Hoppa över navigering

Hur fungerar interferometriska system?

Hur fungerar interferometri?

Inledning

Det vanligaste verktyget inom interferometri, Michelson-interferometern, uppfanns av Albert Abraham Michelson 1887, den förste amerikanen som vann ett Nobelpris för vetenskap. Han uppfann ett system med speglar och halvgenomskinliga speglar (stråldelare) för att sammanfoga separerade ljusstrålar som kommer från samma källa. Laserinterferometri är en väletablerad metod för att mäta avstånd med hög noggrannhet.

Grundläggande principer

Michelson-interferometerdiagram

Normalt delas en inkommande stråle från en koherent ljuskälla upp i två identiska strålar med en Michelson-interferometer. Dessa strålar färdas olika rutter, som kallas en väg, och de kombineras igen innan de når en detektor. Skillnaden i avståndet som varje stråle färdats skapar en fasskillnad mellan dem. Det är denna introducerade fasskillnad som skapar interferensmönstret mellan de ursprungligen identiska vågorna, som identifieras på detektorn. Om en enda stråle har delats längs två vägar (mätning och referens) så är fasskillnaden diagnostik över allt som ändrar fasen längs dessa vägar. Detta kan vara en fysisk förändring av själva väglängden, eller en skillnad i brytningsindex som strålen färdas genom.

Michelson-interferometri

Laserstrålen (1) kommer från laserkällan och delas i två strålar (referens (2) och mätning (3)) vid interferometern. Dessa strålar reflekteras tillbaka från de två retroreflektorerna och kombineras igen vid interferometern innan de når detektorn.

Laserinställning

Retroreflektorerna används för att säkerställa att strålarna som kommer från referens- och mätningsarmarna är parallella när de kombineras med varandra igen vid interferometern. Den återkombinerade strålen når detektorn där de interfererar med varandra antingen konstruktivt eller destruktivt. Under konstruktiv interferens är de två strålarna i fas och topparna hos båda strålarna förstärker varandra, vilket resulterar i en ljus kant, och under destruktiv interferens är strålarna ur fas och topparna hos en stråle upphävs av dalarna i den andra strålen, vilket resulterar i en mörk kant.

Signalbearbetning

Den optiska signalbearbetningen i detektorn möjliggör att dessa två strålars interferens observeras. Förskjutningen av mätningsstrålen orsakar förändringar i den relativa fasen hos de två strålarna. Denna cykel av destruktiv och konstruktiv interferens orsakar att intensiteten hos det rekombinerade ljuset undergår cyklisk variation. En cykel av variation i intensitet från ljust till mörkt till ljust inträffar varje gång mätningsstrålen/retroreflektorn (3) flyttas med halva laservåglängden.

Systemets noggrannhet

Noggrannheten hos de linjära positionsmätningarna beror på till vilken noggrannhet laserstrålens våglängd är känd. Laserstrålens driftvåglängd beror på brytningsindexet hos luften som den passerar genom, och detta varierar med luftens temperatur, lufttrycket och den relativa luftfuktigheten. Därför måste strålens våglängd ändras (kompenseras) med hänsyn till förändringar hos dessa parametrar.

RLE-system

RLE-systemet är ett unikt, avancerat homodynlaserinterferometer-system speciellt utvecklat för applikationer med positionsåterkoppling. Varje RLE-system består av en RLU-laserenhet och en eller två RLD10-detektorhuvuden, vilkas modell beror på kraven hos den specifika applikationen.

Nyckel:

Laserpulsgivare: RLU-nyckel
RLU-laserenhet
Laserpulsgivare: RLU-nyckel
RLD-detektorhuvud
Laserpulsgivare: optiknyckel
Mätoptik
Dubbelaxlig RLE

Hur fungerar RLE?

LaserkällaFiberkopplingInterferometeroptikMätoptikDetektionsprincipPulsgivar-feedbacksignaler
Laserpulsgivare: laserkälla
Frekvensstabiliserad Klass 2 HeNe-laser
Laserpulsgivare: fiberkoppling
En eller flera fiberoptiska laserutmatningar som ger laserljus direkt på RLD-detektorhuvudena
Laserpulsgivare: interferometeroptik
Inteferens hos laserljus som tar olika optiska vägar
Laserpulsgivare: mätoptik
Mycket reflektiva hårdoxidbelagda dielektriska speglar
Laserpulsgivare: detektormetod
Konvertera interferenskanterna till en elektronisk signal
Laserpulsgivare: pulsgivarfelsignal
Standard digitial eller analog kvadraturpositions-feedback

Hur fungerar RLU?

Laserutmatning från RLU till RLD

LaserkällaStabiliseringselektronikFiberkopplingStrålinriktningsstabilitet
Laserpulsgivare: laserkälla
Frekvensstabiliserad Klass 2 HeNe-laser
Laserpulsgivare: Stabiliseringselektronik
Används för att kontrollera laserfrekvensstabiliteten genom att modulera laserrörvärmarenheten
Laserpulsgivare: fiberkoppling
Använda Renishaws unika fiberoptiska utmatningssystem
Laserpulsgivare: strålinriktningsstabilitet
Avgörande för att säkerställa en stabil strålposition på mätoptiken under längre tidsperioder

Bearbeta signalen tillbaka till RLD:n

PulsgivarfelsignalerSystemets statusDigital interpoleringAnaloga pulsgivarsignaler
Laserpulsgivare: pulsgivarfelsignal
Aktiva fellinjer, individuella för varje laseraxel, kan enkelt integreras i maskinens feedbacksystem för sluten drift
Laserpulsgivare: systemets status
LED-gränssnitt placerat fram på RLU:n för intuitiv indikation av driftsstatusen
Laserpulsgivare: digital interpolering
Användarkonfigurerbar RS422 digital kvadratur av branschstandard direkt från RLU:n med upplösning ner till 10 nm
Laserpulsgivare: analoga signaler orangefärgade
Realtids analogt detektorhuvud som kan integreras direkt i positions-feedbacksystemet

Hur fungerar RLD?

