các thông
số thiết kế như sau:
Với L= 2 × f
1
= 2 × 0,5 = 1 mm, r = 0,5 mm,
f
1
= 0,5 mm, chọn bước dịch chuyển của chi tiết so
với thấu kính là ∆ = 0,1 mm.
Ta có công thức tính bán kính cuối cùng của
chùm tia:
Xét tại các vị trí ứng với b = 0 và b = 90o, ta có công
thức tính các bán kính Rx và Ry như sau:
Hình 3. Mối liên hệ giữa hiệu các bán kính rx và ry và khoảng dịch chuyển ∆
'
2
1 2
'
2
1
2
1 sin
2
x
L r l
r r l tg
f f
L r
r r l tg
f
α β α
α
⋅ ⋅∆ ⋅
= + − ⋅ + ⋅
⋅ ⋅∆ ⋅
= + + ⋅
'
2
4Δ 0,5 1 sin 10Δ
l
r
f
α β
= + − +
'
'
4Δ 0,5 10Δ
4Δ 0,5 10Δ
x
y
r
r
= + +
= − + +
Bài toán đưa về tìm mối quan hệ giữa sự dịch
chuyển vật kính và hiệu diện tích của 4 mảnh
photo detector nhận tín hiệu đầu ra, ta có hàm tính
diện tích của photo detector như sau:
40
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
Trường hợp có photo detector:
Hình 4. Hiệu diện tích chiếu sáng của 4 mảnh
photo diode trong cụm đầu đo
Vấn đề đặt ra là cần tính hiệu diện tích (S
1
-S
2
) để
so sánh sự sai lệch về tín hiệu thu được ở 4 diode.
3.1. Kết quả khảo sát (hình 6)
Ta có khai triển phương trình biểu diễn mối quan
hệ giữa khoảng dịch chuyển Δ với bán kính chùm
sáng thu được:
Nhìn vào hình 4 ta tìm diện tích phần bị chiếu sáng
của photo diode, theo nguyên tắc thu tín hiệu trên
photo diode của cụm pickup thì phần diện tích
phần S
1
-S
2
chính là phần diện tích cần tính tương
ứng với khoảng dịch chuyển của chi tiết so với
thấu kính.
Hình 5. Diện tích chiếu sáng thu được trên bề mặt
photo diode
Phần diện tích photo diode bị chiếu sáng tương
ứng với diện tích như hình trên, chúng ta xây
dựng bài toán lập mối quan hệ giữa hiệu diện tích
phần photo diode được chiếu sáng và lượng dịch
chuyển Δ của chi tiết.
Ta có:
ΔS = (S
1
+S
2
+S
3
) - (S4+S5)
Trong đó:
S
1
= S4
Với kích thước photo diode là hình vuông mỗi
cạnh 1 mm, coi phần được chiếu sáng là một elip
có phương trình:
Ta có:
Vậy ta có hiệu diện tích:
Tính các tích phân với:
Ta có với Δ chạy từ (-5; 5) mm với bước dịch
chuyển Δ = 0,1 mm, ta thu được đồ thị mối quan
hệ như sau:
Hình 6. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hiệu diện tích
photo diode và lượng dịch chuyển Δ
Sau khi chùm sáng qua photo detector, tín hiệu
thu được tại photo detector là tín hiệu dạng điện
'
'
4Δ 0,5 10Δ
4Δ 0,5 10Δ
x
y
r
r
= + +
= − + +
photo detector
S
1
S
2
0,5
0,5
2 2
2 2
1
x y
a b
+ =
2 2
2
2 2
2 22 2
2
3 2 2 2
0,25
1
2
4 2
0,25
0,5 1
1
1
a
ab
a b
a
b
a
ab
a b
ab
S
ba b
x ab
S b dx
a a b
x
S b dx
a
+
−
+
= − . − +
= − −
+
= −
∫
∫
2 2
2 2 2
22 2
2 2
2 22 2
0,25
1
0,25
0,5 1
1 1
a
ab
aa b
ab
a
b a b
ab
S
ba b
x ab x
b dx b dx
a aa b
+
−
+
∆ = − . − + +
− − − −
+
∫ ∫
'
'
4Δ 0,5 10Δ
4Δ 0,5 10Δ
x
y
r
r
= + +
= − + +
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
41Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
áp. Để có thể tìm được khoảng dịch chuyển của
chi tiết so với thấu kính theo điện áp ra, ta phải tìm
được mối liên hệ giữa điện áp ra ở đầu ra photo
detector và hiệu diện tích chiếu sáng trên 4 mảnh
photo diode.
Theo lý thuyết tính toán, nếu ta dùng hai photo
diode để thu điện áp ra thì như ta đã biết rằng lượng
quang thông sẽ tỷ lệ với hiệu điện thế chiếu vào hay
tỷ lệ với diện tích chiếu sáng, vậy cho ta kết luận
rằng hiệu điện thế tỷ lệ với diện tích chiếu sáng.
U = k(ΔS)
Với k là hệ số đặc trưng giữa U và ΔS, nếu ta biết
hệ số k ta có thể xác định mối quan hệ giữa U và
ΔS. Với mỗi photo diode chúng ta có thể tra được
hệ số k.
