Sintomo: l'ampiezza del segnale cala ad alta temperatura – separare sorgente luminosa, distanza e condizioni di campo vicino

Il calo di ampiezza ad alta temperatura è di solito il prodotto di tre fattori: calo dell’efficienza luminosa della sorgente, variazione della distanza dovuta alla diversa dilatazione termica di custodia e albero, spostamento verso il rosso della lunghezza d’onda che modifica le condizioni di campo vicino. Nell’esempio, con 60 K di aumento di temperatura, i tre termini valgono circa −24%, −9,6% e −1,0%, in totale circa −32%. Questo articolo fornisce il modello di sovrapposizione, la sensibilità del punto di lavoro e le prove con cui, partendo dal sintomo, separare disco, meccanica e testina di lettura.

Un encoder sul lato posteriore di un motore fornisce 1 Vpp a temperatura ambiente; dopo il riscaldamento a circa 85 °C restano solo circa 0,7 Vpp e l’azionamento comincia a segnalare segnale debole; a macchina ferma e raffreddata tutto torna normale. Problemi di questo tipo hanno spesso più di un’origine: l’efficienza luminosa della sorgente cala con la temperatura, custodia e albero si dilatano in modo diverso e cambiano la distanza di lettura, e lo spostamento verso il rosso della lunghezza d’onda del LED modifica le condizioni di formazione dell’immagine in campo vicino. I meccanismi delle singole derive termiche interne alla testina sono trattati uno per uno nell’articolo sulla temperatura della testina di lettura di questa raccolta; qui si parte dal sintomo per rispondere a una domanda più pratica: quanta parte dell’ampiezza persa spetta a disco, meccanica e testina, e come separarle con poche prove comparative.

Modello di sovrapposizione: tre fattori che si moltiplicano

Per la lettura in campo vicino a formazione d’immagine l’ampiezza del segnale si può scrivere

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

dove P è la potenza radiante del LED, m la profondità di modulazione della fondamentale, g la distanza di lettura e λ la lunghezza d’onda di picco. Per un disco con duty cycle del 50% in illuminazione parzialmente coerente (derivazione nell’articolo sull’effetto Talbot di questa raccolta)

m(g, λ) = cos(πλg/p²) · sinc(g·Δα/p)

con p passo e Δα ampiezza angolare dell’illuminazione nella direzione di misura. La responsività del rivelatore nel vicino infrarosso cresce leggermente con la temperatura e compensa una piccola parte; nell’esempio seguente non se ne tiene conto. I tre fattori corrispondono a:

• Efficienza della sorgente: il coefficiente di temperatura della potenza radiante dei LED nel vicino infrarosso è spesso circa −0,1 ~ −0,6 %/K, secondo materiale e corrente.
• Distanza: la testina è montata sulla custodia, il disco sull’albero; i due percorsi di dilatazione termica partono dalla stessa superficie di riferimento assiale, Δg ≈ α_cust·L_cust·ΔT_cust − α_albero·L_albero·ΔT_albero. Custodia in alluminio (circa 23×10⁻⁶/K) con albero in acciaio (ipotesi circa 12×10⁻⁶/K), dimensione assiale circa 25 mm: con un riscaldamento uniforme di 60 K si hanno circa 16 μm. Il segno dipende dalla costruzione: se il calore del rotore rende l’albero più caldo della custodia, la differenza può ridursi o addirittura cambiare segno.
• Lunghezza d’onda: la lunghezza d’onda di picco si sposta verso il rosso di circa 0,2–0,3 nm/K. Nel termine cos λ e g compaiono come prodotto: una variazione Δλ equivale a una variazione di distanza g·Δλ/λ.

Esempio numerico: aumento di 60 K

Ipotesi: p = 20 μm, λ₀ = 880 nm, Δα = 20 mrad, g₀ = 100 μm, aumento di temperatura 60 K:

L’ampiezza totale cala di circa il 32%, di cui circa tre quarti dovuti alla sorgente. Il termine di lunghezza d’onda equivale solo a circa 1,7 μm di variazione di distanza, un ordine di grandezza meno del termine meccanico.

Questa ripartizione dipende però fortemente dal punto di lavoro (vedi Figura 2). Gli stessi +15 μm e +15 nm, con distanza nominale di 60 μm, riducono l’ampiezza solo di circa il 5% e lo 0,3%; con distanza nominale di 200 μm, vicina allo zero della fondamentale p²/(2λ) ≈ 227 μm, la riducono rispettivamente di circa il 55% e il 12%, insieme circa il 69%. In altre parole, un «forte calo di ampiezza ad alta temperatura» a volte non indica una cattiva progettazione termica, ma un punto di lavoro già scelto, a temperatura ambiente, sul tratto ripido della curva.

Se la testina ha una regolazione a luce costante, il termine della sorgente viene compensato dalla corrente del LED e all’esterno resta visibile solo la parte di profondità di modulazione, nell’esempio circa l'11%; il prezzo è un aumento della corrente di pilotaggio di circa 1/0,76 − 1 ≈ 32%. Se il margine di pilotaggio non basta, a una certa temperatura la regolazione va in saturazione e oltre quel punto l’ampiezza cala improvvisamente più in fretta: anche questo è un fenomeno tipico.

