変位計のアルゴリズム検討

最終更新日 2021年2月25日

変位計と云えばマイクロゲージが一般的ですが、回転体に対して非接触で変位が求められると用途が広がります。
非接触変位計と云えばレーザ変位計/静電容量変位計/精度は落ちるけど超音波等々有るかと思います。

変位測定はターゲットによって手法も検討する必要があります。キーエンスやオムロンさんは基本的な手引きを紹介しています。

ここではArduinoIDEで安価にリーズナブルな計測を実現する手法を検討してゆきたいと思っています。課題を見つけ次第追加するような方法で考えています。

【課題】

  1. PCファンの偏心を可視化したい
    羽根があるため、どこを計測することで偏心を求めるのか?


PCファンの偏心を可視化したい】

PCファンはサイズも多彩でφ40程度からφ120以上のモノまであります。φ120ものだとφ3の回転軸で大きなファンの回転を支えます。また、羽根は不連続不釣り合いであり、低速回転ではウネリが出て然りです。使い続ければ当然偏心する可能性は出てきます。
実際に動作させていれば風斬り音でウネリを感じます。異音も出てきます。

と云う事で偏心の変位計測はどうすべきか、基本的な指針として、発信部と受信部のあるようなセンサであれば取付方法を意識する必要があります。
オムロンの変位センサZX2-LD100Lの場合検出距離は100±35mm(分解能5μm)で性能としては十分のように思いましたがPCファンの場合どのように光を当てるのか難しいところです。カタログを見ても回転むら検出に使うような指針が出ていません。連続計測に関してどう考えるべきなのか、気になります。

PCファンにはパルス出力端子が用意されているモノが殆どです。回転数検知をしているのでそのためかと思います。ただ、このパルスは1回転に2パルス出るようなモノです。回転むらは1回転の内どこかかに偏心があり、それによって起こるかと思います。この内装パルスでは回転むらの検知は困難と云わざるを得ないです

Arduino用モジュールでよく使われているHCSR04は40KHzの超音波を発信、エコーを受信して到達時間を割り出して距離を求めていますが、変位測定に応用できないかと思いました。秋月の資料によると測距範囲:2〜400cm 分解能:0.3cmです。ターゲットがPCファンの回転むらとするとこの分解能では使えません。単純に考えて入信周波数を400kHzぐらいにすると0.1mm程度の分解能まで期待できるのかと思いますが、HCSR04は簡単に改造できないので採用できないです。また、ファンを回転させていると風が起きるため、空気が媒体の場合音速に揺れが出てしまうかもしれません。この影響があるのか無いのか余分な心配が発生しそうです。
折角なのでこの手の超音波センサモジュールをリストアップして置きます。

モジュール名 PING周波数 測距範囲 分解能 備考
HC-SR04 40KHz 2〜400cm 0.3cm  
US-100   2 cm〜450 cm 0.3 cm  
LV-MaxSonar 42KHz 6-inches to 20-inches    
URM37   2〜800cm 1cm  
SRF04 40KHz 3cm〜3 m 3cm 〜 4cm  
SRF05   1cm 〜 4m 3cm 〜 4cm  
28015 40KHZ      
3942(HC-SR04) 40KHZ 2cm to 4m   Adafruit Industries LLC
4019(US-100)       Adafruit Industries LLC
SEN-15569(HC-SR04) 2〜400cm   SparkFun Electronics
40K Hz 3cm〜400cm 1cm Wish
RB-Plx-73(28015) 40K Hz 2cm〜 3m Parallax
101020010 40KHz 3cm to 350cm 2mm Grover
US-016 2cm-300cm 0.3cm
US-026 2cm-600cm 0.1cm
MA400A1 400kHz ムラタ 生産中止
MA300D1-1 300kHz 1mm ムラタ
VL53L0X 940nmの波長 0.03m〜2m 1mm レーザ測距センサ

ここまで来るとマイクによる異音検知がリーズナブルなのかなと思えてきました。

    ソースを掲載します。追加が必要なライブラリは、


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