手元のベンチトップテスタにはローパワー抵抗測定というのがある。どういう機能かというとトランジスタがオンにならない範囲の電圧で抵抗測定するというもので、in-circuit な抵抗値を測定するときに使える。300Ωレンジは 0.03V、それ以外のレンジは 0.3V で測定される。(CVCCのような挙動なので開放時電圧はもっと高い)
半導体がオンにならない範囲で働く導通チェッカというのがよく自作されたりするけど、それと同じ。
シャント抵抗のスペック表示がよくわからない。Ω単位じゃなく「15A 75mV」と書いてあった。15Aのとき75mV、つまり抵抗値は 5mΩ で 15A まで流せるという意味らしい？
手元で試してみると 1A で 5mV なので確かに 5mΩ。読みとり電圧の200倍が電流値。 小電力を測るにはちょっと抵抗値が低すぎるかな。温度係数とかは書いてなかった。
手元のオシロスコープはプローブ倍率を任意に設定できないので、特定の倍率にする必要がある。一応200倍はその中に入っているので直読可能。プローブ側を1倍にしてプローブ倍率を200倍にすると以下のような感じ。
3000円強ぐらい(送料込みで5000円ほど)で売っている精密バイス。普通精密バイスは安くてもこの3倍、ちゃんとしたやつは10倍ぐらいの価格がする。いわゆる浮きあがり防止クイックバイス (横と下に締める力が働く) で、固定部の直角が出ているというもの。
浮きあがり防止クイックバイスの良い点はでっぱりが少ないという点で、普通のハンドルがついてるタイプよりも干渉がすくない。
スペックは
箱や検査票などは一切ついてない。
ぱっと見でおかしいのはボルトがついている斜めの面が0.3mmぐらい傾いてる。まぁ機能にはあまり関係ないだろう… わかるようなガタはなく、摺動もスムーズ。
可動部と固定部は横から見た限りではぴったりになるように見える。ただ各部の直角度はかなり怪しい。お勧めできるかというとできなそう。
スピンドルスピードを実測するやつを作った。左から、実測・設定値・最大値 (プーリー設定によって変化)。再現性とか考えるとやはり実測回転数が必要。
PCB Milling でさくっと実装
R3 が感度を決めているが、これは一旦可変抵抗をつけて調整してから、調整済みの抵抗値を実測し、チップ抵抗に換装する方法にした。可変抵抗そのままつけたほうがいいけど小さくしたかったので
3D プリンタで出力。単に非接触で固定するだけなので、締結は M2。
ベンチトップオシロと離れててプローブが届かないのでバッテリ式のオシロで確認。
# hal # spindle encoder setp hpg.encoder.00.chan.00.scale 1 setp hpg.encoder.00.chan.00.counter-mode 1 setp hpg.encoder.00.chan.00.A-pin 7
# postgui.hal setp scale.2.gain 60 setp lowpass.0.gain 0.010000 net spindle-velocity => lowpass.0.in net spindle-fb-filtered-rps lowpass.0.out => abs.0.in net spindle-fb-filtered-abs-rps abs.0.out => scale.2.in net spindle-fb-filtered-abs-rpm scale.2.out => pyvcp.spindle-speed
1pulse/rev なので scale は 1 になる。4箇所ぐらいに反射テープ貼って4pulse/rev にしてもいいかもだけど
前は頑張って60pulse/revなエンコーダを作ろうとしていたけど、かなり面倒なので、単純に1pulse/revをフォトリフレクタで受けるようにした。
Probing the magnetic field probe. Roy Ediss, Philips Semiconductors, UK. というドキュメントが良くできていて、これにある程度従って自分でも追試してみた。
Aliexpress で買ったやつ。どのタイプかはよくわからない。8mm は小さい
写真の通り、測定は端を50Ω終端した接地コプレーナ線路の漏れ磁界を拾うことでやってみた。
↑ 20mm central gap 2(a) タイプ
↑ 20mm gap at neck 2(c) タイプ
