Оптический дефлектор

Полезная модель относится к оптике, в частности, к оптическим информационно-измерительным системам, и может найти применение в системах управления положением луча в пространстве, например, лазерного дальномера.
Технической проблемой при создании оптических дефлекторов с электромагнитным приводом является обеспечение высокой точности и высокого быстродействия отработки задаваемых углов поворота и сканирования зеркала.
Известно устройство для пространственного отклонения луча [Патент РФ №2205439, МПК G02F 1/29], содержащее корпус, в котором установлено зеркало в упругом подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность при отработке углов отклонения зеркала из-за отсутствия цепи обратной связи в системе управления зеркалом, а также большая масса и габариты подвижной части устройства.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является оптический дефлектор луча [Патент на изобретение SU 1674048, МПК G02B 26/10], содержащий корпус, в полости которого размещены две катушки индуктивности, зеркало, соединенное с корпусом с возможностью качения через держатель зеркала и ось вращения, совпадающую с главной осью инерции, отличающийся тем, что корпус выполнен из диэлектрического неферромагнитного материала, а держатель зеркала выполнен из электро-проводного неферромагнитного материала, при этом катушки выполнены в виде полуколец и расположены по обе стороны от оси качения, а плоскости катушек развернуты относительно оси качения. Данный патент выбран в качестве прототипа.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность и быстродействие при отработке заданных углов отклонения зеркала в следящем режиме.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности и быстродействия при отработке углов отклонения зеркала оптического дефлектора.
Технический результат получен за счет того, что в оптический дефлектор, содержащий корпус, в полости которого размещены зеркало, соединенное с корпусом с возможностью качения через держатель зеркала и ось качания, совпадающую с главной осью инерции, и две катушки индуктивности, при этом держатель зеркала выполнен из электропроводного неферромагнитного материала, а катушки расположены на диэлектрическом конусообразном основании по обе стороны от оси качания и плоскости катушек развернуты относительно оси качания, отличающийся тем, что на нижней плоскости держателя зеркала на равноудаленном расстоянии от оси качания закреплены два постоянных магнита с вертикальной поляризацией с обеспечением возможности поворота подвижной части оптического дефлектора на малый угол и вхождения постоянных магнитов в центральные отверстия катушек индуктивности с минимальным зазором, схема управления приводом держателя содержит датчик положения и микропроцессорный блок управления, выход которого соединен с двумя последовательно включенными встречно направленными катушками индуктивности.
Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 показана конструкция оптического дефлектора с дифференциальным емкостным датчиком положения; на фиг. 2 - чертеж печатных плат дифференциального емкостного датчика положения; на фиг. 3 - электрическая схема блока управления приводом оптического дефлектора:
1 - держатель (корпус, оправка) зеркала;
2 - зеркало;
3 - корпус дефлектора;
4 - ось качания;
5 - постоянные магниты с вертикальной поляризацией;
6 - конусообразное основание корпуса;
7 и 8 - катушки управления приводом держателя зеркала;
9 и 10 - печатные платы дифференциального емкостного датчика наклона;
11 - преобразователь «емкость-напряжение» датчика наклона;
12 - управляющий микроконтроллер (CPU);
13 - канал обмена RS-485;
14 - мостовой усилитель мощности широтно-импульсного модулятора УМ ШИМ;
Подвижная часть оптического дефлектора состоит из держателя 1 зеркала, представляющего собой оправку из алюминиевого сплава, в которой закреплено зеркало 2. Оправка держателя 1 способна вращаться на подшипниках в корпусе 3 посредством оси 4. На нижней плоскости держателя 1 на равноудаленном расстоянии от оси 4 закреплены два постоянных магнита 5 с вертикальной поляризацией. Ось качания 4 подвижной части держателя 1 зеркала 2 параллельна отражающей поверхности зеркала 2 и совпадает с главной осью инерции подвижной части. К корпусу 3 прикреплено конусообразное основание 6 из диэлектрического неферромагнитного материала, в котором размещены две плоские катушки управления 7 и 8, расположенные на равноудаленном расстоянии по разные стороны от оси 4, лежащие в плоскостях, параллельных оси качания 4 и повернутые друг относительно друга на угол, соответствующий рабочему углу оптического дефлектора, с тем, чтобы обеспечить возможность поворота подвижной части оптического дефлектора на малый угол и вхождения постоянных магнитов 5 в центральные отверстия катушек 7 и 8 с минимальным зазором.