Nhìn vào hình 4, nếu gọi ΔS = S
1
- S
2
là hiệu diện
tích phần chiếu sáng trên photo diode thì ta có mối
quan hệ sau:
Với r
1
và r
2
là hai bán trục lớn và bán trục bé của
elip trên bề mặt photo diode thì ta có:
- Nếu r1 = r2 tương đương với trên bề mặt photo
diode thu được hình tròn, lúc đó S
1
= S
2
U
1
= U
2
- Nếu r
1
< r
2
ΔS = (S
1
– S
2
) U
1
– U
2
Kết luận:
Với một giá trị Δ (r
1
- r
2
) (S
1
– S
2
) (U
1
– U
2
)
Sau khi ta tìm được mối quan hệ giữa U và S theo
lý thuyết, để kiểm nghiệm ta dùng một vật mẫu để
đo và sử dụng các cĕn mẫu hoặc các loại thiết bị
vi điều chỉnh cỡ µm để dịch chỉnh chi tiết chuyển
động và điều chỉnh cho U
1
= U
2
. Sau đó bắt đầu
đo ở các vị trí và có đồ thị thực xác định mối quan
hệ U (mV) và Δ.
3.2. Mô hình thực nghiệm
Mô hình đo gồm có bộ phận mang chi tiết đo, bộ
phận mang đầu đo, mạch điều khiển động cơ.
Hình 7. Mạch điều khiển động cơ
Hình 8. Mô hình cụm mang đầu đo
Hình 9. Mô hình đo
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm
- Đầu đo quang: đầu đo KSS210A.
- Cụm dịch chuyển Z: là cụm điều khiển cơ khí
dịch chuyển cho đầu đo quang đi theo hướng trục
Z để đo tại các vị trí cần thiết.
- Bàn gá chi tiết: để gá chi tiết lên.
- Cụm dịch chuyển x: là cụm điều khiển cơ khí dịch
chuyển khối chi tiết theo phương x.
- Cụm dịch chuyển y: là cụm điều khiển cơ khí giúp
dịch chuyển chi tiết theo phương y.
- Khối điều khiển - hiển thị: thực hiện điều khiển đo
bằng các lệnh trên máy tính và cho hiển thị kết quả
đo lên màn hình.
Sử dụng đầu đo KSS 210A ta đo trên bề mặt đĩa
CD có tính phản xạ cao, cho đầu đo dịch chuyển
theo phương ngang các bước với mỗi bước là
0,1 mm, sau đó ghi số liệu thu được dưới dạng
điện áp. Cứ tiếp tục như vậy cho đến khoảng
5 mm thì dừng lại và cho động cơ điều khiển dịch
chuyển đầu đo chạy ngược lại và đo tiếp.
Lập lại các phép đo ở các vị trí bất kỳ khác ta sẽ đo
tương tự và lấy được một bộ dữ liệu dạng điện áp,
Hiển thị
Máy
tính
Cụm dịch
chuyển y
Đầu đo
quang
Cụm dịch
chuyển x
Cụm điều
khiển đo
Z
Bàn gá chi tiết
Chi tiết đo Tia laser
Y
x
42
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
sau đó lấy hiệu điện áp giữa lần đi và về của cùng
một vị trí sẽ cho ta một bộ số liệu mới.
Dùng Exell ta dựng được đồ thị mối quan hệ giữa
hiệu điện áp và khoảng dịch chuyển của vật kính.
Tương ứng với hiệu diện tích của 4 mảnh photo
detector thu được chính là hiệu điện áp mà chúng
ta có.
3.3. Kết quả thực nghiệm
Sau khi làm thực nghiệm, ta thu được mối quan
hệ giữa khoảng cách từ mắt đọc tới chi tiết với độ
nhạy và độ chính xác của đầu đo qua biểu đồ:
Hình 11. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ điện áp ra
và khoảng dịch chuyển ∆
Từ biểu đồ trên cũng cho ta miền làm việc tốt nhất
của pickup, qua thực nghiệm thì miền làm việc
tốt nhất của đầu đo là từ 2÷2,15 mm. Điểm hội tụ
chính xác của đầu đo cách vật kính 2,13 mm.
Hình 12. Khoảng làm việc của đầu đo
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã mô tả về nguyên lý, cấu tạo
của đầu đo KSS210A, các số liệu thực nghiệm để
đưa ra được khoảng làm việc tốt nhất của đầu đo,
từ đó ứng dụng trong thiết bị đo 3D laser không
tiếp xúc theo phương pháp điều tiêu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Đình Tường, Hoàng Hồng Hải (2006),
Quang kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật.
[2] Phạm Đình Bảo (2005), Compact disc player,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[3] Phạm Ngọc Linh (2019), Nghiên cứu, xây dựng
cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo
laser 3D theo phương pháp tự điều tiêu, Tạp
chí NCKH Trường Đại học Sao Đỏ.
[4] Chao-Chen Gu, Hao Cheng, Kai-Jie Wu,
Liang-Jun Zhang, Xin-Ping Guang (2018), A
High Precision Laser-Based Autofocus Method
Using Biased Image Plane for Microscopy,
Hindawi Journal of Sensors Volume 2018.
Phạm Ngọc Linh
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Nĕm 2010: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Máy chính xác, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội
+ Nĕm 2013: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội
+ Nĕm 2018: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Công nghệ và Máy móc khai thác rừng và lâm
nghiệp, Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật lâm nghiệp Saint - Petersburg mang tên
X.M. Kirov
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật đo, công nghệ 3D, tính toán thiết kế máy
- Email: linhpham110@gmail.com
- Điện thoại: 0387456386
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- nghien_cuu_ung_dung_dau_do_kss210a_trong_thiet_bi_do_laser_3.pdf