1. A mérés tárgya, a KSS-152A típusú Sony CD-fej

Átírás

1 Mechatronia, Optia és Gépészeti Informatia Tanszé M4 A mérés célja: A mérés során felhasznált eszözö: A mérés során elvégzendő feladato: CD-fej dinamiai analízise D58 Érintésmentes elmozdulás mérés, optoapu munapontbeállítása, frevenciagenerátor és digitális oszcilloszóp használatána elsajátítása, modellalotás, Bode diagram 1. Jelgenerátor. Digitális oszcilloszóp 3. A CD-fej dinamius mérésére alalmas mérőhely 4. Tápegység 1. Állítsa be a trac és fóusz irányú optoapu munapontját. Az átmeneti függvényből határozza meg a rezonanciafrevenciát és a rendszerre jellemző csillapítási számot 3. Trac és fóusz irányban mérje i a Bode diagramot 1. A mérés tárgya, a KSS-15A típusú Sony CD-fej A CD-lemezjátszó berendezés egy olyan adattárolási lehetőséget valósít meg, amely hatéonyan alalmazza a finommechania, optia, mechatronia, eletronia nyújtotta lehetőségeet a 1. századi számítástechniában. A CD lemez egy 1 cm átmérőjű műanyag lemez, amelyen spirális mentén tárolódi az információ. A spirális sávban az információ belülről ifelé rögzített. Az információt parányi bemélyedése, az ún. pite hordozzá. A pithosszúság valamint az egyes pite özötti távolság soros digitális ódot épez, amely végeredményben a tárolt információt reprezentálja. Egy ilyen CD-lemezről észült metszet látható a 1.1. ábrán. Az 1, cm vastagságú lemezen tehát az átlátszó rétegen át érezi a sugárnyaláb a pitsávba, ahonnan aztán vagy elnyelődi, vagy visszaverődi, attól függően, hogy a nyaláb milyen felületre érezi ábra, CD lemez metszete A iolvasás folyamata az 1.. ábrán látható. Amior a letapogató nyaláb eléri a tároló réteg pite özti sima felületét (land), s onnan visszaverődi, ez jelenti a digitális "1" jelet. Miután a nyaláb elérte a pitet, a visszaverődés, a pit méretei és formája miatt, ellenező fázisban (180 foos fáziseltolódással) történi, emiatt (teljes interferencia) a beeső nyaláb egy részét M4/1

2 ioltja, s így a visszavert fény intenzitása jelentősen csöen (nem lehet több mint a beeső fény 70%-a), ez adja a digitális "0" jelet. A logiai szinte megbízható detetálhatóságához stabilan ell tartani a CD-t megvilágító lézer fényenergiáját. Az olvasásnál a visszavert fényenergiát detetálni ell, össze ell hasonlítani a beeső és a visszavert nyalábenergia- értéeet, s az eredménytől függően digitális "1"-et, vagy digitális "0"-át ell írni a meghajtó e célra ialaított memóriájába. A CD-n tárolt információ leolvasása az óramutató járásával ellentétes irányban, a Sony által gyártott fej esetében alulról történi. Olvasás özben az olvasás helyétől függően a CD fordulatszámát változtatni ell (b fordulat/perc), hogy a letapogatás sebessége, illetve az információ iolvasási sebessége állandó legyen. A fóuszálást állandó letapogatási sebességnél ell folyamatosan végezni úgy, hogy forgás özben a CD aár 1 mm-t is ilenghet. Az objetív lencse CD felülettől mért távolsága örülbelül mm. Az alábbi 1.3. ábrán a CD-fej elvi felépítése látható. A letapogatórendszer gondosodi a lézersugár fóuszálásáról, a beeső és a refletált lézersugár szétválasztásáról, valamint a visszavert lézersugár fotodetetoros iértéeléséről. A lézerfény forrása egy félveztőtechniával észült lézerdióda, 780 nm hullámhosszúságú oherens és monoromatius fényt állít elő az optiai rendszer számára. A ibocsátott fény ezt övetően a ollimátorlencsébe jut. A lézerdiódával előállított fénysugár átmérője (1.. ábra) igen icsi. A lencse segítségével úgy lehet az információ iolvasásána folyamata özben fóuszálni a sugarat, hogy az töéletesen párhuzamossá váli. Ezzel a rendszer gyaorlatilag érzéetlen a gyűjtőlencse és az azt megelőző ollimátorlencse távolságára. A fény a polarizációs prizmán végighaladva a λ/ 4 lemezre jut. A polarizációs prizma ét, egymáshoz illesztett, normál prizmából, valamint a prizmá összeillesztési felületére helyezett polárszűrőből áll (Nicolprizma). A polarizációs prizmána az a feladata, hogy a lézerdióda által ibocsátott polarizálatlan fénysugaraat polarizálja. R* : A beeső és visszavert fénysugara 1.. ábra Az információ iolvasásána folyamata M4/

