İnterferometrik sistemler nasıl çalışır?

İnterferometri nasıl çalışır?

Giriş

İnterferometrideki en bilinen araç olan Michelson İnterferometresi, bilim dalında Nobel Ödülü kazanan ilk Amerikalı, Albert Abraham Michelson tarafından 1887 yılında icat edilmiştir. Michelson aynı kaynaktan gelen ayrıştırılmış ışık ışınlarını birleştirmek için aynalar ve yarı saydam aynalardan (ışın bölücüler) oluşan bir sistem bulmuştur. Lazer interferometre uzaklıkları olağanüstü bir hassasiyet ile ölçmek için iyi-yapılandırılmış bir yöntemdir.

Temel prensipler

Genellikle tek bir gelen eşevreli ışık kaynağı ışını Michelson interferometresi tarafından iki özdeş ışına bölünecektir. Bu ışınların her biri, yol olarak adlandırılan, farklı bir rotada hareket eder ve bir dedektöre varmadan önce yeniden birleşirler. Her bir ışının aldığı mesafe arasındaki fark, bu ışınlar arasında bir faz farkı oluşturur. Dedektörde en başta tanımlanan dalgalar arasındaki girişim desenini oluşturan bu faz farkıdır. Tek bir ışın iki yola (ölçüm ve referans) ayrılmış ise, o zaman faz farkı fazı bu yollar boyunca değiştiren şeylerin teşhisidir. Bu yol boyunca gerçekleşen bir fiziksel değişiklik veya ışının hareket ettiği kırılma indeksindeki bir değişiklik olabilir.

Michelson interferometrisi

Lazer ışını (1), lazer kaynağından çıkar ve interferometrede iki ışına (referans (2) ve ölçüm (3)) ayrılır. Bu ışınlar iki retroreflektörden geriye yansır ve dedektöre ulaşmadan önce interferometrede yeniden birleşir.

Retroreflektörlerin kullanılması, referans ve ölçüm kollarından gelen ışınlar interferometrede birbirleri ile yeniden birleştiği zaman, bu ışınların paralel olmalarını sağlar. Yeniden birleşen ışın, birbiri ile ya yapıcı, ya da yok edici bir biçimde girişimde bulunacağı dedektöre ulaşır. Yapıcı girişim sırasında iki ışın fazdadır ve her iki ışının pikleri aydınlık bir saçağa neden olacak biçimde birbirini güçlendirir. Oysaki yok edici girişim sırasında ışınlar faz dışındadır ve bir ışının piki ikinci ışının dip noktası tarafından etkisiz hale getirilir, bu nedenle karanlık bir saçak oluşur.

Sinyal işleme

Dedektördeki optik sinyal işleme bu iki ışının girişimlerinin gözlenmesine imkan verir. Ölçüm ışınının yer değiştirmesi, iki ışının bağıl fazında değişikliğe neden olur. Bu yok edici ve yapıcı girişim döngüsü, yeniden birleşen ışığın yoğunluğunun dairesel değişmeler geçirmesine neden olur. Ölçüm ışınının/retroreflektörün (3) lazer dalga boyunun yarısı kadar hareket ettiği her seferde yoğunlukta aydınlıktan karanlığa, ardından aydınlığa gerçekleşen bir değişme döngüsü oluşur.

Sistemin hassasiyeti

Lineer pozisyon ölçümlerinin hassasiyeti lazer ışığının bilinen dalga boyunun hassasiyetine bağlıdır. Lazer ışınının fiili dalga boyu, ışının geçtiği havanın kırılma indeksine bağlıdır ve bu değer hava sıcaklığı, hava basıncı ve bağıl nem ile değişmektedir. Bu nedenle ışının dalga boyunun bu parametrelerdeki her türlü değişikliği içerecek biçimde değiştirilmesi (kompanse edilmesi) gerekir.

RLE nasıl çalışır?

Lazer kaynağı	Fiber bağlama	İnterferometre optikleri	Ölçüm optikleri	Dedektör düzeni	Enkoder geri bildirim sinyalleri
Frekansı stabilize edilmiş Sınıf 2 HeNe lazer	Lazer ışığını doğrudan RLD dedektör kafalarına ileten bir veya iki fiber optik lazer çıktısı	Farklı optik yollar alan lazer ışığının girişimi	Yansıtma özelliği yüksek sert oksit kaplı elektrik geçirmez aynalar	Girişim saçaklarını elektronik bir sinyale dönüştürür	Standart dijital veya analog dört evreli pozisyon geri bildirimi

HS20 sistemleri

Renishaw HS20 lazer kafası bir harici lineer optik kiti ile birleştirildiğinde, uzun eksenli, yüksek hassasiyetli lineer pozisyon tespiti uygulamaları için, temassız interferometrik bir lazer enkoder sistemi oluşturur.

HS20 lazer kafası, dijital veya analog dört evreli formattaki enkoder sinyallerini kabul edecek biçimde konfigüre edilebilen herhangi bir hareket kontrol sisteminin pozisyon kontrol döngüsüne dahil edilebilir. Lazer kafası, lineer enkoder sistemler için hem OEM uygulamalarında, hem de sonradan yükseltme uygulamalarında direkt bir değiştirme olarak monte edilebilir.

Kompanzasyon sistemleri

Lazer interferometrelerin genellikle otomatik olarak en üstün ölçüm hassasiyetini sağladıkları kabul edilir. Ancak, gerçekte durum biraz daha karmaşıktır. Bir lazer ile havada lineer yer değiştirmeleri ölçerken, çevresel kompanzasyon sisteminin performansı özellikle önemlidir. Lazer ve interferometrik ölçüm optikleri çok yüksek seviyelerde lineer çözünürlük ve hassasiyet sağlar, ancak "havada gerçekleştirilen" uygulamalar için sistemlerin ölçüm hassasiyetinden öncelikle sorumlu olan çevresel kompanzasyon ünitesidir.

Bunun yanı sıra enkoderin gerçekleştirdiği ölçüm sıcaklık değişiklikleri nedeniyle iş parçasında veya tezgahın yapısında meydana gelen genleşmeleri hesaba katmamaktadır.
Yukarıdaki hata kaynağını kompanse etmek ve "havada gerçekleştirilen" uygulamalar için en yüksek hassasiyeti sağlamak için, bir kompanzasyon sistemi gereklidir.

Hassasiyeti etkileyen çevresel faktörler

RCU10 nasıl çalışır?

Aşağıdaki diyagram RCU10'un iş akışını göstermektedir.

RCU10 kompanzasyon ünitesi bir dizi sensör tarafından toplanan çevresel veri ile birlikte dijital dört evreli sinyalleri kabul eder ve eksen pozisyonunu düzeltmek için gerekli olan kompanzasyon miktarını hesaplar. Ardından gerekli olan kompanzasyon dört evreli ölçekleme ve enjeksiyon (dört evreli sinyallerin eklenmesi veya çıkarılması) yoluyla enkoder geri bildirim sinyaline uygulanır. Toplam proses hareket kontrolöründe minimum gecikme ile tamamlanır. Düzeltilmiş geri bildirim sinyalleri hareket kontrolörüne ya dijital, ya da analog enkoder formatında iletilir.