Микрометровый датчик перемещения из оптопары и печатных flexure
Повторяемость лучше 2 мкм получена в датчике перемещения, где чувствительный элемент собран из PETG-flexure, щупа и обычного щелевого оптопрерывателя. Перемещение превращает в аналоговый сигнал притуплённая заслонка в 3.0-мм оптической щели. Главный компромисс конструкции задают нелинейная оптическая характеристика и температурная податливость печатной механики.
BubsBuilds представил вторую версию DiaDisp — контактного датчика малых перемещений с заявленной кратковременной повторяемостью лучше 2 мкм. Механическая часть напечатана из PETG, а преобразование координаты в электрический сигнал выполняет серийный оптопрерыватель ROHM RPI-352. Калибровка проводилась сравнением со спектрально-конфокальным датчиком Micro-Epsilon IFS2403-10 под управлением контроллера IFC2421.
Щуп DiaDisp проходит вдоль оси цилиндрического корпуса и удерживается двумя плоскими кольцевыми diaphragm flexure. Такая кинематическая схема ограничивает поперечное смещение, исключает трение направляющих и задаёт воспроизводимую траекторию наконечника. На противоположном конце подвижной детали расположен заслоняющий элемент. Он проходит через щель оптопары и плавно меняет освещённость фототранзистора при осевом ходе щупа.
Для RPI-352 заявлен оптический зазор 3.0 мм, максимум спектральной чувствительности фототранзистора лежит около 800 нм. Это делает выбор пластика частью оптической схемы: PETG в ближнем ИК-диапазоне пропускает свет, поэтому напечатанная перегородка не работает как идеальный непрозрачный затвор. В DiaDisp применена намеренно притуплённая, а не бритвенно острая кромка. Она формирует плавный переход сигнала, пригодный для измерения малых перемещений, но одновременно создаёт выраженную нелинейность.
Опубликованная передаточная характеристика имеет S-образную форму. В локальном рабочем участке чувствительность составляет около 90 мкм/В. Аппроксимация всей шкалы единственным линейным коэффициентом оставляет ошибку порядка ±30 мкм. Для микрометрового режима требуется таблица соответствия напряжения и координаты либо полиномиальная калибровка; автор использует LUT. Сокращение измерительного диапазона относительно предыдущего варианта также улучшило поведение в выбранной области характеристики.
Результат «лучше 2 мкм» относится к short-term repeatability, то есть к разбросу повторных измерений в конкретной установке. Эта величина не описывает абсолютную точность, разрешение и долговременную стабильность. В опубликованных материалах отсутствует полный бюджет неопределённости: не раскрыты полоса аналогового тракта, параметры АЦП, число циклов, усилие контакта, скорость стола, гистерезис flexure и температурный режим. Вклад конфокального эталона, соосности датчиков и геометрических ошибок линейного стола также отдельно не разложен.
Температурный дрейф остаётся главным ограничением печатной версии. Автор оценивает расширение участка PETG длиной около 30 мм в 1.8–2.8 мкм/°C; стальной щуп может сократить расчётную величину примерно до 0.5 мкм/°C. Симметричное размещение элементов способно компенсировать равномерный нагрев, однако градиенты температуры нарушают эту компенсацию. Практическая стабильность будет определяться также ползучестью PETG, старением ИК-светодиода, загрязнением щели и контактной податливостью пластикового шарика на наконечнике.
DiaDisp показывает применимость печатных compliant-механизмов в измерительном тракте. Геометрия flexure задаёт повторяемое движение, заслонка переводит его в удобный аналоговый сигнал, а калибровка компенсирует несовершенство оптики. Для лабораторного прибора решающими следующими измерениями остаются дрейф на часах и сутках, стабильность LUT после температурного цикла и зависимость показаний от материала контролируемой поверхности.