3 1.3. ábra A CD-fej elvi felépítése A lézerdiódából isugárzott lézersugár útvonalán továbbhaladva a polarizációs prizma mögött helyezedi el a λ/ 4 lemez, amely a lézersugár polarizációját befolyásoló anizotróp ristályból van ialaítva. A ristályba belépő lineárisan polarizált fénysugár 45 -al elforgatott polarizációs síal és örörös polarizációval lép i. A ristály vastagsága olyan, hogy a belépő és a ilépő fénysugár özött 90 - os fáziseltolás lépjen fel (innen az elnevezés 90 =λ/ 4 ). A λ/ 4 lemez elősegíti az oda irányú és a refletált fénysugár szétválasztását a polarizációs prizmában. A gyűjtőlencse segítségével aztán CD lemezen optimális esetben (megfelelő pozicionálás esetén) megjeleni a megfelelő méretű fénypont a pitsávban. A gyűjtőlencse és a CD özötti távolság legisebb megváltozása is eltolhatja a munapontot. Ezáltal fóuszálási hiba jön létre, amely a pitsáv hibás letapogatásához vezet. Az információs síra érező, örörösen polarizált lézersugarat a pitstrutúra modulálja és visszaveri. A éttengelyű elemre szerelt gyűjtőlencsén eresztül a refletált fény ismét a letapogató egységre erül és eléri a λ/4 lemezt. Itt a polarizációs sí ismét 45 -al elfordul. A fénysugár tehát visszaalaul lineárisan polarizációjú fénysugárrá. Ily módon az oda irányú és a refletált fénysugár özött 90 -os fáziseltolás jön létre. A polarizációs sí 90 -os fázisforgatása öveteztében a polarizációs prizmában levő polarizációs szűrő eltéríti a refletált fénysugarat, miáltal ülönválasztja az oda irányú fénysugártól. A visszatérő sugár egy újabb gyűjtőlencse vadráns-fotódetetorba fóuszálja, amely a nyalábból eletromos jelet állít elő a övetező módon. A CD fejen olvasás özben fellépő rezonanciá iüszöbölésére, melye a iolvasás pontosságát, sebességét hátrányosan befolyásoljá, a fej axiális és radiális irányú elmozdulással épes reagálni. A gyűjtőlencse ét mozgó teercs segítségével mozog a mágneses erőtérben. A mozgást a éttengelyű elem biztosítja. Kellő nagyságú orreciós áramot vezetve a teercsbe olyan erőhatás jön létre, amellyel a gyűjtőlencse X és Y pozíciója változtatható. Ez a ét irány CDlemezjátszó esetén a fóusz, a CD-től való távolság, valamint a trac irány, amin a CD radiális irányban történő elmozdulását értjü. M4/3

4 Az 1.4. ábrán a KSS-15A típusú Sony CD-fej arányos Solidwors-ben észült modellje látható. A modellen jól ivehető a teercse, valamint a éttengelyű elem elhelyezedése. A éttengelyű elem egy olyan csulós mechanizmus, amely az anyag adott helyen történő elvéonyításával ét irányú mozgást tesz lehetővé ábra, A KSS-15A CD-fej Solidwors-ben észült modellje A 1.5. ábra jól szemlélteti a CD-fej azon részét, mely a mozgásban részt vesz. A fej anyaga (váza) műanyag, ezzel is javítva a fej dinamiai sajátosságain. A minél isebb tömeg ugyanis a szabályozás szempontjából gyorsabb és pontosabb beállást tesz lehetővé. A gyűjtőlencse a teercse, illetve a éttengelyű elem a vázra ragasztással van rögzítve. A teercse ivezetései (táplálása) szorosan a fejhez rögzített szalaghuzaloon eresztül történi. A fej stabilitását valamint csillapítását tarac-irányban ét szimmetriusan elhelyezett gumielem biztosítja ábra, A CD-fej szerezeti ialaítása A teercse feladata tehát, hogy a fejet a megfelelő pozicióban tartsá a pitsávhoz viszonyítva. A mágneses erőtérbe merített teercseen a rajtu átfolyó áramerősséggel arányos erőhatás (Lorentz-erő) jön létre, amely imozdítja a fej elmozdulásra épes szerezeti részeit eredeti helyzetéből. Az erőhatás a övetező éplettel (1.1) határozható meg. df i( dl B) (1.1) M4/4

