Высокоточное измерение многоградусного движения с использованием перекрестных дифракционных решеток из PDMS

Введение

Параметры движения с множественными степенями свободы (MDOF) критически важны для точного позиционирования и управления ориентацией в крупномасштабных системах: авиация, роботизированные манипуляторы, точное машиностроение. Высокоточное чувствирование смещения, тангажа и углов отклонения необходимо в аэрокосмике, БПЛА и оптическом выравнивании.

Традиционные методы MDOF-измерений опираются на массивы высокопроизводительных датчиков, работающих синхронно на высокой скорости с субмикронной точностью. Недавние достижения в микро-нанофабрикации и наноматериалах позволили однокристальные реализации, уменьшающие размер, стоимость и сложность при сохранении или повышении точности.

Ранее изучались трехмерные сенсорные массивы и углозависимые решеточные техники. Однако они страдают от ошибок сборки и вычислительной сложности. Предлагаемый метод использует одну ортогональную пару PDMS-решеток, изготовленных оксидной плазмой, обеспечивая компактную, дешевую и высокоточную платформу MDOF-измерений.

Эксперимент

Подготовка полидиметилсилоксана (PDMS)

Смесь Sylgard 184 PDMS (10:1) центрифугировали на кремниевые подложки и термостабилизировали при <80 °C в течение 2 ч. Управлением скорости вращения получали мембраны толщиной 600 мкм.

Подготовка двойной ортогональной решетки

Пленки PDMS (3×3 см²) предварительно растягивали 1,5× в направлении X на самодельной трансляционной стадии. На обработанную кислородной плазмой предрастянутую PDMS (30 ссм O₂, 40 с) в камере IoN Wave 10 формировали сморщенные слои SiO₂. После снятия напряжения на одной стороне появлялся равномерный нанорешетчатый массив. Процесс повторяли на противоположной стороне с поворотом на 90° для создания ортогональных решеток на обеих гранях.

Рис. 1. Процесс fabricación и морфология двойной оптической решетки PDMS. (a) Фабрикация. (b) Оптические изображения. (c) АФМ. (d) Равномерность периодичности.

Построение тестовой платформы

Четырехградусная система измерения смещения-угла состоит из He-Ne лазера (680 нм), вращающейся платформы (точность 0,1°), ручного 3D-регулировочного каркаса (2 мкм), держателя образца, экрана, CMOS-камеры 480×640 пикселей и ПК с MATLAB. Пересеченные решетки создают 2D-массив точек; камера фиксирует его в реальном времени, алгоритмы обработки извлекают центры точек для расчета X/Y-смещений и углов падения.

Рис. 2. Принцип и тестовая система MDOF. (a) Схема. (b) Установка. (c) Принцип измерения смещения и угла.

Анализ и обсуждение

Характеризация ортогональных PDMS-решеток

Кислородная плазма вводит гидрофильные слои SiO₂ и гидроксильные группы на поверхность PDMS. При превышении критического предварительного напряжения его снятие формирует регулярный нанорешетчатый массив. АФМ подтверждает равномерный период (2 ± 0,05) мкм по всей площади.

Дифракционная решетка для параметров положения и угла

Когда лазер проходит через перекрещенные решетки, фраунгоферова дифракция дает 2D-матрицу точек. Положение точек смещается при смещении источника и изменении угла падения, позволяя одновременное измерение всех четырех степеней свободы.

Основное соотношение:

d(sin φ ± sin α) = mλ   (m = 0,1,2,…)

где λ — длина волны лазера, d — период решетки, α — угол падения, φ — угол дифракции, m — порядок дифракции.

Для точек первого порядка уравнения расстояний:

s = l tan α + tan(arcsin(λ/d) − sin α)
s' = l tan α − tan(arcsin(λ/d) + sin α)

Эти выражения позволяют переходить от измеренных расстояний между точками к углам падения.

Ортогональная дифракционная решетка для обнаружения MDOF-параметров

С решетками на обеих сторонах PDMS лазер дифрактируется в ортогональные 1D-паттерны, объединяющиеся в 2D-массив. Смещение источника сдвигает нулевой порядок; вращение источника меняет межточечные расстояния.

Обработка изображений извлекает центры точек гауссовой аппроксимацией:

I(x,y) = H exp{ −[(x−x₀)²/σ₁² + (y−y₀)²/σ₂²] }

Координаты центра:

x₀ = −c/(2a),   y₀ = −d/(2b)

Сравнивая последовательные кадры, вычисляют абсолютные и относительные смещения (Δx, Δy) и изменение углов (Δθₓ, Δθᵧ). Система достигла чувствительности по смещению 5,4 пикселя/мкм (разрешение 0,18 мкм) и угловой чувствительности 2,3 пикселя/° (разрешение 0,0075 рад). Использование CCD с большим числом пикселей или оптическая оптимизация могут довести пределы до субнанометрового смещения и микрORadianной угловой точности.

Характеризация параметров движения ротора висящего БПЛА

Для валидации в реальных условиях четырехроторный БПЛА (Typhoon Q500) нес лазерный указатель в центре. Система перекрестных решеток записывала 2D-массив точек во время висения. Данные каждые 0,02 с показали макс. трансляционное смещение 2,1 мм (X) и 2,3 мм (Y), макс. угловое отклонение 1° по обеим осям. Эти высокочастотные, высокоточные измерения могут возвращаться в контур управления полетом за 20 мс, что кардинально улучшает устойчивость ориентации.

Заключение

Продемонстрирован простой, дешевый процесс изготовления ортогональных PDMS-решеток с периодом 2 мкм на обеих сторонах подложи. Используя принцип фраунгоферовой дифракции и CCD 480×640 пикселей, система измеряет смещение до 0,18 мкм и углы отклонения до 0,0075 рад в реальном времени. С более высоким разрешением детектора достижимы субнанометровая и микрORadianная точность. Платформа обеспечивает быстрые, точные данные по четырём степеням свободы для висения БПЛА, позволяя замкнутую стабилизацию и точное управление автономным полетом.

Катоды LiNi0.5Mn1.5O4 с композитным легированием Cr3+ и F−: синтез, стабильность и электрохимические свойства Первопринципное исследование структурной стабильности и STM-образов борфена на Ag(111)

Наноматериалы