EuroWire July 2015

Articolo tecnico

un anello di sorgenti luminose attorno all’asse del filo, con una sola sorgente luminosa accesa alla volta. L’accensione in sequenza di ciascuna sorgente luminosa genera un punto luminoso rotante attorno al filo. Tre sensori a 120° controllano simultaneamente l’energia che emette un bagliore sulla superficie del filo. Il sistema di sorgenti luminose si concentra su ciascun raggio della sorgente in una linea stretta perpendicolare all’asse del filo. Il raggio è approssimativamente parallelo all’altro piano. Lo spessore della linea determina la risoluzione sull’asse del filo. Pertanto, le dimensioni delle sorgenti devono essere ridotte e il sistema ottico sufficientemente buono per l’applicazione.

E = A*ie* r*α*cosβ

Sistema ottico del sensore

Superficie levigata Diffusione

▲ ▲ Figura 3 : Effetto della rugosità

Raggi della sorgente luminosa, energia incidente 7 ie 8

Filo, raggio 7 r 8

▲ ▲ Figura 4 : Effetto del cambio di forma. Immagine della modellizzazione

▼ ▼ Figura 6

▲ ▲ Figura 2 : Illuminazione

di ±60° per sensore, generando una modulazione d’ampiezza del segnale del 50 per cento. Ciò è compensato da un fattore di correzione al fine di visualizzare una risposta uniforme. Con cinque sensori, la variazione diretta si riduce al: 20 per cento. • L’energia ricevuta dal sensore è inoltre direttamente proporzionale al diametro del filo. Ciò significa che è necessario adattare conseguente- mente l’energia della sorgente luminosa incidente “ei”, come pure la tecnologia dei sensori in funzione della gamma di diametri da controllare. Il diametro più piccolo che è stato possibile controllare era quello di un filo di tungsteno (colore nero) di 10μm. • Il fattore A ha un impatto significativo sia durante la diffusione dell’energia (rugosità), sia durante l’assorbimento del raggio di luce a 850nm. Un altro effetto importante è rappre- sentato dal cambio di forma lungo l’asse del filo (nodi, strozzature, difetti) che devia i raggi riflessi fuori dall’apertura angolare del sensore. Progettazione Per ottenere la rotazione della sorgente del punto luminoso, è stato realizzato

Pertanto, facendo ruotare la luce attorno all’asse del filo, ruoterà anche il bagliore sulla superficie facendo riferimento a un osservatore fisso. Ciò genera un’immagine della circonferenza. Durante il suo movimento, il filo sviluppa un’immagine completa della superficie. Se il progetto viene realizzato correttamente, qualunque piccolo difetto superficiale, cambio di colore o di forma, produrrà localmente una notevole riduzione dell’energia emessa dal bagliore verso il sensore. La Figura 2 mostra i parametri chiave del principio: Nella vista in sezione del filo, i raggi di luce incidente sono quasi delle linee parallele. Perpendicolarmente all’asse del filo, ciascun raggio della sorgente converge su una linea stretta. Il valore 2*α, dipende dall’apertura angolare del sistema ottico e determina il diametro del punto luminoso sulla circonferenza del filo: r*α. Il valore 2*β, dipende dall’incidenza angolare della sorgente luminosa. Supponendo che “A” sia il fattore di assorbimento/diffusione della superficie del filo, l’energia luminosa “E” ricevuta dal sensore è: Le conseguenze di tali relazioni sono le seguenti: • Il diametro del punto luminoso (r*α) è proporzionale al diametro del filo (dato piuttosto soddisfacente), e all’apertura angolare del sistema ottico. • L’energia ricevuta dal sensore varia in funzione dell’incidenza angolare della sorgente luminosa secondo cosβ. Utilizzando tre sensori, “β” varia E = A*ie* r*α*cosβ

La Figura 6 , presa da una matrice CCD nella posizione del filo, mostra le dimensioni della linea della luce (bianca) perpendicolare all’asse del filo. densità dell’energia della linea della luce determina la larghezza efficace a circa 20μm. Ne consegue che il diametro del punto luminoso lungo l’asse del filo (Risoluzione Linea: LR) è quasi costante, ma sulla circonferenza (Risoluzione Circonferenza: CR), varia proporzionalmente al diametro del filo (r*α.). La risoluzione della linea sul filo dipende esclusivamente dal sistema di sorgenti luminose, e non dal sensore. Un punto chiave per avere successo in questo sviluppo era rappresentato dalle sorgenti luminose. Esse devono essere piccole e rapide, ma devono generare raggi luminosi molto omogenei con caratteristiche uniformi. Queste caratteristiche sono state sviluppate specificamente e con successo per questa applicazione. Un altro punto chiave era rappresentato dalle tecnologie dei sensori. Per la gamma più piccola, era necessario utilizzare un sensore altamente sensibile, ma allo stesso tempo molto rapido. Il movimento del filo con la rotazione della sorgente luminosa genera una scansione ellittica della superficie e un’immagine continua sul sensore. La forma Gaussiana della

▼ ▼ Figura 5 : Vista frontale del sistema

Fotosensore A Anello di fonti luminose elementari Area di misurazione

Zona 1

Zona 2

Zona 3

Fotosensore C

Fotosensore B

Posizioni sorgente/fotosensori Zona 1/sensori A+C Zona 2/sensori B+A Zona 3/sensori C+B

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Luglio 2015