На основании 6 также расположен датчик положения, например емкостной, содержащий две печатные платы 9 и 10 дифференциального емкостного датчика положения. Возможная конструкция печатных плат дифференциального измерительного емкостного элемента представлена на чертеже фиг. 2.
Электрическая схема управления приводом сканирования подвижной части оптического дефлектора (фиг. 3) содержит датчик положения, образованный дифференциальным емкостным элементом на печатных платах 9 и 10 и преобразователем «емкость-напряжение» 11. Блок управления приводом содержит микроконтроллер 12 (МК CPU) со встроенными модулями аналого-цифрового преобразователя (АЦП), широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и последовательного канала обмена RS-485 13, и полномостового усилителя мощности (УМ) 14. Управляющие катушки 7 и 8 соединены встречно-последовательно и подключены на выход полномостового УМ.
Предложенный оптический дефлектор работает следующим образом.
Угловое перемещение (качание) корпуса держателя зеркала обеспечивается за счет взаимодействия электромагнитного поля катушек 7 и 8 с магнитным полем постоянных магнитов 5. Катушки управления 7 и 8 включены встречно, в результате чего при прохождении тока в катушках один из постоянных магнитов 5 втягивается центральное отверстие катушки, а второй выталкивается, за счет чего обеспечивается удвоенный вращающий момент. Текущее угловое положение корпуса держателя отслеживается датчиком положения, в качестве которого используется дифференциальный емкостной датчик, содержащий две печатные платы 9 и 10, и преобразователь «емкость-напряжение» 11. При наклоне электропроводного немагнитного корпуса держателя зеркала за счет электростатического взаимодействия в зависимости от направления и угла наклона корпусом держателя изменяется взаимная емкость измерительных конденсаторов С1 и С2, образующих дифференциальную измерительную пару 9 и 10. Преобразователь «емкость-напряжение» 11 преобразует разность емкостей в напряжение, пропорциональное углу наклона плоскости корпуса держателя зеркала. Значение напряжения, пропорциональное углу наклона, поступает на встроенный АЦП управляющего микроконтроллера 12 и сравнивается с заданным значением угла наклона, поступающим по последовательному каналу обмена RS-485 13. По результатам сравнения вычисляется разностный сигнал ошибки и формируется управляющий ШИМ сигнал, который через полномостовой усилитель мощности 14 поступает на обмотки катушек управления 7 и 8.
Исполнительный привод включает два постоянных магнита и две катушки индуктивности, обратная связь по положению обеспечивается за счет дифференциального емкостного датчика положения и микропроцессорного блока управления.
Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия при отработке углов отклонения зеркала.
Предлагаемый оптический дефлектор может работать как в режиме установки луча на заданные углы, так и в режиме сканирования. В первом случае дефлектор работает под управлением внешних команд, поступающих поступающим по последовательному каналу обмена RS-485. В режиме сканирования дефлектор обеспечивает колебание луча по программе, внесенной во внутреннее постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) микроконтроллера 12.
Постоянные магниты могут быть применены, например, редкоземельные, плоские катушки индуктивности могут выполняться на оправке с использованием самоспекающейся изоляции провода. Дифференциальная емкостная пара изготавливается методом печатного монтажа, например, на фольгированном стеклотекстолите. Преобразователь «емкость-напряжение» может быть выполнен на серийной микросхеме, например, типа 5201ТК015. Микропроцессорный блок управления может быть выполнен на серийном микроконтроллере, например, 32-разрядном типа 1921ВК035. Полномостовой усилитель мощности может быть выполнен на силовых MOSFET-транзисторах, например, на транзисторных сборках 2П7247БР9.
Заявленный оптический дефлектор позволяет повысить точность и быстродействие оптического дефлектора при отработке углов отклонения зеркала за счет обратной связи по положению, а также обеспечить различные режимы управления за счет модификации программного обеспечения микроконтроллера.