Traductoare de deplasare cu laser

Traductoare de deplasare cu laser

Tehnica frecvent întâlnita, care utilizeaza laserul, pentru masurarea deplasarii este interferometria.Datorita complexitatii lor, interferometrele laser sunt denumite sisteme de masurare , dar acestea pot fi încadrate în categ 818e45i oria traductoarelor.

Principiul metodei interferometrice, de masurare a deplasarilor, are la baza compararea distantei de masurat cu lungimea de unda emisa de o sursa de referinta si exprimarea acestei distante printr-un numar proportional cu numarul de franje de interferenta sesizate într-un anumit punct. În continuare se descrie principiul de masurare. Se considera sursele S si de oscilatii armonice într-un mediu omogen si izotrop, care emit unde de aceeasi amplitudine, aceeasi frecventa si cu diferenta de faza nula. Se noteaza expresiile undelor emise de cele doua surse prin :

Fig. 4.22- Principiul interferometriei

Se considera punctul P situat la distanta fata de sursa si la distanta fata de sursa , iar cele doua distante sunt considerabil mai mari decât distanta dintre sursele S₁ si S₂ (figura 4.22). Semnalul rezultat în P este dat de relatia:

Daca = = , relatia anterioara devine:

(4.31)

Amplitudinea oscilatiei în punctul P este:

Se observa ca amplitudinea semnalului în P este maxima pentru : ; adica pentru:

De asemenea, amplitudinea semnalului în P este minima pentru : , adica pentru , unde k are valori întregi consecutive.

Relatia (4.32) arata ca prin interferenta rezulta unde stationare în spatiu, deoarece amplitudinea depinde de pozitia lui P prin termenul (), iar pentru un punct (P) fixat este independenta de timp.

Deci amplitudinea undei rezultante este o masura a diferentei de drum () dintre cele doua unde si implicit o masura a distantei dintre cele doua surse. Unitatea de masura care exprima aceasta dependenta este lungimea de unda. Determinarea în P a doua maxime de amplitudine succesive însemnând o crestere (scadere) a distantei dintre surse cu .

Particularizând natura oscilatiilor la radiatia luminoasa si impunând conditiile ca fasciculele de lumina care interfereaza sa fie omogene (monocromatice) si coerente (cu diferente de faza constanta), relatiile anterioare ramân valabile. Zonele de maxim si minim vor purta în acest caz denumirea de franje de interferenta (de maxim si de minim).

Daca si S₂ sunt doua surse de lumina situate pe aceeasi dreapta si P un plan perpendicular pe dreapta, imaginea obtinuta în planul P va fi o familie de cercuri, concentrice cu centrul la intersectia dreptei cu planul, luminoase (pentru ), si cercuri întunecate pentru []. Aceasta imagine de cercuri se modifica odata cu variatia distantei dintre surse, astfel încât în acelasi punct P se succed zone de iluminare maxima sau/si minima pentru deplasari relative ale unei surse fata de cealalta.

Rezulta ca metoda ce trebuie aplicata pentru masurarea distantei (deplasarii) este plasarea în punctul P a unui fotoelement care sa sesizeze trecerea succesiva prin zone de iluminare maxima si implicit, variatia distantei cu

Aplicarea principiului de masurare a deplasarii, descrisa anterior, este posibila daca se utilizeaza un aparat numit Interferometrul MICHELSON[16]. Acest interferometru are schema de principiu prezentata în figura 4.23, unde semnificatiile notatiilor sunt:

Fig. 4.23 - Principiul interferometrului Michelson

L -laser cu heliu - neon; si - sistem de lentile; S - oglinda semitransparenta;si oglinzi reflectoare; S.D - sistem de detectie a franjelor de interferenta; si - lungimi diferite între S si oglinzile ,.

Fasciculul luminos provenit de la laserul L este trecut prin sistemul de lentile pentru a-i reduce divergenta, apoi divizat de oglinda semitransparenta S. Cele doua fascicule sunt reflectate de oglinzile si iar prin suprapunere aceste fascicule dau nastere unui fenomen de interferenta, materializat printr-un sistem de franje.

Pornind de la relatia (4.31) care exprima variatia armonica a intensitatii luminoase într-un punct si de la faptul ca intensitati luminoase egale se succed la intervale de (echivalente cu deplasari ) rezulta defazajul :

unde d este 2() - este diferenta de drum parcursa de cele doua fascicule.

Considerând initial si , o lungime orientata de-a lungul unuia dintre bratele interferometrului (pe directia sau ) va fi masurata prin deplasarea oglinzii respective ( sau ). În acest caz defazajul care apare este o masura directa a raportului dintre l si lungimea de unda a radiatiei de referinta (laser).

Sistemul de franje este sesizat de doua fotomultiplicatoare asezate astfel încât sa primeasca simultan lumina maxima si respectiv minima. Acest lucru corespunde unui defazaj de .

Aceasta diferenta de faza este dependenta de valoarea absorbita a lui si permite determinarea sensului de deplasare al oglinzii mobile.

Un circuit logic, cuplat cu un numarator reversibil, primeste semnale de la cele doua fotomultiplicatoare, adaugând o unitate pentru o deplasare cu într-un sens si scazând o unitate pentru o deplasare cu în sens contrar. Rezulta o precizie de masurare egala cu care poate fi crescuta prelucrând numeric defazajul pentru deplasari mai mici decât , daca raportul creste la detector. Doua variante constructive de interferometre cu laser sunt prezentate în [2].

Performante:

În comparatie cu alte tipuri de traductoare pentru deplasare, interferometrele asigura performante superioare:

eroarea riglei interferometrice ;

neliniaritatea indicatiilor:;

sensibilitatea curenta:;

reproductibilitatea mare a unitatii de masura în limitele 10^-8.10 ^-10 ;

efectuarea masurarilor fara contact si în locuri greu accesibile;

fiabilitate metrologica ridicata.

Observatie: Traductoarele bazate pe tehnica interferometrica sunt utilizate cu succes în masurarea cotelor, deplasarilor si avansurilor la masinile-unelte. Echipamentele industriale realizate pe aceste principii contin traductoare de înalta performanta si sunt prevazute cu dispozitive de afisare si /sau conversie, destinate conducerii automate.