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La moderna interferometria per misure industriali: stato dell'arte S. Donati, G. Giuliani Laboratorio di Elettroottica - Dipartimento di Elettronica - Università di Pavia e-mail: [email protected] , [email protected]. Introduzione. - PowerPoint PPT Presentation
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Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali
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La moderna interferometria per misure La moderna interferometria per misure industriali: stato dell'arteindustriali: stato dell'arte
S. Donati, G. GiulianiLaboratorio di Elettroottica - Dipartimento di Elettronica - Università di Pavia
e-mail: [email protected], [email protected]
Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali
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IntroduzioneIntroduzione
Viene illustrata la tecnica convenzionale di interferometria laser, descrivendone i principi e gli sviluppi strumentali. In parallelo, viene presentata la configurazione interferometrica a retroiniezione, basata su diodo laser. Quest’ultima consiste in un approccio più semplice ed economico, che consente la realizzazione di strumenti di misura adatti agli impieghi industriali.
Vengono prese in rassegna le principali applicazioni dell’interferometria alle misure industriali, di laboratorio e di controllo di processo. Sono analizzate le misure di spostamenti, velocità, distanza, e vibrazioni, illustrandone le peculiarità ed i limiti operativi, ed effettuando il confronto con tecniche alternative.
Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali
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SommarioSommario
Interferometria laser convenzionale Interferometria a retroiniezione con diodo laser Applicazioni industriali:
Misura di spostamenti Misura di velocità Misura di distanza Misura di vibrazioni Altre applicazioni
Conclusioni
Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali
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Applicazioni delle tecniche Applicazioni delle tecniche interferometricheinterferometriche
Interferometria laserInterferometria laser
Impieghi tecniciImpieghi tecnici Impieghi scientificiImpieghi scientifici
AvioniciAvionici
• giroscopi RLG e FOG
IndustrialiIndustriali• interferometri per
metrologia meccanica
• velocimetri Doppler
• ESPI (speckle-pattern)
• analisi di vibrazioni
• sensori a fibra ottica
s s 1-100 km 1-100 km• telemetria spaziale di satelliti geodeticis s 100 m 100 m• rilievo di meree terrestri• vibrometria per grandi strutture edilis s 1 m 1 m• metrologia di lunghezza (e grandezze
derivate)• gravimetri geodeticis s 0.1 m 0.1 m• captazione motilità biologiche e flusso
sanguigno
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Mercato mondialeMercato mondiale
Anno di riferimento: 1997 Fonti: OIDA, Laser Focus
Volume[milioni di $]
Incremento Anno di sviluppo
Interferometri laser 490 +5 % 1968Velocimetri LaserDoppler e Vibrometri
570 +5 % 1975
ESPI (speckle-pattern) 70 +5 % 1974Misura diametri edimensioni
50 +5 % 1970
Telemetri e geodimetri 272 -0.5 % 1970Misure diAllineamento
67 +10 % 1970
Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali
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InterferometriaInterferometriaPrincipio - 1Principio - 1
Interferometro ottico (lenti, specchi divisori di fascio)
+ Luce di lettura (laser He-Ne: coerenza spaziale e temporale)
= Misura di spostamento con accuratezza e risoluzione <
LASER BERSAGLIO
SPECCHIO
DIVISORE DI FASCIO
FOTORIVELATORE
FASCIOLASER
Interferometro a configurazione Mach-ZehnderInterferometro a configurazione Mach-ZehnderCAMMINO DIRIFERIMENTO
CAMMINO DIMISURA
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InterferometriaInterferometriaPrincipio - 2Principio - 2 Interferometro a doppio fascio (per rimuovere l’ambiguità
della funzione interferometrica “coseno”)
I1 = I0·[1 + cos(2ks)]
I2 = I0·[1 + sin(2ks)]
k = 2/ = numero d’onda
s = spostamento del bersaglio
