Symptom: amplituda signálu klesá při vysoké teplotě – oddělení vlivu zdroje světla, mezery a podmínek blízkého pole

Pokles amplitudy při vysoké teplotě je obvykle součinem tří činitelů: klesající světelné účinnosti zdroje, změny mezery vlivem rozdílné teplotní roztažnosti pouzdra a hřídele a posunu vlnové délky k červené, který mění podmínky blízkého pole. V příkladu činí tyto tři členy při oteplení o 60 K asi −24 %, −9,6 % a −1,0 %, celkem asi −32 %. Článek uvádí model skládání, citlivost pracovního bodu a zkušební postup, jímž lze vycházeje ze symptomu oddělit kotouč, mechaniku a snímací hlavu.

Snímač na zadní straně motoru dává při pokojové teplotě 1 Všš, po zahřátí na asi 85 °C už jen asi 0,7 Všš a servozesilovač začne hlásit slabý signál; po zastavení a vychladnutí je vše opět v pořádku. Takové problémy mají často více příčin: světelná účinnost zdroje s teplotou klesá, pouzdro a hřídel se roztahují rozdílně a mění snímací mezeru a posun vlnové délky LED k červené mění podmínky zobrazení v blízkém poli. Mechanismy jednotlivých teplotních driftů uvnitř snímací hlavy jsou postupně probrány v článku o teplotě snímací hlavy v této knihovně; tento článek vychází ze symptomu a odpovídá na praktičtější otázku: jakým dílem se na poklesu amplitudy podílejí kotouč, mechanika a snímací hlava a jak je několika srovnávacími zkouškami oddělit.

Model skládání: tři činitele se násobí

Pro zobrazovací snímání v blízkém poli lze amplitudu signálu zapsat jako

A(T)/A(T₀) = [P(T)/P₀] · [m(g(T), λ(T)) / m(g₀, λ₀)]

kde P je zářivý výkon LED, m hloubka modulace základní harmonické, g snímací mezera a λ vrcholová vlnová délka. Pro kotouč se střídou 50 % při částečně koherentním osvětlení platí (odvození v článku o Talbotově jevu v této knihovně)

m(g, λ) = cos(πλg/p²) · sinc(g·Δα/p)

kde p je rozteč a Δα úhlová šířka osvětlení ve směru měření. Citlivost detektoru v blízké infračervené oblasti s teplotou mírně roste a malou část vykompenzuje; v následujícím příkladu se nezapočítává. Tři činitele odpovídají:

• Světelná účinnost zdroje: teplotní součinitel zářivého výkonu infračervených LED bývá asi −0,1 ~ −0,6 %/K podle materiálu a proudu.
• Mezera: snímací hlava je na pouzdře, kotouč na hřídeli; obě dráhy teplotní roztažnosti vycházejí ze stejné axiální dosedací plochy, Δg ≈ α_pouzdro·L_pouzdro·ΔT_pouzdro − α_hřídel·L_hřídel·ΔT_hřídel. Hliníkové pouzdro (asi 23×10⁻⁶/K) s ocelovou hřídelí (předpoklad asi 12×10⁻⁶/K), axiální rozměr asi 25 mm: při rovnoměrném oteplení o 60 K vychází asi 16 μm. Znaménko závisí na konstrukci: ohřívá-li rotor hřídel více než pouzdro, může se rozdíl zmenšit nebo dokonce změnit znaménko.
• Vlnová délka: vrcholová vlnová délka se posouvá k červené asi o 0,2–0,3 nm/K. V členu cos vystupují λ a g jako součin; změna vlnové délky Δλ odpovídá změně mezery g·Δλ/λ.

Číselný příklad: oteplení o 60 K

Předpoklad: p = 20 μm, λ₀ = 880 nm, Δα = 20 mrad, g₀ = 100 μm, oteplení o 60 K:

Celková amplituda klesne asi o 32 %, z toho asi tři čtvrtiny připadají na zdroj světla. Člen vlnové délky odpovídá jen asi 1,7 μm změny mezery a je o řád menší než mechanický člen mezery.

Tento poměr však silně závisí na pracovním bodu (viz obrázek 2). Stejných +15 μm a +15 nm sníží amplitudu při jmenovité mezeře 60 μm jen asi o 5 %, resp. 0,3 %; při jmenovité mezeře 200 μm, blízko nulového bodu základní harmonické p²/(2λ) ≈ 227 μm, asi o 55 %, resp. 12 %, dohromady asi o 69 %. Jinými slovy, „velký pokles amplitudy při vysoké teplotě“ někdy neznamená špatný tepelný návrh, ale to, že pracovní bod leží už při pokojové teplotě na strmém úseku křivky.

Má-li snímací hlava regulaci konstantního světla, člen zdroje se vykompenzuje proudem LED a navenek zůstane viditelná jen část hloubky modulace, v příkladu asi 11 %; cenou je zvýšení budicího proudu asi o 1/0,76 − 1 ≈ 32 %. Nestačí-li rezerva budiče, regulace se od určité teploty dostane do saturace a amplituda za tímto bodem náhle začne klesat rychleji – i to je typický projev.

