Galvanomètre pour affichage laser
From Eric
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Objectifs
L'objectif est de réaliser un système d'affichage dans lequel un faisceau laser est positionné à l'aide de deux miroirs mobiles (galvanomètres). Diverses techniques ont été élaborées ; on peut en citer deux :
- utilisation de miroirs fixés sur des hauts-parleurs (grande dynamique mais déplacement du faisceau très réduit) ;
- utilisation de tête de lecture/écriture de disque dur (faible dynamique) ;
- création de galvanomètres sur lesquels sont fixés les miroirs.
J'adopte la troisième solution : la plus compliquée mais la plus intéressante aussi.
Réalisation
Les galvanomètres
Au 12 mars 2012, voici ce que j'ai réalisé :
Pour l'instant, on ne trouvera dans ce qui suit que quelques photos. Je commenterai plus longuement plus tard...
La première tentative de galvanomètre, sur un tube en laiton. C'est léger mais l'axe n'est pas droit (j'ai d'ailleurs le même problème avec des axes en aluminium ; pour la version finale, l'acier s'imposera sans doute, malgré le poids...).
La deuxième tentative utilise des axes en aluminium (4mm de diamètre). On voit les deux roulements à billes.
Les bobines comportent 2x100 tours de fil émaillé de 0.2mm. Je les réalise avec ce fabuleux dispositif :
Les bobines sont collées à la colel chaude sur l'axe. Ca n'est pas très beau mais ça tient :
On notera l'utilisation de fil de Litz pour connecter les bobines car le fil des bobines (0.2mm) est encore trop rigide.
Un premier essai avec un chassis en bois :
Et voila enfin la réalisation finale (maquette) :
J'ai utilisé un petit boitier "tout-fait" dans lequel j'ai rajouté une cloison en plexiglas.
Voici le miroir, fixé sur un bout de tube creux en aluminium.
Les aimants permanents vienne d'un vieux disque dur. Je les ai coupés et réassemblés afin que l'aimant présente un seul pôle sur toute sa surface. Ca se scie plutôt bien à la Dremel.
La commande de puissance des bobines
Je commande la bobine avec un TDA2030A :
La mesure de position du galvanomètre
La position du galvanomètre est mesurée au moyen d'un capteur capacitif. Etant donné la faible valeur de la capacité, il faut un pont de mesure précis. Il faut aussi qu'il soit rapide afin d'assurer une bonne dynamique.
On trouvera ici tous les détails sur cette structure (ainsi que sur d'autres structures en pont). L'auteur de l'article est intarissable : "As a measurement circuit for differential capacitive sensors, the twin-T configuration enjoys many advantages over the standard bridge configuration. First and foremost, transducer displacement is indicated by a simple DC voltage, not an AC voltage whose magnitude and phase must be interpreted to tell which capacitance is greater. Furthermore, given the proper component values and power supply output, this DC output signal may be strong enough to directly drive an electromechanical meter movement, eliminating the need for an amplifier circuit. Another important advantage is that all important circuit elements have one terminal directly connected to ground: the source, the load resistor, and both capacitors are all ground-referenced. This helps minimize the ill effects of stray capacitance commonly plaguing bridge measurement circuits, likewise eliminating the need for compensatory measures such as the Wagner earth. " Voici un dessin issu du document :
Le pont de mesure doit être alimenté avec un signal alternatif de haute fréquence (2MHz) pour disposer d'une signal de sortie utilisable.
(Voir aussi la d'application de Texas Instruments.)
Oscillateur carré
La première version repose sur un oscillateur à quartz (74HCT4060) dont le signal 0 à 5V pilote un amplificateur à transistor. Le schéma est donné ci-après :
(Le fichier Spice est ici.)
A basse fréquence, les signaux de sortie sont corrects :
Par contre, à haute fréquence (au delà de 100KHz), le signal est très déformé :
Par ailleurs, les deux transistors sont passant en même temps pendant un bref instant :
Oscillateur sinusoïdal
Pour éviter les problèmes rencontrés avec le premier schéma, je suis passé à un schéma purement analogique dans lequel l'oscillateur est un Colpitts. Je l'ai fait suivre par un amplificateur à transistors rudimentaire.
Attention : n'étant qu'électronicien très amateur, je ne suis pas vraiment sûr que tout cela soit ni très efficace ni très académique... Ceci dit, les valeurs des composants (notamment, les valeurs des ponts diviseurs de polarisation) ont été calculées.
Voici le schéma du circuit (sous LTSPice) et sa réalisation sur une plaquette d'expérimentation :
(Le fichier Spice est ici.)
Les quelques courbes qui suivent en illustre le comportement.
Voici tout d'abord le transitoire de démarrage de l'oscillateur :
Cette figure illustre le fait qu'il ne faut pas se fier au comportement du circuit dans les quelques première millisecondes!
Voici le spectre du signal, avec le pic à 3MHz :
On s'aperçoit que la théorie et la réalité ne correspondent pas parfaitement... Malgré tout, le signal pas-très-sinusoïdal excite convenablement le pont de mesure. Je parviens donc à détecter une variation assez faible de la position relative des deux plaquettes de mon condensateur. Afin de faciliter le travail et l'immunité au bruit j'amplifie le signal par 10 au moyen d'un ampli-op.
Conclusions
Aucune pour l'instant...
