Пропустить переходы по меню

Принцип работы интерферометрических систем

Принцип интерферометрии

Введение

Наиболее распространённый в интерферометрии инструмент – интерферометр Майкельсона – изобрёл в 1887 году Альберт Абрахам Майкельсон – первый американец, удостоенный Нобелевской премии за научные достижения. Он предложил систему из зеркал и полупрозрачных зеркал (светоделителей) для сведения расщеплённых лучей света, поступающих из одного и того же источника. Лазерная интерферометрия является признанным методом измерения расстояний с высокой точностью.

Основные принципы

Схема интерферометра Майкельсона

Как правило, одиночный входящий луч от источника когерентного света с помощью интерферометра Майкельсона расщепляется на два идентичных луча. Каждый из данных лучей проходит различный путь, называемый траекторией, и перед попаданием в детектор они сводятся вместе. Разность в расстоянии, пройденным каждым лучом, создаёт разность фаз между ними. Именно введённая разность фаз создаёт между первоначально идентичными волнами интерференционный узор, который определяется на детекторе. Если одиночный луч разделён вдоль двух траекторий (измеряемой и опорной), то разность фаз будет указывать на какой-либо фактор, который изменяет фазу вдоль данных траекторий. Это может быть физическое изменение длины самой траектории или изменение коэффициента преломления среды, через которую проходит луч.

Интерферометрия Майкельсона

Пучок лазерного излучения (1) выходит из лазерного источника и расщепляется на два пучка (опорный (2) и измерительный (3)) на интерферометре. Данные пучки отражаются от двух ретрорефлекторов и сводятся вместе на интерферометре перед детектором.

Настройка лазера

Использование ретрорефлекторов обеспечивает параллельность плеч опорного и измерительного пучков при их сведении на интерферометре. Сведённые лучи достигают детектора, где они или усиливаются, или ослабляются. Во время усиливающей интерференции два луча совпадают по фазе и вершины обоих лучей усиливают друг друга, что приводит к возникновению светлой интерференционной полосы, а во время ослабляющей интерференции лучи не совпадают по фазе и вершины одного луча гасятся впадинами второго луча, что приводит к возникновению темной интерференционной полосы.

Обработка сигнала

Обработка оптического сигнала в детекторе позволяет наблюдать интерференцию этих двух лучей. Смещение измерительного пучка вызывает изменение относительной фазы двух пучков. Данный цикл усиливающей и ослабляющей интерференции приводит к циклическому изменению интенсивности сведённого луча. Один цикл изменения интенсивности от светлой к тёмной и к светлой полосе происходит каждый раз, когда измерительный пучок / ретрорефлектор (3) перемещается на половину длины волны лазера.

Точность системы

Точность линейных позиционных измерений зависит от того, с какой точностью определена длина волны лазерного излучения. Рабочая длина волны лазерного излучения зависит от коэффициента преломления воздуха, через который проходит луч, а коэффициент преломления изменяется в зависимости от температуры воздуха, давления воздуха и относительной влажности. Поэтому длину волны необходимо изменять, чтобы компенсировать любые изменения данных параметров.

Системы RLE

Система RLE представляет собой уникальную современную когерентную лазерную интерферометрическую систему, специально предназначенную для обеспечения обратной связи по положению. Каждая система RLE состоит из лазерного блока RLU и одной или двух детекторных головок RLD10, модель которых зависит от требований конкретной системы.

Обозначения:

Лазерный энкодер: Основной блок RLU
Лазерный блок RLU
Лазерный энкодер: основной блок RLU
Детекторная головка RLD
Лазерные энкодеры: основные оптические элементы
Оптические элементы для измерений
Двухосевая система RLE

Какой принцип работы RLE?