5 Az erő nagysága függ a teercsben folyó áram erősségétől, a teercs hosszától. A ialauló erőhatáso optimális esetben szimmetriusan eletezne. A fejen ialauló erőhatásoat fóuszirányban történő mozgásor a 1.6. ábra szemlélteti.. A mérés célja 1.6. ábra, A fóuszmozgásor ialauló erőviszonyo A CD-fej vizsgálatával jól demonstrálható az eletrodinamius váltó műödése, az alapvetően harmadrendű, de másodrendűvé degradálható általános modell. A mérés során az első cél a fóuszmozgás jellemző paramétereine imérése. Ezeet a paramétereet a szairodalomból megtalálható értéeből a helyes modellalotás után számítással is meghatározható. A modell felvételénél ezdetben elmondhatju, hogy ét látszólag egymástól függetlenül mozgó (tracirányú, fóuszirányú mozgás) mechaniai rendszereről és a hozzáju apcsolódó, azoat meghajtó ugyancsa (látszólag) független eletromágneses atuátororól ell egy rendszertechniai modellt felállítani. A függetlenég vizsgálata egy ésőbbi pontban a mérés tárgyát épezi. A rendszer egyszerű modelljét az alábbi.1. ábra tartalmazza. A jellemző paramétere a övetező: - eletromos ör: - L [H]: a teercse indutivitása - R [Ω]: a teercse ellenállása - mechaniai rendszer: - m [g]: a fej tömege - b [Ns/m]: a rendszerre jellemző csillapítási tényező - [N/m]: a rendszerre jellemző rugómerevség A teercseet i árammal gerjesztjü, amely erőhatást gyaorol a fej tömegére elmozdulásra ényszerítve azt a fej állórészéhez épest, míg végül a számunra hasznos imenő jel a fej elmozdulása lesz. M4/5

6 .1. ábra, A rendszer egyszerű modellje A modellalotást övetően érdemes felvenni a rendszer strutúragráfját. A rendszer egyszerű modellje és a strutúragráf özötti lényeges ülönbség, hogy a rendszer egyszerű modellje egy előremutató hatásirányt jelöl csupán, a visszahatást nem mutatja és ezért nem alalmas a rendszertechniai elemzésre. A.1. ábrán például az m tömeg mozgása feszültséget induál a teercsben az áram nagyságát csöenti. Ezért alalmas tehát a strutúragráf a részletes elemzés elvégzéséhez. A fóuszirányú mozgás strutúragráfja a.. ábrán látható. A mechaniai rendszerben a eresztváltozó a sebesség. A ét rendszer az f erőn eresztül apcsolódi egymáshoz. A öztü lévő apcsolatot a váltó biztosítja, amely eltérő fiziai rendszere azonos típusú változói özött teremt apcsolatot, jelen esetben mechaniuseletronius rendszere átmenő típusú változói özött... ábra, A fóuszirányú mozgást végző rendszer strutúragráfja A strutúragráf ismeretében a csomóponti és huroegyenlete felírását övetően a övetező differenciálegyenlet-rendszerehez juthatun. A fóuszirányú mozgást végző rendszer huroegyenlete tehát: u u u u 0 (.1) R L i di u i R L KM v (.) dt A fóuszirányú mozgást végző rendszer csomóponti egyenlete: F F F F 0 v m b (.3) M4/6

7 dv KM i bv m vdt 0 dt (.4) A Laplace-transzformációt övetően a huro-, és csomóponti egyenlet a szüséges átalaításo után a övetező alaot ölti. u i R Lis K v (.5) K i v m s b s M M ( ) (.6) Változóént az i áramerősséget illetve a v sebességet választva: R Ls KM i u K v 0 M b m s s (.7) Állapottérmodell a (.4) és (.5) egyenleteből önnyen felírható, ha az alábbi a rendszer feltöltöttségét jellemző állapotjelzőet vezetjü be: T x i, v, f (.8) dx A x B u dt (.9) Ez a módszer nélülözhetetlen, ha a rendszer belsejébe is bele ívánun pillantani, mert például a omplett rendszer tervezése, eleme méretezése a feladatun. A Cramer-szabályt alalmazva a fenti (.7)-es összefüggésen, majd elvégezve a ijelölt műveleteet a (.11)-es összefüggéshez jutun. R L s u v KM 0 KM u R L s KM KM ( R L s) ( b m s ) s KM b m s s (.10) A ijelölt művelete elvégzése előtt, már csa az egyszerűbb számolás edvéért érdemes az indutivitást elhagyni, ezzel a harmadrendű rendszer másodrendűrendszerré degradálható. Az o, hogy az indutivitás a rendszer magasfrevenciás viseledését változtatja meg. Ez a frevencia azonban a CD fej műödési frevenciatartományánál nagyságrendeel nagyobb. KM u s v (.11) K s Rb s Rm s R M Az u -val elosztva az egyenlet mindét oldalát a eresett átviteli függvényhez jutun. v KM s W (.1) u Rm s ( K Rb ) s R M Általános alara hozva az egyenletet látható, hogy a fóuszrendszer átviteli függvénye DT-es alaú. TD s v W (.13) T s T s 1 u M4/7

