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。

回路



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

Fusion360 で治具作成

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。

テスト

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。

Machinekit config

# 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

過去の試行

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。

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  3. Sable-2015 + Machinekit (LinuxCNC) スピンドルスピード

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。

8mm

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


↑ 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


↑ 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 根本で接続 2(c) タイプ



↑ 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

ref

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  3. 近磁界プローブの種類




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

  • HRC58-62 (20CrMnTi)
  • 平行度 0.005mm/100mm 直角度 0.005mm
  • 全高 50mm 全幅 50mm 全長 135mm 最大開き 65mm 口金高さ 25mm
    • 実測 全高 50.2mm 全幅50.1 全長140.7 最大開き 66.3mm 口金高さ 24.9mm

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。

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  3. QKG50 という精密バイス

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。

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  3. 電流検知抵抗 (シャント抵抗)

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。

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  3. LP-OHM (ローパワー抵抗測定)

手元にあるのは Original Prusa i3 MK2 についてきた PINDA Probe (温度センサなし) のやつなのでこれを試してみる。ついてきたやつなので詳細なスペックは不明。

誘導型近接センサは NPN/PNP の違いと Normally On / Normally Off の違いがある。これは M8 1.0mmピッチ(細目) NPN NC タイプ 5V。動作原理とかはオムロンのサイトが詳しい

上の図のうち、点線でかこまれている部分を含んでセンサ本体になっている。

  • 茶: VCC (5V)
  • 黒: Out
  • 青: GND

VCC Out 間に負荷抵抗 (10kΩとか) つけてプルアップする。

ネジピッチが細目なので手元にあるナットが入らなかった。

鉄とアルミでは検出距離が違うはずなので検証してみた。

2mm ぐらい。

アルミ

0.5mm ぐらい。

アルミ相手に非接触センサとして使うにはちょっとこわい。

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  3. 誘導型近接センサ (Inductive proximity sensor)

少し前に、ベンチトップオシロのプローブが届かず、DSO QUAD を久しぶりに使う機会があった。しかしあまりに使いにくく、ポータブルオシロがちょっと欲しくなってしまった。それですこし探していたらよさげなのを見つけてしまった。

FNIRSI-1013D というやつで 13000円程度で買える。2ch 100MHz 1GS/sec と謳われているもの。値段とスペックが釣りあってなさすぎる。ボタンはオン/オフ以外はなくて、操作はすべてタッチ液晶 (静電容量式のようだ) で行う。

  • 2ch
  • アナログ帯域 100MHz (後述するが怪しい)
  • 50mV〜500V
  • 50S〜10nS
  • 1G sample/sec 240Kbit (後述するが怪しい)
  • 立ち上がり時間 3nS未満 (後述するが怪しい)
  • 7インチタッチ液晶 (800x480)
  • バッテリ駆動 (USB 充電式) 6000mAh
  • USB 接続は Type-C。Mass Storage Device として認識される。Type-C ケーブルはついてくる。
  • 100MHz プローブが2本ついてくる

プローブは手元のプローブと比較してみたが問題ないプローブだった。安い100MHz のプローブでも2本で2500円程度するので、本体の価格はおそろしく安い。


外観やメーカー表記に複数バージョンがあるようだ? これは後期バージョンのようで、BNC や電源ボタンが出っぱっていないので、持ち運びしやすくなっている。

使い勝手

特に悩むところなく使える。トリガが2種類 (raising edge/falling edge)しかないけど別にいいだろう。UI も案外良く、機能が少ないこともあってすっと使える。

タッチ操作でトレースを移動できたりする。気が効いてるのが move fast / move slow という切り替えで、slow にするとタッチしているときの移動量を減らせる。

気になる点

計測レンジが狭め

最小レンジが狭め x1 で 50mV/div

横軸

サンプリングをナイーブに表示している感じなので、時間レンジをうまく設定しないとまともに表示されない。あと時間レンジによってサンプリング数を変えていると思うけどその表示はない。交流を入力しているはずなのにどうみても交流に見えないときは AUTO SET すると時間レンジを適切にセットしてくれる可能性がある。

プローブ補正が綺麗にいかない

プローブ補正しても立ち上がりにオーバーシュートのようなものが見える。

帯域幅

100MHz/ 1Gs/sec はかなり嘘っぽい。

前提知識

  • 0dBm は 0.224V
  • 帯域幅は3dB減衰する周波数。-3dBとなる周波数で、入力が 0dBm なら電圧的には 0.158V になった周波数

50MHz付近の挙動があやしい。また100MHzに近付くとナイキスト周波数に近付いたようなうねりが観測される。ちょっと気になるので一定の入力を行い、周波数特性を描いてみることにした。

手元に 100MHz ぐらいまで簡単に出せるのがスペアナのトラッキングジェネレータしかないので、ゼロスパンにして正弦ジェネレータとして使って試した。出力は50Ω終端し、プローブはこの抵抗の両端につけた。

  • CH1
  • プローブは付属の 100MHz (なのでプローブの周波数特性も含む)
  • プローブ先端のクリップは外して短いGNDリードに
  • 0dBm 50Ω終端の両端を測定

横軸が周波数、縦軸が減衰比。4周期ほど表示させて、画面に表示されるVrmsを読んで比に変換している。見ての通りでおかしい。おそらくアナログ帯域は 25MHz ぐらいで、43.4MHz あたりから補正のようなものが入っているように見える。

プローブ補正しても消えない立ちあがりのオーバーシュートはこれのせいかも

感想

帯域幅が詐欺っぽいのはともかく、13000円で売れるように作るのはすごすぎる。

一方、縦軸はあまり信用ならないのと、帯域幅、サンプリングレートが怪しいのであまり高速な信号は見ないほうが良い。メモリ長も短いので複雑な波形は見れない。

25MHz以下ならある程度使えそうなので、プローブのGNDリード+クリップをそのまま使えるぐらいの周波数帯で波形を見たい場合は便利かも。ちゃんとしたオシロの代わりにはならないが、DSO Quad みたいなのよりは使える。

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  3. FNIRSI-1013D Digital tablet oscilloscope というやつを買ってみた