Источник лазерного излученияОптоволоконная муфтаОптические элементы интерферометраОптические элементы для измеренийСхема обнаруженияСигналы обратной связи энкодера
Лазерный энкодер: лазерный источник
Частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер (HeNe) класса 2
Лазерный энкодер: оптоволоконная муфта
Одно или два выводных оптоволоконных устройств лазера, которые направляют лазерный свет непосредственно на детекторные головки RLD
Лазерный энкодер: оптические элементы интерферометра
Интерференция лазерного света на различных оптических траекториях
Лазерный энкодер: оптические элементы для измерений
Диэлектрические зеркала с высоким коэффициентом отражения с твёрдым оксидным покрытием
Лазерный энкодер: схема детектора
Преобразование интерференционных полос в электрические сигналы
Лазерный энкодер: сигнал ошибки энкодера
Стандартный цифровой или аналоговый квадратурный сигнал обратной связи по положению

Какой принцип работы RLU?

Выходной сигнал лазера из RLU в RLD

Источник лазерного излученияЭлектронные модули стабилизацииОптоволоконная муфтаУстойчивость наведения пучка
Лазерный энкодер: лазерный источник
Частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер (HeNe) класса 2
Лазерный энкодер: электронные модули стабилизации
Используются для управления стабильностью частоты лазера путём регулирования нагревателя лазерной трубки в сборе
Лазерный энкодер: оптоволоконная муфта
Использование уникальной оптоволоконной системы передачи лазерного излучения компании Renishaw
Лазерный энкодер: устойчивость наведения пучка
Ключ к обеспечению устойчивого положения пучка на оптических элементах для измерений в течение длительного времени

Обработка сигнала, поступающего обратно в RLD

Сигналы ошибки энкодераСостояние системыЦифровая интерполяцияАналоговые сигналы энкодера
Лазерный энкодер: сигнал ошибки энкодера
Линии усиления сигнала ошибки, отдельные для каждой оси лазера, могут быть легко интегрированы в систему станка с обратной связью для работы по замкнутому циклу
Лазерный энкодер: состояние системы
Светодиоды интерфейса на передней панели RLU предназначены для обеспечения интуитивно-понятной индикации состояния системы
Лазерный энкодер: цифровая интерполяция
Признанная в отрасли цифровая квадратура RS422, настраиваемая пользователем непосредственно из RLU, с вариантами разрешения до 10 нм
Лазерный энкодер: аналоговые сигналы, оранжевый цвет
Головка детектора, работающая с аналоговыми сигналами в режиме реального времени, которую можно легко интегрировать в систему с обратной связью по положению

Какой принцип работы RLD?

Выходное излучение из RLD на оптические элементы для измерений

Оптические элементы интерферометраУстройство для юстировки лазерного интерферометра
Лазерный энкодер: оптические элементы интерферометра

Уникальные оптические схемы с минимальной ошибкой подразбиения (SDE), совместимые с измерительными оптическими элементами для плоского зеркала или ретрорефлектора

Лазерный энкодер: устройство юстировки лазерного пучка

Встроенный ослабитель, используемый для сведения к минимуму времени монтажа за счёт упрощения юстировки лазерного пучка по углу

Входной сигнал лазера от оптических элементов для измерений в RLD

Аналоговые сигналы энкодераСхема обнаруженияОптические элементы для измерений
Лазерный энкодер: аналоговые сигналы, зелёный цвет

Собственный аналоговый квадратурный сигнал, генерированный схемой обнаружения и проходящий непосредственно в RLU

Лазерный энкодер: схема детектора

Встроенная схема обнаружения интерференционных полос преобразует интерференционные полосы из измерительных и опорных в электронный сигнал

Лазерный энкодер: оптические элементы для измерений

Диэлектрические зеркала с высоким коэффициентом отражения с твёрдым оксидным покрытием

Системы HS20

HS20 со снятой крышкой

Лазерная головка Renishaw HS20 вместе с внешним комплектом оптики для линейных измерений образует бесконтактный лазерный интерферометрический энкодер для систем прецизионного линейного позиционирования по длинной оси с обратной связью.