Corner-cubedi riferimento
Fotorivelatori
Corner-cube fissato al bersaglio mobile
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Misura di spostamentoMisura di spostamentoPrestazioniPrestazioni
La misura dello spostamento è incrementale (per poter misurare la distanza tra due punti il bersaglio deve compiere tutto il cammino compreso tra essi)
Risoluzione: tipica: /8 = 0.079 m;
spostamento equiv. di rumore: < 1 pm per B = 1 Hz Precisione: 1 ppm (con correzione per T e P)
Applicazioni industriali: Misura di coordinate di macchine utensili e di robot, taratura,
automazione industriale, tecnologia dei semiconduttori
Svantaggi: costi elevati, necessità di usare un bersaglio riflettente, procedura di allineamento complessa
Tecniche concorrenti: misure a contatto, righe ottiche
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Interferometria a retroiniezioneInterferometria a retroiniezionePrincipioPrincipio
L’Interferometria a Retroiniezione (o Modulazione Indotta) è una tecnica innovativa sviluppata presso l’Università di Pavia
La sorgente laser è a semiconduttore (non a gas) ed è parte integrante dell’interferometro
Una piccola frazione del campo retrodiffuso dal bersaglio rientra nella cavità laser, generando un segnale interferometrico sulla potenza emessa dal laser
Vantaggi: assenza del cammino di riferimento, ridotto uso di ottiche, dimensioni compatte, basso costo
DIODOLASER
CAMMINODI MISURA
FOTODIODODI MONITOR
BERSAGLIO = 9 mm
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Interferometria a retroiniezioneInterferometria a retroiniezioneMisura di spostamenti - 1Misura di spostamenti - 1
Il segnale interferometrico è a dente di sega, ed è possibile discriminare il verso di movimento tramite un solo canale interferometrico. Si genera una frangia interferometrica ogni volta che il bersaglio si sposta di /2
Schema per la misura di spostamenti con risoluzione /2 = 400 nm [3]
DIODOLASERMONITO
R PD
s
LENTEBERSAGLIO
Target displacement
[20
mV
/div
][1
.2m
/div
]
Segnale dimodulazione indotta
[200ms/div]
spostamentodel bersaglio
100 s/div
Segnale dimodulazione indotta
DerivataAmplitransimp.
Up
DerivataDiscrimin.Polarità
Contatore
Up-Down
Display
Down
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Interferometria a retroiniezioneInterferometria a retroiniezioneMisura di spostamenti - 2Misura di spostamenti - 2
Elevata sensibilità della configurazione a retroiniezione+
Sistema di inseguimento di speckle=
Interferometro per misure di spostamenti su superfici diffondenti [4]
TESTA OTTICA UNITA’ELETTRONICA
INTERFACCIA PC
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Interferometria convenzionaleInterferometria convenzionaleMisura di velocitàMisura di velocità
Bersaglio riflettente: mis. spostam. + derivata (d/dt) Sistemi di particelle sospese in fluidi: Laser Doppler
Velocimetry - LDV (anemometria)
Velocità trasversale di superfici rugose (cartiere, estrusioni)
FLUSSO PARTICELLE
FASCI LASER
FRANGE DIINTERFERENZA
SEGNALE DIINTERFERENZA
TEMPO
T
LASER
OTTICHE DI SEPARAZIONEE RICOMBINAZIONE FASCI
RIVELATORE SUPERFICIEIN MOVIMENTO
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Interferometria a retroiniezioneInterferometria a retroiniezioneMisura di velocitàMisura di velocità
Non richiede la separazione e la ricombinazione del fascio od un rivelatore separato: allestimento più compatto
Misura di velocità sino a 60 m/s Possibilità di impiegare circuiti di inseguimento di speckle per
rimediare alla perdita di segnale dovuta alla rugosità della superficie
DIODO
LASER
TAMBURO ROTANTE DISCO ROTANTE
DIODO
LASER
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Interferometria a retroiniezioneInterferometria a retroiniezioneMisura di distanza assolutaMisura di distanza assoluta
Interferometria convenzionale: uso di lunghezze d’onda multiple ( “sintetica”) [5]. Approccio complesso .
Interferometria a retroiniezione: modulazione della lunghezza d’onda di emissione del laser + conteggio frange di interferenza. Semplicità realizzativa .