8 A (.13) egy DT-es típusú tag átviteli függvényét mutatja. A bemenet ebben az esetben feszültség a imenet pedig sebesség. A mérés során azonban a feszültséggerjesztés mellett optoapual a CD fej elmozdulását mérjü a imeneten, az eredeti imenetet integrálva (a imenetet 1 /s -sel szorozva) a (.14)-es összefüggéshez juthatun: TD x W (.14) T s T s 1 u A differenciális tag időállandója: KM TD R (.15) A éttárolós tag időállandója: m T (.16) A rendszer csillapítási tényezője: R b K M (.17) R m Mivel a szairodalomban fellelhető ezen CD-fej típusra az egyes paramétere onrét értée, ezért a fóuszirányú rendszermozgás önnyen szimulálható. A rendszerparamétere a övetező (.18): Vs KM 5,15 10 m R 7 L3,9 10 N 5,7 m b 3, 10 m 1, H Ns m g A (.1),(.13),(.14)-es összefüggéseből iszámolható a ét időállandó valamint a rendszerre jellemző csillapítási szám. 4 T,86510 s D 3 1 T 8, s frez 19, 0Hz T (.18) (.19) Az elmozdulás érzéelését reflexiós optoapu végzi mind a ét irányban. Az érintésmentes érzéelés folyamatát a.3. ábra szemlélteti. A dióda által ibocsátott infratartományú fény a CD-fejen elhelyezett fényvisszaverő csíról visszaverődi. A visszavert sugaraat a fotodetetor érzéeli. Ha a fényvisszaverő csí és detetor távolsága megfelelő, aor a munapontbeállítás során a fejre apcsolt gerjesztést torzításmentesen apju vissza. Az optimális távolságot a CNY-70-es reflexiós optoapu atalógusa tartalmazza, mely a.4. ábrán is látható. Az optoaput alibrálása a mérésne nem célja, munapontbeállítása azonban igen. M4/8

9 A munapontbeállítás célja, hogy az optoapu a már alibrálás során beállított merőleges fényvisszaverő felülettől olyan távolságban legyen, hogy az elmozdulás érzéelés során lineáris üzemmódban műödhessen. A munapontbeállítást a mérőhely mirométerorsóival lehet elvégezni..3. ábra, A CNY-70-es optoapu műödési elve.4. ábra, A CNY-70-es optoapu araterisztiája A munapontbeállítás során ügyeljen arra, hogy a mirométerorsót ne teerje addig a pontig, hogy az optoapu a CD-fejhez ütözzön, mert az a mérőhely árosodásához vezethet! A cél a CD-fej vantitatív Bode-diagramjána megrajzolása, rezonanciafrevenciájána imérése, csillapítási számána meghatározása. Ezen információ birtoában lehet csa eldönteni, hogy a fej egyes frevenciatartományoon milyen gyorsan épes például a beállásra? Fontos, hogy ez a műszer minden olyan lényeges alatrészt és finommechaniai onstruciós megoldást jól tanulmányozható méreteben tartalmaz, amelye az általános, eletrodinamius műszere esetében alapvetőe. A mérés során az első feladat a reflexiós optoapu munapontbeállítása mindét irányban. A munapontba állított optoapu segítségével imérhető az oszcilloszópon a fóusz-, valamint tracirányba a mozgáso átviteli függvényei. A jelgenerátor szinuszjeléne változtatásával (a frevencia növelésével) felvehető a Bode diagram egy előre megválasztott irányban. M4/9