Лазерную головку HS20 можно использовать в контуре управления положением любой системы управления перемещениями, которую можно настроить на приём цифровых или аналоговых квадратурных сигналов энкодера. Лазерная головка может быть использована в качестве прямой замены линейным энкодерным системам как производителями комплектного оборудования, так и при модернизации.

Какой принцип работы HS20?

Источник лазерного излученияЭлектронные модули стабилизацииОптические элементы для измерений

Сигналы
ошибок и предупреждений

Сигналы обратной связи
энкодера
HS20: лазерный источник

Стабилизированный гелий-неоновый лазер (HeNe) класса 2 (<1 мВт)

Плата RLE

Используются для управления стабильностью частоты лазера путём регулирования нагревателя лазерной трубки в сборе

HS20: оптические элементы для измерений

Оптика для измерения на станках по осям длиной до 60 м

HS20: сигналы ошибок и предупреждений

Активные строки ошибок, отдельные для каждой оси лазера, могут быть легко интегрированы в систему управления станком для работы по замкнутому циклу

HS20: сигналы обратной связи энкодера

Принятые в качестве отраслевого стандарта цифровые или аналоговые квадратурные сигналы для обратной связи по положению с высоким разрешением

Системы компенсации

Часто принято считать, что лазерные интерферометры автоматически обеспечивают высшую степень точности при измерениях. Однако на практике ситуация более сложная. При измерении линейных смещений в воздушной среде с помощью лазера особую важность приобретает эффективность системы компенсации изменения параметров окружающей среды. Оптика для лазерных и интерферометрических измерений обеспечивает очень высокий уровень линейного разрешения и прецизионный уровень, однако при применении в воздушной среде за точность измерений системы отвечает главным образом блок компенсации изменения параметров окружающей среды.

Смещение представлено в виде заданной длины волны. Поэтому точность и повторяемость измерений зависит от устойчивости длины волны. Когда лазерный пучок проходит через воздух, длина волны меняется в зависимости от коэффициента преломления.

С другой стороны, при измерении энкодером не учитывается расширение заготовки или конструкции станка вследствие колебаний температуры.
Чтобы компенсировать вышеуказанную погрешность и обеспечить максимальную точность измерений в воздушной среде, необходима система компенсации.

Факторы окружающей среды, влияющие на точность

Факторы, относящиеся к коэффициенту преломления:

Значок температуры воздухаЗначок влажностиЗначок давления

Температура воздуха

Относительная влажность

Давление воздуха

Тепловое расширение:

Значок температуры материала

Температура материала

Блок компенсации RCU10

Система RCU10 для компенсации квадратурных сигналов в реальном времени устраняет погрешности, связанные с изменением параметров окружающей среды в системах измерения линейных перемещений, и повышает точность и повторяемость.

RCU10 контролирует окружающую среду станка с помощью нескольких датчиков и использует расширенную обработку цифрового сигнала для обеспечения компенсации в реальном времени по сигналам обратной связи по положению. Блок обеспечивает подачу скорректированного сигнала обратной связи в котроллер, управляющий перемещениями, в аналоговом или цифровом формате энкодера.

RCU10

Принцип работы RCU10

Ниже показана схема работы RCU10.Схема работы RCU10

Блок компенсации RCU10 принимает квадратурный сигнал вместе с данными окружающей среды, собранными различными датчиками, и вычисляет общую компенсацию, необходимую для корректирования положения по оси. Затем требуемая компенсация применяется путём масштабирования или подачи квадратурных сигналов (добавления или уменьшения квадратурных импульсов) в сигнал обратной связи энкодера, при этом весь процесс выполняется с минимальной задержкой для котроллера, управляющего перемещениями. Скорректированные сигналы обратной связи передаются в контроллер, управляющий перемещениями, в цифровом или аналоговом формате энкодера.