Laserutmatning från RLD till mätoptiken

InterferometeroptikStrålriktare
Laserpulsgivare: interferometeroptik

Unika optiska principer med minimerad SDE kompatibel med mätoptik med antingen planspegel eller retroreflektor

Laserpulsgivare: strålriktare

En inbyggd optisk kil som används för att minimera installationstiden genom att möjliggöra förenklad strålvinkeljustering

Laserinmatning från mätoptik till RLD

Analoga pulsgivarsignalerDetektionsprincipMätoptik
Laserpulsgivare: analoga signaler gröna

Reel analog kvadratur genererad från detektionsmetoden och direkt skickad till RLU:n

Laserpulsgivare: detektormetod

Inbyggd kantdetekteringsmetod konverterar interferenskanterna från mätning och referens till en elektronisk signal

Laserpulsgivare: mätoptik

Mycket reflektiva hårdoxidbelagda dielektriska speglar

HS20-system

HS20 med lock öppnat

Renishaws laserhuvud HS20, tillsammans med ett externt linjärt optikpaket, bildar ett kontaktfritt interferometriskt laserpulsgivarsystem för applikationer med långa axlar, hög noggrannhet och linjär positionsåterkoppling.

HS20-laserhuvudet kan infogas i positionskontrolloopen hos alla rörelsestyrningssystem som kan konfigureras för att acceptera digitala eller analoga pulsgivarsignaler med kvadraturformat. Laserhuvudet kan monteras som en direkt ersättning för linjära pulsgivarsystem både i OEM- och eftermonteringsapplikationer.

Hur fungerar HS20?

LaserkällaStabiliseringselektronikMätoptik

Fel- och varnings-
signaler

Pulsgivar-
feedbacksignaler
HS20: laserkälla

Stabiliserad Klass 2 (<1 mW) HeNe-laser

RLE PCB

Används för att kontrollera laserfrekvensstabiliteten genom att modulera laserrörvärmarenheten

HS20: mätoptik

Optiklösningar med lång räckvidd för maskinaxellängder upp till 60 m

HS20: fel- och varningssignaler

Aktiva fellinjer, individuella för varje laseraxel, kan enkelt integreras i maskinstyrningen för sluten drift

HS20: pulsgivar-feedbacksignaler

Digital eller analog kvadratur med branschstandard för positionsfeedback med hög upplösning.

Kompenseringssystem

Laserinterferometrar antas ofta automatiskt ge överlägsen mätnoggrannhet. Men i verkligheten är situationen mer komplicerad. När linjära förskjutningar mäts i luft med en laser är prestandan hos miljökompenseringssystemet speciellt viktigt. Lasern och den interferometriska mätoptiken ger mycket hög nivå av linjär upplösning och precision, men för ”i luft”-applikationer är det miljökompenseringsenheten som huvudsakligen ansvarar för systemets mätnogggranhet.

Förskjutningen representeras i form av en specificerad våglängd. Därför beror noggrannheten och repeterbarheten hos mätningen på att väglängden är konstant. När laserstrålen färdas genom luften varierar våglängden beroende på brytningsindexet.

Å andra sidan tar mätningen från pulsgivaren inte hänsyn till arbetsstyckets eller maskinstrukturens utvidgning på grund av temperaturvariationer.
För att kompensera för den ovanstående felkällan och säkerställa högsta noggrannhet för ”i luft”-applikationer är ett kompenseringssystem nödvändigt.

Miljöfaktorer som påverkar noggrannheten

Brytningsindexfaktorer:

LufttemperaturikonLuftfuktionhet-ikonTryck-ikon

Lufttemperatur

Relativ fuktighet

Lufttryck

Värmeutvidgning:

Materialtemperaturikon

Materialtemperatur

Kompenseringssystem RCU10

Realtidskvadraturkompenseringssystemet RCU10 hanterar miljöfelkällor i linjära rörelsesystem för att förbättra processens noggrannhet och repeterbarhet.

RCU10 övervakar maskinens omgivning via en serie med sensorer och använder avancerad digital signalbearbetning för att utföra kompensering i realtid på positionsfeedbacksignalerna. Enheten skickar de korrigerade feedbacksignalerna till rörelsestyrenheten i antingen analogt eller digitalt pulsgivarformat.

RCU10

Hur fungerar RCU10?

Diagrammet nedan visas arbetsflödet för RCU10.RCU10 arbetsflödesdiagram

Kompenseringsenheten RCU10 accepterar digital kvadratur, tillsammans med miljödata som samlats in av en serie med sensorer, och beräknar den totala mängden kompensering som är nödvändig för att korrigera axelpositionen. Den nödvändiga kompenseringen aktiveras sedan genom kvadraturskalning och injektion (tillägg eller borttagning av kvadraturpulser) i pulsgivarfeedbacksignalen, och hela processen slutförs med minimal tidsfördröjning till rörelsestyrenheten. De korrigerade feedbacksignalerna skickas till rörelsestyrenheten i antingen digitalt eller analogt pulsgivarformat.