W jaki sposób działają systemy interferometryczne?

Jak działa interferometria?

Wprowadzenie

Najczęściej używane narzędzie interferometryczne — interferometr Michelsona — został wynaleziony przez Alberta Abrahama Michelsona w 1887 roku. Był on pierwszym Amerykaninem, któremu przyznano nagrodę Nobla za osiągnięcia naukowe. Opracował on system zwierciadeł i półprzezroczystych zwierciadeł (rozdzielaczy wiązki) do łączenia rozdzielonych wiązek światła, które pochodzą z tego samego źródła. Interferometria laserowa jest dopracowaną metodą pomiaru przemieszczeń z dużą dokładnością.

Podstawowa zasada działania

W interferometrze Michelsona dochodzi do rozdzielenia pojedynczej, przychodzącej wiązki światła spójnego na dwie identyczne wiązki. Każda z tych wiązek ma inną trasę, zwaną torem; wiązki łączą się przed dojściem do detektora. Różnica w odległości przebytej przez każdą wiązkę wprowadza przesunięcie fazowe między nimi. Przesunięcie fazowe przyczynia się do powstania obrazu interferencyjnego pomiędzy początkowo identycznymi falami, który jest wykrywany przez detektor. Jeśli pojedyncza wiązka rozdziela się na dwa tory (pomiarowy i odniesienia), wtedy przesunięcie fazowe jest miarą czynnika wprowadzającego go na tych torach. Może to być fizyczna zmiana długości samego toru lub zmiana współczynnika załamania światła w środowisku wiązki światła.

Interferometria Michelsona

Wiązka laserowa (1) wychodzi ze źródła światła laserowego i dzieli się na dwie wiązki (odniesienia (2) i pomiarową (3)) w interferometrze. Te wiązki ulegają odbiciu od dwóch retroreflektorów i łączą się przed dojściem do detektora.

Zastosowanie retroreflektorów daje pewność, że wiązki pochodzące z ramion odniesienia i pomiarowego są równoległe w momencie ich połączenia w interferometrze. Połączone wiązki dochodzą do detektora, gdzie zachodzi ich interferencja konstruktywna lub destruktywna. W trakcie interferencji konstruktywnej dwie wiązki są w fazie, zaś strzałki obu wiązek ulegają wzmocnieniu, co powoduje powstanie jasnego prążka. W trakcie interferencji destruktywnej wiązki nie są z sobą w fazie, a strzałki jednej wiązki znoszą się z węzłami drugiej wiązki, co powoduje powstanie ciemnego prążka.

Obróbka sygnału

Obróbka sygnału optycznego w detektorze umożliwia obserwowanie interferencji tych dwóch wiązek. Przemieszczenie wiązki pomiarowej powoduje zmianę fazy względnej dwóch wiązek. Ten cykl interferencji konstruktywnej i destruktywnej powoduje cykliczną zmianę natężenia połączonej wiązki światła. Jeden cykl zmiany natężenia ze światła jasnego na ciemne występuje wtedy, gdy wiązka pomiarowa/retroreflektor (3) przesuwa się o połowę długości fali lasera.

Dokładność systemu

Dokładność pomiarów położenia liniowego zależy od dokładności znajomości długości fali wiązki lasera. Robocza długości fali wiązki laserowej zależy od współczynnika załamania światła powietrza, przez które oba przechodzi; zmienia się zależnie od temperatury powietrza, jego ciśnienia i wilgotności względnej. Dlatego też trzeba zmieniać (kompensować) długości fali w celu uwzględnienia wszystkich zmian tych parametrów.

W jaki sposób działa system RLE?

Źródło światła laserowego	Połączenie światłowodowe	Układ optyczny interferometru	Optyczny układ pomiarowy	Schemat wykrywania	Sygnały sprzężenia zwrotnego enkodera
Laser HeNe klasy 2 ze stabilizacją częstotliwości	Jedno lub dwa światłowodowe wyjścia laserowe, które przekazują wiązkę laserową bezpośrednio do głowic detekcyjnych RLD	Interferencja światła laserowego przebiegająca różnymi torami optycznymi	Zwierciadła o wysokim współczynniku odbicia z twardą, tlenkową powłoką dielektryczną	Zamiana prążków interferencyjnych na sygnał elektroniczny	Standardowe cyfrowe lub analogowe kwadraturowe sprzężenie zwrotne położenia

Systemy HS20

Głowica laserowa HS20 firmy Renishaw w połączeniu z zewnętrznym zestawem układu optycznego do pomiarów liniowych tworzy bezdotykowy, interferometryczny system enkodera laserowego, który można wykorzystać do dokładnych pomiarów położenia liniowego w maszynach z długimi osiami.

Głowica laserowa HS20 nadaje się do wbudowania w pętlę sterowania pozycją dowolnego, dynamicznego układu sterowania, do którego można doprowadzić cyfrowy lub analogowy, kwadraturowy sygnał z enkodera. Głowica laserowa może bezpośrednio zastąpić system enkodera liniowego zarówno w zastosowaniu OEM, jak i modernizowanym systemie.

Systemy kompensacji

Często przyjmuje się, że interferometry laserowe automatycznie zapewniają najwyższą dokładność systemów pomiarowych. W rzeczywistości jest to o wiele bardziej skomplikowane. W trakcie laserowego pomiaru przemieszczenia liniowego w powietrzu bardzo ważny jest system kompensacji wpływu otoczenia. laserowy i interferometryczny optyczny układ pomiarowy charakteryzuje się bardzo wysoką rozdzielczością liniową i precyzją, niemniej jednak w wypadku pomiarów „w powietrzu” występuje układ kompensacji wpływu otoczenia, który ma główny wpływ na dokładność pomiaru systemu.

Z kolei w pomiarze wykonywanym przez enkoder nie uwzględnia się rozszerzalności przedmiotu obrabianego ani konstrukcji obrabiarki w wyniku zmienności temperatury.
Zastosowanie systemu kompensacji jest konieczne w celu skompensowania powyższego błędu i zapewnienia najwyższej dokładności w wypadku pomiarów „w powietrzu”.

Czynniki środowiskowe wpływające na dokładność

W jaki sposób działa system RCU10?

Na poniższym rysunku przedstawiono logikę działania systemu RCU10.

Do systemu kompensacji RCU10 podłącza się cyfrowy sygnał kwadraturowy, a także sygnały z czujników pomiarowych parametrów środowiskowych. Następnie system oblicza łączną poprawkę wymaganą do skorygowania pozycji osi. Wymaganą poprawkę wprowadza się przez kwadraturowe skalowanie i sumowanie lub odejmowanie impulsów kwadraturowych od sygnału sprzężenia zwrotnego enkodera, przy czym ten cały proces odbywa się przy minimalnym opóźnieniu względem sterownika. Skorygowane sygnały sprzężenia zwrotnego są podawane do sterownika w formacie analogowym lub cyfrowym.