Pengukuran Gerak Multi-Derajat-Kebebasan Tinggi Presisi Menggunakan Grating Difraksi Bersilang PDMS

Latar Belakang

Parameter gerak multi-derajat-kebebasan (MDOF) sangat penting untuk penempatan yang presisi dan kontrol sikap dalam sistem skala besar, termasuk pesawat, lengan robotik, dan manufaktur presisi. Oleh karena itu, sensasi yang presisi terhadap perpindahan, sudut derajat, dan sudut defleksi sangat penting di aplikasi penerbangan luar angkasa, UAV, dan persiapan optik.

Teknik pengukuran MDOF tradisional mengandalkan array sensor berkinerja tinggi yang harus beroperasi secara sinkron pada kecepatan tinggi dan dengan akurasi sub-mikrometer. Kemajuan terbaru dalam mikro-nanofabrikasi dan nanomaterial telah memungkinkan implementasi single-chip yang mengurangi ukuran, biaya, dan kompleksitas sambil mempertahankan atau meningkatkan akurasi.

Karya sebelumnya telah mengeksplorasi array sensor tiga dimensi dan teknik grating bergantung pada sudut. Namun, pendekatan ini sering menderita kesalahan yang diinduksi perakitan dan kompleksitas komputasi. Sebaliknya, metode yang disajikan di sini menggunakan pasang grating PDMS ortogonal tunggal yang difabrikasi melalui pemrosesan plasma oksigen, memungkinkan platform pengukuran MDOF yang kompak, biaya rendah, dan sangat akurat.

Eksperimen

Persiapan Polydimethylsiloxane (PDMS)

Campuran Sylgard 184 PDMS (10:1) dilapisi spin pada wafer silikon dan dikuring pada <80 °C selama 2 jam. Dengan mengontrol kecepatan spin, membran tebal 600 µm diperoleh.

Persiapan Grating Ortogonal Ganda

Film PDMS (3 × 3 cm²) di-pre-strain 1,5× dalam arah X pada panggung translasi buatan sendiri. Lapisan SiO₂ berkerut kemudian terbentuk pada PDMS yang di-pre-strain dan dirawat plasma oksigen (30 sccm O₂, 40 detik) menggunakan kamera IoN Wave 10. Setelah relaksasi, array nanograting seragam muncul di satu sisi. Proses diulang di sisi sebaliknya dengan rotasi 90° untuk menciptakan grating ortogonal di kedua sisi.

Pembangunan Platform Pengujian

Sistem sensor perpindahan-sudut empat derajat kebebasan terdiri dari laser He-Ne (680 nm), platform rotasi (akurasi 0,1°) dan frame penyesuaian 3D manual (presisi 2 µm), penampam spesimen, layar, kamera CMOS 480 × 640 piksel, dan PC yang menjalankan MATLAB. Grating yang bersilang menghasilkan array titik 2-D; kamera menangkap array secara real-time, dan algoritma pemrosesan citra mengekstrak pusat titik untuk menghitung perpindahan X- dan Y- serta sudut insiden.

Analisis dan Pembahasan

Karakterisasi Grating PDMS Ortogonal

Perawatan plasma oksigen memperkenalkan lapisan SiO₂ hidrofilik dan grup hidroksil pada permukaan PDMS. Ketika pre-strain melebihi nilai kritis, melegakan strain membentuk array nanograting yang teratur. Pengukuran AFM mengonfirmasi periode seragam (2 ± 0,05) µm di seluruh sampel.

Karakterisasi Parameter Gerak Posisi dan Sudut dengan Grating Difraksi

Ketika laser melewati grating yang bersilang, difraksi Fraunhofer menghasilkan matriks titik 2-D. Posisi titik bergeser dengan perpindahan sumber dan sudut insiden, memungkinkan pengukuran simultan semua empat derajat kebebasan.

Hubungan dasar adalah:

d(sin φ ± sin α) = mλ (m = 0, 1, 2, ...)

Di sini, λ adalah panjang gelombang laser, d adalah periode grating, α adalah sudut insiden, φ adalah sudut difraksi, dan m adalah urutan difraksi.

Untuk titik urutan pertama, persamaan spasi menjadi:

s = l tan α + tan(arcsin(λ/d) − sin α)
s′ = l tan α − tan(arcsin(λ/d) + sin α)

Ekspresi ini memungkinkan konversi dari spasi titik yang diukur menjadi sudut insiden.

Deteksi dan Karakterisasi Parameter Gerak Multi-Derajat-Kebebasan Berbasis Grating Difraksi Ortogonal

Dengan satu grating di setiap sisi PDMS, sinar laser difrakt menjadi pola titik 1-D ortogonal yang menggabungkan menjadi array 2-D. Gerakan sumber mentranslasikan titik nol-urutan; rotasi sumber mengubah spasi antar-titik.

Pemrosesan citra mengekstrak pusat titik dengan fitting Gaussian:

I(x,y) = H exp{−[(x−x₀)²/σ₁² + (y−y₀)²/σ₂²]}

Dari koefisien yang difit, pusat titik adalah:

x₀ = −c/2a, y₀ = −d/2b

Dengan membandingkan citra berturut-turut, perpindahan absolut dan relatif (Δx, Δy) serta perubahan sudut (Δθx, Δθy) dihitung. Sistem mencapai sensivitas perpindahan 5,4 piksel/µm (resolusi 0,18 µm) dan sensivitas sudut 2,3 piksel/° (resolusi 0,0075 rad). Menggunakan CCD piksel lebih tinggi atau optimasi optik dapat mendorong batas ini ke presisi perpindahan sub-nanometer dan sudut mikro-radian.

Karakterisasi Informasi Parameter Gerak Rotor Pesawat Terbang Mengayun

Untuk memvalidasi metode dalam skenario dunia nyata, UAV empat rotor (Typhoon Q500) membawa penunjuk laser di pusatnya. Sistem grating yang bersilang mencatat array titik 2-D saat UAV mengayun. Data yang diperoleh setiap 0,02 detik mengungkapkan perpindahan translasi maksimum 2,1 mm (X) dan 2,3 mm (Y), serta deviasi sudut maksimum 1° pada kedua sumbu. Pengukuran frekuensi tinggi dan resolusi tinggi ini dapat dikirim kembali ke loop kontrol penerbangan dalam 20 ms, yang secara dramatis meningkatkan stabilitas sikap.

Kesimpulan

Kami menunjukkan proses fabrikasi yang sederhana dan biaya rendah untuk grating PDMS periode 2-µm ortogonal di kedua sisi substrat. Menggunakan prinsip difraksi Fraunhofer dan CCD 480 × 640 piksel, sistem mengukur perpindahan hingga 0,18 µm dan sudut defleksi hingga 0,0075 rad secara real-time. Dengan imaging resolusi lebih tinggi, presisi sub-nanometer dan mikro-radian dapat dicapai. Platform ini menyediakan data empat derajat kebebasan yang cepat dan akurat untuk UAV yang mengayun, memungkinkan stabilisasi loop tertutup dan kontrol presisi untuk penerbangan otonom.