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Como funcionam os sistemas interferométricos?

Como funciona a interferometria?

Introdução

A ferramenta mais comum em interferometria, o interferômetro de Michelson, foi inventada por Albert Abraham Michelson em 1887, o primeiro americano a ganhar um Prêmio Nobel de Ciência. Ele construiu um sistema de espelhos refletores e espelhos semitransparentes (divisores de feixe) para combinar feixes de luz separados que provém da mesma fonte. A interferometria laser é um método bem estabelecido para a medição de distâncias com grande exatidão.

Princípios básicos

Esquema do interferômetro de Michelson

Normalmente, um único feixe de entrada proveniente de uma fonte de luz coerente será dividido em dois feixes idênticos pelo interferômetro de Michelson. Cada um desses feixes percorre uma rota diferente, chamado caminho, sendo em seguida recombinados antes de alcançar um detector. A diferença entre as distâncias percorridas por cada feixe cria uma diferença de fase entre eles. É esta diferença de fase introduzida que cria o padrão de interferência entre as ondas inicialmente idênticas, que é identificada no detector. Se um único feixe foi dividido ao longo de dois caminhos (medição e referência), então a diferença de fase é o diagnóstico de qualquer coisa que altere a fase ao longo destes caminhos. Esta pode ser uma alteração física no comprimento do próprio caminho ou uma alteração no índice de refração do meio que o feixe percorre.

Interferometria de Michelson

O feixe laser (1) é emitido pela fonte laser e é dividido em dois feixes (de referência (2) e de medição(3)) no interferômetro. Estes feixes são refletidos de volta pelos dois retrorefletores e recombinados no interferômetro antes de atingir o detector.

Configuração do laser

O uso de retrorefletores assegura que os feixes provenientes dos braços de referência e de medição sejam paralelos quando se recombinam um com o outro no interferômetro. Os feixes recombinados atingem o detector quando eles interferem um com o outro de modo construtivo ou destrutivo. Na interferência construtiva, os dois feixes estão em fase e os picos de ambos os feixes se reforçam mutuamente, resultando em uma franja clara, enquanto que na interferência destrutiva, os feixes estão defasados e os picos de um feixe são cancelados pelos vales do outro feixe, resultando em uma franja escura.

Processamento do sinal

O processamento do sinal óptico no detector permite que seja observada a interferência destes dois feixes. O deslocamento do braço de medição causa uma mudança na fase relativa entre os dois feixes. Este ciclo de interferência construtiva e destrutiva faz com que a intensidade da luz recombinada seja submetida a uma variação cíclica. Um ciclo de variação em intensidade de claro para escuro para claro ocorre cada vez que o feixe de medição/retrorefletor (3) é deslocado pela metade do comprimento de onda do laser.

Exatidão do sistema

A exatidão das medições posicionais lineares depende da exatidão com que o comprimento de onda do feixe laser é conhecido. O comprimento de onda operacional do feixe laser depende do índice de refração do ar através do qual ele passa e este se altera com a temperatura, pressão e umidade relativa do ar. Portanto, o comprimento de onda do feixe precisa de ser alterado (compensado) para incorporar quaisquer alterações nestes parâmetros.

Sistemas RLE

O RLE é um sistema único e avançado de laser interferômetro especificamente projetado para aplicações de resposta de posicionamento. Cada sistema RLE consiste de uma unidade laser RLU e um ou dois cabeçotes detectores RLD10. O modelo depende dos requisitos da aplicação específica.

Legenda:

Leitor laser: Legenda RLU
Unidade laser RLU
Leitor laser: legenda RLU
Cabeçote detector RLD
Leitores laser: legenda óptica
Óptica de medição
Eixo duplo RLE

Como funciona o RLE?

Fonte do laserAcoplamento de fibraÓptica do interferômetroÓptica de mediçãoEsquema de detecçãoSinais de feedback do leitor
Leitor laser: fonte laser
Frequência estabilizada, Laser classe 2 HeNe
Leitor laser: acoplamento de fibra
Uma ou duas saídas laser de fibra óptica que fornecem luz laser diretamente para os cabeçotes detectores RLD
Leitor laser: óptica do interferômetro
Interferência da luz laser percorrendo diferentes caminhos ópticos
Leitor laser: óptica de medição
Espelhos altamente reflexivos com revestimento dielétrico de óxido duro
Leitor laser: esquema de detecção
Conversão das franjas de interferência em sinal eletrônico
Leitor laser: sinal de erro do leitor
Feedback de posição de quadratura padrão digital ou analógico

Como funciona o RLU?

Saída laser da RLU para o RLD

Fonte do laserEletrônica de estabilizaçãoAcoplamento de fibraEstabilidade de pontaria do feixe
Leitor laser: fonte laser
Frequência estabilizada, Laser classe 2 HeNe
Leitor laser: eletrônica de estabilização
Utilizada para controlar a estabilidade da frequência laser através da modulação do conjunto do cabeçote do tubo laser
Leitor laser: acoplamento de fibra
Utiliza o exclusivo sistema de fibra óptica Renishaw
Leitor laser: estabilidade de pontaria do feixe
Para assegurar um posição estável do feixe na óptica de medição por longos períodos de tempo

Processando o sinal de volta para o RLD

Sinais de erro do leitorEstado do sistemaInterpolação digitalSinais analógicos do leitor
Leitor laser: sinal de erro do leitor
Linhas de erro ativo, individuais para cada eixo laser, podem ser facilmente integradas ao sistema de feedback da máquina para operação de ciclo fechado
Leitor laser: status do sistema
Interface LED localizada na parte frontal da RLU para fornecer indicação intuitiva do status operacional
Leitor laser: interpolação digital
Quadratura digital RS422 reconhecida industrialmente e configurável pelo usuário, diretamente da RLU com opções de resolução de até 10 nm
Leitor laser: sinais analógicos laranja
Cabeçote detector analógico em tempo real que pode ser integrado diretamente ao sistema de feedback de posição

Como funciona o RLD?