↑ 20mm king type 2(d) タイプ
すべて RG405 を自分で曲げて作ったもの
20mm で 1.5GHz スパンだと変な共振は見えない。gap at neck タイプは周波数特性のフラットネスが悪い。
追記: central gap 2(a) タイプは 3GHz スパンで見ると 1.8GHz あたりで共振がみえた。
↑ 35mm central gap 2(a) タイプ
↑ 35mm king type 2(d) タイプ
これも RG405 を曲げて作ったもの。central gap タイプを作って測定し、king type に作り変えた。
35mm まで大きくすると、central gap タイプでは 960MHz あたりに共振が発生しているのが見える。king type ではそれがない。
↑ 80mm gap at neck 2(c) タイプ
↑80mm king type 2(d) タイプ
5D-FB だったかな？ 昔作ったものと作りかえたもの
Aliexpress で300円ぐらい。ステレオのグラウンドアイソレータ。結構小さくていい感じ。内部的には(開けてないけど)トランスが2つ入っているはず。
広域ノイズを入力して通過した信号をオシロスコープで FFT して見てみた。入出力に導通がないのはチェック済み。
ノイズ源のせいか 22kHz まではあまりよくわからなかった (トランスなら低域で減衰があるはずだけど) ので、使わないが 500kHz まで広げてみると以下のような感じで300kHzぐらいに共振が見える。トランスの測定方法がよくわからないので、測定方法 (入出力インピーダンス) のせいかもしれない。
ミツトヨ(mitutoyo) レクタンギュラゲージブロック セラミックス製 0級 25mm 613635-02 cho45
なぜか2600円ぐらいで売ってたので買ってしまった (単品)。0.01μm オーダーで精度が出ている 25mm のブロック。ジルコニアセラミックでできていて
ので個人でも扱いが比較的楽。熱膨張係数は 9.3±0.5 (10^-6/K) で鋼の熱膨張係数 (10.8±0.5) と近いので、同様の雰囲気に置いておけば20±4℃ぐらいなら 100mm でも誤差が1μm未満に収まる。(ただしセラミックのほうが熱伝導率が低いので、より長い慣らし時間が必要)
マイクロメータの検査に使える。このマイクロメータは出荷時検査で 25mm のとき +1μm なので、これであってる (マイクロメータ側の誤差)。
ゲージブロックは絶対に個人ではいらないレベルのものだけど文明が滅びても正確な長さを示してそうなので気分が良い。
機械式(バネ式)のエッジファインダー (芯出しバー)。Φ6のものは少なくて若干高価。1000円ぐらい。材質は非磁性、チタンコートとして書いてなかった。
精度は 0.003mm らしい。
先端の精度は完璧。接触で使うので多少摩耗していくだろうから最初に測っておくのは大事
600〜800rpm でまわしながら使う。ワークから離れたところでは自由なので先端がブレて動く。ワークに近付くにつれてブレが収まり、ある点を超えると急に大きくブレる。この急に大きくブレた点がワークと接触したところ。
手順としては一度あててから戻し、ゆっくりあてなおす。急に動いたところで止めて、半径をオフセットさせて原点を設定する。
これだけ小さくてもZ軸の余裕がない機械だと結構ぎりぎりになる。
電子式のエッジファインダはΦ20〜しかない。機械式で最小のものはΦ6、通常はΦ10のようだ。
プーリー駆動の付け替えで、24V 時 10000rpm と 4300rpm を切り替えられるということになっている。自分の環境ではこの加え、PWM コントローラによる電圧可変である程度回転数を変えられる (M3 S5000 みたいな) ようにしている。
BeagleBoneBlack + Machinekit で動かしていて、PWM 出力は pru_generic のものを使っている (ハードウェアPWMではない)。PRU の実行サイクルは 100kHz (10000ns) ごとなため、あまり高い周波数で PWM 出力ができない。
使っている PWM コントローラの入力周波数は1kHz〜10kHz 周期でいうと 1000000ns-100000ns なので、1kHz のPWM周波数でやれば分解能が最も高くなる。が、PWM 周波数が可聴域の高感度な周波数だとうるさいので悩ましいところ。
