Gezinimi atla

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

Michelson interferometre diyagramı

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.

Lazer ayarı

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 sistemleri

RLE sistemi, pozisyon geri bildirim uygulamaları için özel olarak tasarlanmış, eşsiz ve gelişmiş bir tek kaynaklı lazer interferometre sistemidir. Her bir RLE sistemi bir RLU lazer ünitesi ve bir veya iki tane RLD10 dedektör kafası içermektedir. Dedektör kafasının modeli uygulamanın gerekliliklerine bağlıdır.

İşaret Açıklamaları:

Lazer enkoder: Anahtar RLU
RLU lazer ünitesi
Lazer enkoder: anahtar RLU
RLD dedektör kafası
Lazer enkoderler: anahtar optikler
Ölçüm optikleri
Çift eksenli RLE

RLE nasıl çalışır?

Lazer kaynağıFiber bağlamaİnterferometre optikleriÖlçüm optikleriDedektör düzeniEnkoder geri bildirim sinyalleri
Lazer enkoder: lazer kaynağı
Frekansı stabilize edilmiş Sınıf 2 HeNe lazer
Lazer enkoder: fiber bağlama
Lazer ışığını doğrudan RLD dedektör kafalarına ileten bir veya iki fiber optik lazer çıktısı
Lazer enkoder: interferometre optikleri
Farklı optik yollar alan lazer ışığının girişimi
Lazer enkoder: ölçüm optikleri
Yansıtma özelliği yüksek sert oksit kaplı elektrik geçirmez aynalar
Lazer enkoder: detektör düzeni
Girişim saçaklarını elektronik bir sinyale dönüştürür
Lazer enkoder: enkoder hatası sinyali
Standart dijital veya analog dört evreli pozisyon geri bildirimi

RLU nasıl çalışır?

RLU'dan gelip, RLD'ye giden lazer çıktısı

Lazer kaynağıStabilizasyon elektronikleriFiber bağlamaIşın işaretleme kararlılığı (stabilitesi)
Lazer enkoder: lazer kaynağı
Frekansı stabilize edilmiş Sınıf 2 HeNe lazer
Lazer enkoder: stabilizasyon elektronikleri
Lazer frekans kararlılığını lazer tüp kafası teçhizatını modüle ederek kontrol etmek için kullanılır
Lazer enkoder: fiber bağlama
Renishaw'un benzersiz fiber optik iletim sisteminden faydalanır
Lazer enkoder: ışın işaretleme kararlılığı
Ölçüm optiklerinde uzun süre boyunca kararlı bir ışın pozisyonu sağlamanın anahtarı

Sinyali RLD'ye geri gönderir

Enkoder hata sinyalleriSistem durumuDijital enterpolasyonAnalog enkoder sinyalleri
Lazer enkoder: enkoder hatası sinyali
Her bir lazer eksenine özel aktif hata hatları, kapalı çevrim çalışma için kolaylıkla tezgah geri bildirim sistemine entegre edilebilir.
Lazer enkoder: sistem durumu
Çalışma durumunun yol gösterici biçimde gösterilmesini sağlamak üzere RLU'nun ön tarafında yerleştirilmiş LED arayüzü
Lazer enkoder: dijital enterpolasyon
10 nm'ye varan çözünürlük seçenekleri ile doğrudan RLU'dan alınan, kullanıcı tarafından konfigüre edilebilir endüstriyel olarak tanınan RS422 dijital dört evreli
Lazer enkoder: analog sinyaller turuncu
Doğrudan pozisyon geri bildirim sistemine entegre edilebilen gerçek zamanlı analog dedektör kafası

RLD nasıl çalışır?

RLD'den gelip, ölçüm optiklerine giden lazer çıktısı

İnterferometre optikleriIşın yönlendirici
Lazer enkoder: interferometre optikleri

Ya düzlem ayna, ya da retroreflektör ölçüm optikleri ile uyumlu küçültülmüş SDE ile benzersiz optik düzenler

Lazer enkoder: ışın yönlendirici

Sadeleştirilmiş açısal ışın ayarı sağlayarak kurulum süresini en aza indirmek için kullanılan yerleşik bir optik kama

Ölçüm optiklerinden RLD'ye lazer girdisi

Analog enkoder sinyalleriDedektör düzeniÖlçüm optikleri
Lazer enkoder: analog sinyaller yeşil

Dedektör düzeninden oluşturulan ve doğrudan RLU'dan geçen kendinden analog dört evreli sinyaller

Lazer enkoder: detektör düzeni

Yerleşik saçak algılama düzeni, ölçüm ve referans ışınlarından gelen girişim saçaklarını elektronik bir sinyale dönüştürür

Lazer enkoder: ölçüm optikleri

Yansıtma özelliği yüksek sert oksit kaplı elektrik geçirmez aynalar

HS20 sistemleri

Kapaksız HS20

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.

HS20 nasıl çalışır?

Lazer kaynağıStabilizasyon elektronikleriÖlçüm optikleri

Hata ve uyarı
sinyalleri

Enkoder geri bildirim
sinyalleri
HS20: lazer kaynağı

Stabilize olmuş Sınıf 2 (<1 mW) HeNe lazer

RLE PCB

Lazer frekans kararlılığını lazer tüp kafası teçhizatını modüle ederek kontrol etmek için kullanılır

HS20: ölçüm optikleri

60 m'ye kadar uzunluğa sahip tezgah eksenleri için uzun menzilli optik çözümleri

HS20: hata ve uyarı sinyalleri

Her bir lazer eksenine özel aktif hata hatları, kapalı çevrim çalışma için kolaylıkla tezgah kontrolörüne entegre edilebilir.

HS20: enkoder geri bildirim sinyalleri

Yüksek çözünürlüklü pozisyon geri bildirimi için endüstri standardı dijital veya analog dört evreli sinyaller

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.

Yer değiştirme tanımlanmış bir dalga boyu cinsinden gösterilir. Bu nedenle hassas ve tekrarlanabilir bir ölçüm dalga boyunun sabitliğine dayanır. Lazer ışını havada hareket ederken, dalga boyu kırılma indeksine bağlı olarak değişir.

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

Kırılma indeksi faktörleri:

Hava sıcaklığı ikonuNem ikonuBasınç ikonu

Hava sıcaklığı

Bağıl nem

Hava basıncı

Termal genleşme:

Malzeme sıcaklığı ikonu

Malzeme sıcaklığı

RCU10 kompanzasyon sistemi

RCU10 gerçek zamanlı dört evreli kompanzasyon sistemi, proses hassasiyetini ve tekrarlanabilirliğini arttırmak için, lineer hareket sistemlerinde çevresel hata kaynaklarını ortadan kaldırır.

RCU10 tezgahın çevresindeki ortamı bir dizi sensör aracılığıyla izler ve pozisyon geri bildirim sinyallerinde gerçek zamanlı kompanzasyon gerçekleştirmek için ileri dijital sinyal işleme özelliğini kullanır. Ünite düzeltilmiş geri bildirim sinyallerini hareket kontrolörüne ya analog, ya da dijital enkoder formatında iletir.

RCU10

RCU10 nasıl çalışır?

Aşağıdaki diyagram RCU10'un iş akışını göstermektedir.RCU10 iş akışı diyagramı

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.