10 A mozgó rendszere függetlenségéne mérése. A fenti fóuszmozgásra vázolt átviteli függvény ugyanis csa aor igaz a fenti formában, ha a ét rendszer valóban független. Ellenező esetben módosítani ell a rendszermodellt. 3. A mérési gyaorlat során elvégzendő feladato 3.1. Ismeredés a mérőrendszerrel, a felészülés a mérésre A mérés elrendezését a ábrán látható: ábra, A mérőhely műödését segítő műszere és elrendezésü A méréshez szüséges tápfeszültséget a feszültségforráson ialaított iertápegység biztosítja. A tápegységen beállított feszültsége szélső értéei ±1Volt. A jelgenerátor jelét ágaztassa le, és egyi végét össe a özponti nyá mérni ívánt BNC bemenetére (Tracbemenet, Fóuszbemenet), mási végét a Digitális Scope 1-es csatornájára. A Digitális Scope mási csatornájára pedig a mérni ívánt irány nyálapi BNC csatlaozójához csatlaoztassa, (fóuszmozgás érzéelésére szolgáló optoapu, vagy tracirányú mozgás érzéelésére szolgáló optoapu). A nyálap bemenetei a mérőhelyen jelölve vanna. A nyálap imenetén található 3db banándugós imenet mely a özponti nyá táplálását látja. A banándugó jelölve vanna, össe ezeet a ialaított iertápegység megfelelő pólusaihoz. 3.. Optoapu munapontbeállítása Az optoapu mindét irányban történő beállításához a jelgenerátoron háromszögjel beállítása ajánlott. Írja fel a mirométerorsó állását és mentse el a digitalis oszcilloszópon a mérés épét! Az itt feltüntetett amplitudóértéeet ell a jelgenerátoron beállítani, ám eze az oszcilloszópon étszeres amplitudóértéel jelenne meg. A fóuszirányú mozgás beállításához a jelgenerátoron a övetező értée beállítása ajánlott: háromszögjel M4/10

11 - Offsetfeszültség: 0mV - Amplitudó: 100mV - Frevencia: 1Hz A sieres alibrálást övetően a BNC csatlaozó özponti nyálapi beötéséne változtatásával lehet tracirányú mérésre áttérni. Fóuszbemenet Tracbemenet Fóusz-opto Trac-opto A tracirányú mérésor használt beállításo a jelgenerátoron: háromszögjel - Offsetfeszültség: 00mV - Amplitudó: 100mV - Frevencia: 7Hz 3.3. A rendszer átmeneti függvényeiből határozza meg a rezonanciafrevenciát és a csillapítási számot tracirányú és fóuszirányú mozgásnál egyaránt! A méréshez ajánlott beállításo a jelgenerátoron fóuszirányú mérésnél: négyszögjel - Offsetfeszültség: 0mV - Amplitudó: 00mV - Frevencia: 1Hz A méréshez ajánlott beállításo a jelgenerátoron tracirányú mérésnél: négyszögjel - Offsetfeszültség: 00mV - Amplitudó: 100mV - Frevencia: 600mHz A rezonanciafrevencia az oszcilloszóp ábrájából meghatározható, míg a csillapítási szám az alábbi (3.1) éplettel határozható meg ábra, csillapítási szám meghatározása M4/11

12 1 1 ln a A (3.1) Ahol a és A paramétere a ábrán látható Mérje i egy választott irányban a mozgás rendszerére jellemző Bode diagramot! A méréshez használjon szinusz jelet, melyne alalmas lépésözzel növelje a gerjesztés frevenciáját úgy, hogy a változásonál ellő finomsággal lehessen a változásoat ábrázolni. A mérésenént olvassa le az adott frevenciához tartozó amplitúdó értéeet, azaz az oszcilloszópról leolvasható feszültségértéeet. A Bode-diagramon a fázismenet meghatározásához használja a Lissajous-görbét. Olvassa le a l és L merőleges vetületi értéeet, majd a éplet szerint határozza meg értéét. l sin L ábra, Lissajous-görbe A fóuszirányú méréshez ajánlott, jelgenerátoron beállítandó értée a övetező: szinuszjel - Offsetfeszültség: 0mV - Amplitudó: 00mV A tracirányú méréshez ajánlott, jelgenerátoron beállítandó értée a övetező: szinuszjel - Offsetfeszültség: 00mV - Amplitudó: 00mV 3.8. Végezze el a rendszere függetlenségvizsgálatát! A méréshez használjon szinuszjelet! A méréshez a jelgenerátor jelét össe a fóuszbemenetre, a oszcilloszópon pedig a -es csatornán a tracirányban mérő reflexiós optoapu jelét jelenítse meg. A mérés elvégzését övetően ismételje meg a mérést tracbemenet mellett a fóuszirányú elmozdulás érzéelésével is. M4/1