Oddělovací zkoušky: nejprve A a S, pak položku po položce

1. Současně zaznamenávat amplitudu A a součet stejnosměrných složek S. S je součet fotoproudů čtyř fází po odečtení temného proudu změřeného při vypnuté LED (při vysoké teplotě temný proud S zvyšuje). Ohřát, výdrž, ochladit zpět na pokojovou teplotu a trajektorii vynést v rovině A/A₀–S/S₀ (viz obrázek 3): klesají-li A a S ve stejném poměru, jde o zdroj světla nebo propustnost optické cesty; zůstává-li S téměř stálé a A klesá, jde o hloubku modulace, tedy mezeru, vlnovou délku nebo polohu kotouče; nevrátí-li se trajektorie po ochlazení do výchozího bodu, jde o nevratný vliv. Při regulaci konstantního světla je S zafixováno; pak se místo něj zaznamenává budicí proud LED.
2. Externí napájení konstantním proudem. Odpojit budič na desce, LED napájet přímo laboratorním zdrojem konstantního proudu proudem pro pokojovou teplotu a znovu změřit teplotní průběh S. Ten odráží teplotní drift účinnosti samotné LED; klesá-li S s budičem na desce více, driftuje sám budicí proud – zkontrolovat snímací odpor a referenci.
3. Měření mezery za studena a za tepla. Při pokojové teplotě podložkami zjistit strmost křivky amplituda–mezera, pak změřit skutečnou mezeru za studena a za tepla (spárová měrka, kapacitní snímač nebo vzájemná poloha montážní plochy snímací hlavy a povrchu kotouče); Δg krát strmost dává předpokládanou změnu hloubky modulace, která se porovná s výsledkem kroku 1.
4. Ohřev po zónách. Ohřát jen snímací hlavu a mechaniku držet na pokojové teplotě: tak se získají členy zdroje, vlnové délky a obvodů; ohřát jen hřídel a pouzdro a snímací hlavu ofukováním držet na pokojové teplotě: tak se získá člen mezery. Součet obou by se měl blížit výsledku ohřevu celého stroje.
5. Srovnání s jinou vlnovou délkou. Při pokojové teplotě osadit LED s jinou vrcholovou vlnovou délkou nebo měřit jednou při každé ze dvou mezer, přímo určit ∂m/∂λ a vynásobit skutečným posunem k červené – tak vznikne člen vlnové délky. Je-li pracovní bod daleko od nulového bodu, bývá řádově 1 % a lze ho vyloučit jako první.

Příčiny na straně kotouče spadají většinou do skupiny „nevratné“: lepidlo nebo mazivo při vysoké teplotě odplyňuje a kondenzuje na kotouči nebo okénku jako tenký závoj; změklá vrstva lepidla nechá kotouč naklonit, axiální házení vzroste a kolísání amplitudy jednou za otáčku se s teplotou výrazně zvětší. Potvrdí to kontrola povrchu kotouče mikroskopem po vychladnutí a opakované měření házení za tepla. Optická hustota samotné chromové vrstvy se s teplotou a vlnovou délkou mění jen velmi málo a obvykle není hlavní příčinou.

Zásady pro praxi

• Trajektorií A/A₀–S/S₀ nejprve zařadit do hrubé skupiny: podél úhlopříčky zdroj světla, svislý pokles hloubka modulace, nenávrat do výchozího bodu nevratné znečištění nebo creep.
• Jmenovitou mezeru volit co nejdále od p²/(2λ): při p = 20 μm vzroste při posunu g₀ ze 100 μm na 200 μm vliv stejné tepelné změny mezery 15 μm asi z 10 % na asi 55 %.
• Posun k červené odpovídá změně mezery g·Δλ/λ a při rozumném pracovním bodu bývá nejmenším členem.
• Rezerva budiče u regulace konstantního světla musí pokrýt ztrátu účinnosti při nejvyšší teplotě plus stárnutí; v příkladu je potřeba alespoň +32 % proudu.
• V tepelném návrhu umístit axiální reference snímací hlavy i kotouče co nejblíže ke stejné dosedací ploše a prověřit stav, kdy je hřídel teplejší než pouzdro.
• Nejprve provést dvě levné zkoušky – externí napájení konstantním proudem a měření mezery za studena a za tepla – a pak rozhodnout, zda měnit snímací hlavu, konstrukci, nebo pracovní bod.

Shrnutí

Pokles amplitudy při vysoké teplotě lze rozložit na součin tří činitelů: světelné účinnosti zdroje, mezery změněné teplotní roztažností a vlnové délky v blízkém poli; v příkladu činí asi −24 %, −9,6 % a −1,0 %, poměr se však s jmenovitou mezerou prudce mění. Zaznamenáním trajektorie amplitudy a součtu stejnosměrných složek při ohřevu a chladnutí se nejprve oddělí typ zdroje, typ modulace a nevratný typ a pak se externím napájením konstantním proudem, měřením mezery za studena a za tepla, ohřevem po zónách a výměnou vlnové délky položku po položce potvrdí, zda příčina leží na straně kotouče, mechaniky, nebo snímací hlavy.

Překlad čínského originálu (0224). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com

© Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Článek vznikl s pomocí AI.