なんとなくやる気が沸いたのでプーリーの設定を machinekit 側 GUI で切り替えできるように作りこんだ。回転数計もそのうち(再び)組込みたい。
pwm_period を変えたケースでも試してグラフ化してみた。オープンループ・フィードバックなし負荷なしでただ回しているだけなのでここにさらに切削抵抗が加わると減速する。
HS2234 という名前のレーザー式タコメーターをAliexpressで買った (1300円弱)。2.5rpm〜99999rpm まで測れるという触れこみ。電源が単4電池なので(この手のありがちなのは9V電池)ちょっと優しい。
接触で測ることはできず、非接触のみ。
特に使いかたで難しいところはない。説明書 (中国語と英語) がついてくる。おそらくあまり複雑なことはせずパルスをカウントしているだけなので、再帰反射テープはつけないとダメっぽい (付属する)。
あんまり近付けると受光部にレーザー光が入らないので気をつける必要がある。
シグナルジェネレータで duty cycle 10% のパルスを発生させ、LED を光らせて HS2234 の受光部にあてる。
rpm は周波数に60を乗じるので、100Hz のとき 6000rpm になる。
パルスが理想的なら十分な精度そう。なんかどうも必ず-1カウント低い値が出ているような気もするが……
表示が安定するまで若干時間がかかる。0.5s ごとに表示を更新するみたいだけど5秒〜30秒ぐらいやらないと安定しない。
この回転計はおそらく単純にパルスをカウントして演算しているだけなので、周波数カウンタと同様の原理といえる。
理想をいえば反射材からのパルスではなく波形の繰り返し成分から周波数成分を見つけてほしい。FFT して成分解析すればできそう、だけど言うほど簡単ではないのだろうなあ。
Beagle Bone Black + Machinekit での CNC 制御 (Sable-2015)で機械仕様から各軸のSCALEを求めていたが、(いまさら) テストインジケータを買ったのであらためて計測して誤差を修正することにした。
元々の SCALE は
200 * 8 * (1/1.5) #=> 1066.6666666666665 X=-1066.667 Y=1066.667 Z=1066.667
誤差±0.01/0.4mm
修正不要と判断してそのまま
誤差-0.01mm/0.4mm (2.5%)
バックラッシュは0.005mmぐらい
SCALE = -1093.333333
誤差-0.01mm/0.4mm (2.5%)
バックラッシュが0.01mmある
SCALE = 1093.333333
そもそもXとYの直交が出てるのかとかも測定して調整しなおしてみたいけどやってない
Sable-2015 は全体的にアルミなので、マグネットベースをとりつけられるところがモーターぐらいしかなく結構やりにくい。
前にちょっと書いたけど、水晶発振子のモデル化のための測定についてもうちょっと詳しく書いておく
Cp=1.95pF @100kHz
VNA で測ってもいいけどキャリブレーションが面倒なのでLCRメータを使うのが楽 (値が小さいのでLCRメータでもキャリブレーションはすること)
VNA のポート1ポート2に直列で水晶発振子を繋いで、共振周波数付近をさがす。最もゲインが大きいところがfsで、小さいところがfpになる。
fs=9.9985Mhz
fp=10.0126Mhz
VNAのポート1に水晶発振子を繋いで、直列共振周波数 (fs) 付近で測る。fs 付近だと(共振しているので)水晶が純抵抗に近くなり精度が高くなる。
Rs=12.8Ω
以下のように Cs L を求める
f_s = 9.9985
f_p = 10.0126
R = 12.8
C_p = 1.95e-12
C_s = C_p * ( (f_p**2) / (f_s**2) - 1)
L = 1 / (4 * (Math.PI ** 2) * (f_s ** 2) * C_s)
console.log({C_s, L}); //=> { C_s: 5.503702932046284e-15, L: 0.04603790760936647 } 
求められた R/Cp/Cs/L を使って等価回路を作り、周波数特性を見てみる。
LTSpice の結果は信号源の出力に対する比なので、負荷の電圧を見る場合にVNAとスケールをあわせるには2倍 (電圧 +6dB) する。
ダイナミックレンジの関係で並列共振周波数の値は参考にしかならない。