Accuratezza: < 1 mm su distanze 13 m (10 m possibile) Tecniche alternative: Telemetria, Triangolazione
BERSAGLIODIFFONDENTE
sMODULAZIONEDI CORRENTE
DIODOLASER
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Interferometria convenzionaleInterferometria convenzionaleMisura di vibrazioniMisura di vibrazioni Principio: LDV su superfici diffondenti o ESPI [6] Prestazioni velocità: da pochi m/s a 1000 mm/s
frequenze: da 0.01 Hz a 20 MHz
Applicazioni: analisi modale, automotive, altoparlanti, PZT, strutture edili, NDT
Svantaggi: costo elevato (1D: 20 kEuro; 2D: 200 kEuro)
SCHEMA: INTERF.di MICHELSON
LASER He-Ne
ESPANSOREDI FASCIO
BERSAGLIOVIBRANTE
SEZIONE DIRIVELAZIONE
POSSIBILITA’ DI
SCANSIONE 2D
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Interferometria a retroiniezioneInterferometria a retroiniezioneMisura di vibrazioni - 1Misura di vibrazioni - 1
Principio: aggangio a metà frangia interferometrica tramite circuito elettronico di retroazione che agisce sulla del laser servo-vibrometro con dinamica >> /4 [7]
Configurazione ottica estremamente semplice
DIODOLASER
-A
FILTROLP
CIRC. DIRETROAZIONE
CONV. V IAMP.
TRANS-Z
FDMONITOR
SPOSTAMENTODEL BERSAGLIO
SEGNALE
OUT
L1 L2
BERSAGLIODIFFONDENTE
TESTA OTTICA
DIODOLASER
SEGNALEMOD. IND.
= 2ks
t
t
PRINCIPIO: AGGANCIO A META’ FRANGIA
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Interferometria a retroiniezioneInterferometria a retroiniezioneMisura di vibrazioni - 2Misura di vibrazioni - 2
Sensibilità: 100 pm/Hz Max. vibrazione: 600 m p-p Banda: 70 kHz Dinamica > 100 dB
Funzionamento su tutte le superfici rugose Vantaggi: misura combinata vibrazione/
distanza/spostamento; basso costo (fattore 2-4 risp. LDV) sensore di linea industriale
0 40 80 120 160 200100 pm
1 nm
10 nm
100 nm
1 um
10 um
Frequency [Hz]
RM
S D
isp
lacem
en
t
MOTOREA 2100 RPM
TESTA OTTICAUNITA’ ELETTRONICA
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ConclusioniConclusioni
Le tecniche interferometriche hanno ottenuto un notevole successo nell’ambito scientifico ed industriale, grazie alla non-invasività ed all’elevata accuratezza.
Per alcune applicazioni (soprattutto nel campo dei sensori e delle misure in linea) il costo elevato costituisce un ostacolo alla diffusione di questi metodi.
E’ stata presentata la tecnica interferometrica a modulazione indotta sviluppata dall’Università di Pavia che, grazie alla semplicità realizzativa ed al basso costo, è particolarmente indicata per le applicazioni industriali.
Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali
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BibliografiaBibliografia
[1] F. Docchio, S. Donati, “L’interferometro laser per l’industria”, AEI, Milano, 1995.
[2] J. Dukes, G. Gordon, “A two-hundred foot yardstick with graduation every microinch”, Hewlett Packard Journal, v. 21, p. 2, 1970.
[3] S. Donati, G. Giuliani, S. Merlo, "Laser diode feedback interferometer for measurement of displacements without ambiguity", IEEE J. Quantum Electron., v. 31, pp. 113-119, 1995.
[4] M. Norgia , S. Donati, D. D'Alessandro : "Interferometric Measurements of Displacement on a Diffusing Target by a Speckle-Tracking Technique", IEEE J. Quantum Electron., v. 37, pp. 800-806, 2001
[5] U. Minoni, E. Gelmini, “Interferometria a multi-lunghezza d’onda”, in: F. Docchio, S. Donati, “L’interferometro laser per l’industria”, AEI, Milano, 1995, pp. 127-143.
[6] M. Facchini, G. Martini, “Interferometria Speckle Pattern Elettronica a fibra ottica”, in: F. Docchio, S. Donati, “L’interferometro laser per l’industria”, AEI, Milano, 1995, pp. 145-166.
[7] G. Giuliani, S. Donati, L. Monti, “Self–Mixing Laser Diode Vibrometer with Wide Dynamic
Range”, 5th Intl. Conf. on Vibration Measurements by Laser Techniques, Ancona, June 2002. [8] V. Annovazzi-Lodi, S. Merlo, M. Norgia, "Comparison of Capacitive and Feedback-
Interferometric Measurements on MEMS”, IEEE J. Microelectromech. Syst., v. 10, pp. 327-335, 2001.