Saída laser do RLD para a óptica de medição

Óptica do interferômetroAlinhador de feixe
Leitor laser: óptica do interferômetro

Exclusivos esquemas ópticos com SDE minimizado, compatível com óptica de medição com espelho plano ou retrorefletor.

Leitor laser: alinhador de feixe

Um dispositivo óptico utilizado para minimizar o tempo de instalação, que proporciona ajuste angular simplificado do feixe

Saída laser da óptica de medição para o RLD

Sinais analógicos do leitorEsquema de detecçãoÓptica de medição
Leitor laser: sinais analógicos verde

Quadratura analógica intrínseca gerada pelo esquema de detecção e enviada diretamente para a RLU

Leitor laser: esquema de detecção

O esquema de detecção de franja incorporado converte as franjas de interferência da medição e referência em sinal eletrônico

Leitor laser: óptica de medição

Espelhos altamente reflexivos com revestimento dielétrico de óxido duro

Sistemas HS20

HS20 sem tampa

O cabeçote laser HS20 da Renishaw combinado com um kit de óptica linear externo forma um sistema de leitor laser interferométrico sem contato para eixos longos e para aplicações de feedback de posição linear de elevada exatidão.

O cabeçote laser HS20 pode ser incorporado ao ciclo de controle de posição de qualquer sistema de controle de movimento que possa ser configurado para aceitar o formato de quadratura digital ou analógica de sinais do leitor. O cabeçote laser pode ser montado como substituto direto de sistemas de leitores lineares, tanto em aplicações OEM como em atualizações (retrofits).

Como o funciona o HS20?

Fonte do laserEletrônica de estabilizaçãoÓptica de medição

Sinais de
erro e aviso

Sinais de
feedback de leitor
HS20: fonte laser

Classe 2 estabilizada (<1 mW) laser HeNe

PCB RLE

Utilizada para controlar a estabilidade da frequência laser através da modulação do conjunto do cabeçote do tubo laser

HS20: óptica de medição

Soluções ópticas de longo alcance para comprimentos de eixos de máquina de até 60 m

HS20: sinais de erro e aviso

Linhas de erro ativo, individuais para cada eixo laser, podem ser facilmente integradas ao sistema de feedback da máquina para operação de ciclo fechado

HS20: sinais de feedback do leitor

Quadratura digital ou analógica de padrão industrial para feedback de posição de elevada exatidão

Sistemas de compensação

Muitas vezes assume-se que interferômetros laser proporcionam automaticamente o máximo em exatidão de medição. No entanto, em realidade a situação é mais complexa. Ao medir deslocamentos lineares no ar com um laser, o desempenho do sistema de compensação ambiental é particularmente importante. O laser e a óptica de medição interferométrica proporcionam níveis muito elevados de resolução linear e precisão, mas para aplicações "no ar", é a unidade de compensação ambiental a principal responsável pela exatidão de medição dos sistemas.

Os deslocamentos são representados em termos de um comprimento de onda especificado. Portanto, uma medição exata e repetível depende da constância do comprimento de onda. Quando o feixe laser se desloca através do ar, o comprimento de onda varia em função do índice de refração.

Por outro lado, a medição a partir do leitor não considera a dilatação da peça ou da estrutura da máquina devida às variações de temperatura.
Para compensar as fontes de erro mencionadas acima e assegurar a mais elevada exatidão em aplicações "no ar", é necessário um sistema de compensação.

Fatores ambientais que afetam a exatidão

Fatores de índice de refração:

Ícone temperatura do arÍcone umidadeÍcone pressão

Temperatura do ar

Umidade relativa

Pressão do ar

Dilatação térmica:

Ícone temperatura do material

Temperatura do material

Sistema de compensação RCU10

O sistema de compensação de quadratura em tempo real RCU10 compensa as fontes de erro ambiental em sistemas de movimento linear para melhorar a exatidão e repetibilidade de processo.

O RCU10 monitora o ambiente das máquinas através de uma série de sensores e utiliza um avançado processamento de sinal digital para executar a compensação em tempo real dos os sinais de feedback de posição. A unidade fornece os sinais de feedback corrigidos para o comando de movimento nos formatos de leitor analógico ou digital.

RCU10

Como o funciona o RCU10?

O diagrama mostra o esquema de funcionamento do RCU10.Esquema de funcionamento RCU10

A unidade de compensação RCU10 aceita quadratura digital e, junto com os dados ambientais coletados por uma série de sensores, calcula o valor total da compensação necessário para corrigir a posição do eixo. A compensação necessária é então aplicada através do escalonamento da quadratura e injeção (adição ou remoção de pulsos de quadratura) no sinal de feedback do leitor. A totalidade do processo sendo concluído com um mínimo de latência para o comando de movimento. Os sinais de feedback corrigidos são enviados para o comando de movimento em formatos de leitor digitais ou analógicos.