Prove di separazione: prima A e S, poi voce per voce

1. Registrare insieme ampiezza A e somma delle componenti continue S. S è la somma delle fotocorrenti delle quattro fasi, meno la corrente di buio misurata a LED spento (ad alta temperatura la corrente di buio fa salire S). Riscaldare, mantenere, riportare a temperatura ambiente e tracciare la traiettoria nel piano A/A₀–S/S₀ (vedi Figura 3): se A e S calano nella stessa proporzione, la causa è la sorgente o la trasmittanza del percorso ottico; se S resta quasi costante e A cala, è la profondità di modulazione, cioè distanza, lunghezza d’onda o assetto del disco; se dopo il raffreddamento non si torna al punto di partenza, c’è un fattore irreversibile. Con regolazione a luce costante S è bloccata: registrare invece la corrente di pilotaggio del LED.
2. Accensione esterna a corrente costante. Scollegare il pilotaggio sulla scheda, alimentare direttamente il LED con un generatore di corrente costante da laboratorio alla corrente di temperatura ambiente e rimisurare la curva di S in temperatura. Questa riflette la deriva termica dell’efficienza del LED stesso; se con il pilotaggio della scheda il calo è maggiore, è la corrente di pilotaggio stessa a derivare: verificare resistenza di misura e riferimento.
3. Misurare la distanza a freddo e a caldo. A temperatura ambiente ricavare con spessori la pendenza della curva ampiezza–distanza, poi misurare la distanza reale a freddo e a caldo (spessimetro, sonda capacitiva o posizione relativa tra superficie di montaggio della testina e superficie del disco); Δg per la pendenza dà la variazione prevista della profondità di modulazione, da confrontare con il risultato del passo 1.
4. Riscaldamento per zone. Riscaldando solo la testina con la meccanica a temperatura ambiente si ottengono i termini sorgente, lunghezza d’onda e circuiti; riscaldando solo albero e custodia, tenendo la testina a temperatura ambiente con un getto d’aria, si ottiene il termine distanza. La somma dei due dovrebbe avvicinarsi al risultato del riscaldamento dell’intera macchina.
5. Confronto con altra lunghezza d’onda. A temperatura ambiente montare un LED con diversa lunghezza d’onda di picco, oppure misurare a due distanze, ricavare direttamente ∂m/∂λ e moltiplicarlo per lo spostamento verso il rosso effettivo per ottenere il termine di lunghezza d’onda. Con punto di lavoro lontano dallo zero è in genere dell’ordine dell'1% e può essere escluso per primo.

Le cause lato disco ricadono per lo più nella categoria «irreversibile»: adesivo o grasso degassano ad alta temperatura e condensano su disco o finestra formando un velo sottile; lo strato di adesivo si ammorbidisce, il disco si inclina, l’oscillazione assiale aumenta e l’ampiezza dell’oscillazione una volta per giro cresce sensibilmente con la temperatura. Un controllo al microscopio della superficie del disco dopo il raffreddamento e una nuova misura del runout a caldo lo confermano. La densità ottica del film di cromo varia molto poco con temperatura e lunghezza d’onda e di norma non è la causa principale.

Punti chiave di progettazione

• Usare la traiettoria A/A₀–S/S₀ per una prima classificazione: lungo la diagonale è la sorgente, calo verticale è la modulazione, mancato ritorno al punto di partenza è contaminazione irreversibile o scorrimento viscoso.
• Tenere la distanza nominale il più lontano possibile da p²/(2λ): con p = 20 μm, spostando g₀ da 100 μm a 200 μm l’effetto della stessa variazione termica di distanza di 15 μm sale da circa il 10% a circa il 55%.
• Lo spostamento verso il rosso equivale a una variazione di distanza g·Δλ/λ e, con un punto di lavoro ragionevole, è di solito il termine più piccolo.
• Il margine di pilotaggio della regolazione a luce costante deve coprire la perdita di efficienza alla temperatura massima più l’invecchiamento; nell’esempio serve almeno +32% di corrente.
• Nella progettazione termica portare i riferimenti assiali di testina e disco il più vicino possibile alla stessa superficie di riferimento e verificare il caso di albero più caldo della custodia.
• Eseguire prima le due prove a basso costo – accensione esterna a corrente costante e misura della distanza a freddo e a caldo – e poi decidere se modificare la testina, la struttura o il punto di lavoro.

Conclusioni

Il calo di ampiezza ad alta temperatura si può scomporre nel prodotto di tre fattori: efficienza della sorgente, distanza per dilatazione termica e lunghezza d’onda in campo vicino; nell’esempio valgono circa −24%, −9,6% e −1,0%, ma la ripartizione cambia drasticamente con la distanza nominale. Registrando la traiettoria di ampiezza e somma delle componenti continue in riscaldamento e raffreddamento si distinguono prima il tipo sorgente, il tipo modulazione e il tipo irreversibile; con accensione esterna a corrente costante, misura della distanza a freddo e a caldo, riscaldamento per zone e cambio di lunghezza d’onda si conferma poi voce per voce se la responsabilità è del disco, della meccanica o della testina.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0224). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com

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