6. INTERFERENTNA MERNA TEHNIKA - dpm.ftn.uns.ac.rs i kvalitet... · neposredno povezivanje sa...

1

6 INTERFERENTNA MERNA TEHNIKA

61 MERNE METODE

Merenje dužina pomoću interferencije svetlosti predstavlja najtačniju dosadpoznatu metodu merenja Merenje se vrši pomoću talasne dužine svetlosti kojaje za odredjenu vrstu svetlosti pritisak temperaturu i vlažnost uvek istaSvetlosni zrak jedne odredjene svetlosti ima osim konstantne talasne dužine inepromenjenu amplitudu i nazivamo je intenzitetom svetlaZa dnevnu svetiost ilinormalno osvetljenjeλ2 iznosi 03microm

61 MERNE METODE

Posmatraćemo dva svetlosna zraka (A) i (B) (slika) iste monohromatskesvetlosti koja prolaze kroz stakleni sloj (S1) Zrak (A) prolazi kroz stakleni slojpada u tačku (1) odbija se i dolazi do oka posmatrača Zrak (B) izlazi iz sredine(S1) (tačka 1) prelama se u vazdušnom sloju (S2) odbija od donje površineravnog ogledala (tačka 2) pada u tačku (3) a odatle takodje dospeva uposmatračevo oko koje deluje kao sočivo

Vidimo odmah da zrak (B) ima duži put od zraka (A) Odnosno zrak (B) imaduži optički put koji je ravan proizvodu iz geometrijskog puta i indeksaprelamanja za tu sredinu Usled razlike u veličini optičkog puta dva posmatranazraka koja dospevaju u oko nastaje fazna razlika izmedju zraka (A) i (B) štoizaziva interferenciju (slaganje) svetlosti

2

61 MERNE METODE

Prilikom interferencije svetlosnih zraka imamo dva granična slučaja potiranje isuperpoziciju talasa zavisno od debljine vazdušnog slojah Na slici je prikazanainterferencija talasa dva zraka koherentne svetlosti jednakih amplituda i talasnihdužina ali pomerena za višestruku parnu vrednostλ2 Rezultujući talas bićedvostruke veličine amplitude 2A U oku posmatrača stvoriće se tada utisakpojačane svetlosti

Potiranje talasa nastaje u slučaju kada je jedan zrak u odnosu na drugi pomerenza višestruku neparnu vrednostλ 2 paće se u oku stvoriti utisak tame (slika b)

61 MERNE METODE

Za slučaj da je hneconst odnosno da je vazdušni sloj u obliku klina imaćemointerferentne svetle i tamne pruge Korišćenjem monohromatske svetlosti dobićese jasne crne i bele pruge a u slučaju da se koristi dnevna svetlost prugeće biti uvidu spektralnih boja

S obzirom da pri nejednakoj debijini vazdušnog sloja imamo različitu veličinuzazora u svakoj tačci to će na svim mestima gde je rastojanje jednako neparnombroju polutalasa biti tamne pruge Svaka tamna pruga povezuje sve tačke namernoj površini koje se nalaze na istom odstojanju h od staklene pločeInterferentne pruge znači možemo uporediti sa linijama na topografskimkartama gde svaka linija povezuje tačke površine koje se nalaze na istojnadmorskoj visini

3

Kada snop zraka presečemo kosom ravni dobićemo paralelne pruge kaoparalelne H-nije na razmaku odλ2 jedna od druge Ako imamo propuštanje belesvetlosti onda se rastojanje od jedne do druge pruge meri odsredine pruge isteboje (sl63)

Širina interferentnih traka zavisi mentildeutim od veličine ugla vazdušnog klina i odtalasne dužine primenjene svetlosti i njihov mentildeusobni odnos je dat izrazom

αλ2

=b

gde jeb - širina trakeλ ndash talasna dužina klinaα ndash ugao klina

61 MERNE METODE

Merenje dužine pomoću interferencije svetlosti može se vršiti kao apsolutnomerenje ili kao uporedno Ako želimo da izvršimo apsolutno merenjepostavićemo na jednu ravnu naslonu površinu (kvarcna ploča 2) (slika) graničnumerku (1) a preko njih planparalelnu staklenu ploču (3) s tim da sto bude malozakošen u odnosu na staklenu ploču kako bi se stvorio vazdušni klinPropustićemo tada snop svetla paralelan sa planparalelnom pločom tako daćedoći do presecanja tamnih interferentnih površina sa merkom i stolom paćemo uvidnom polju okulara videti tamne pruge na merci koje su u odnosu na prugestola pomaknute za odredjeni deo vrednostiλ2

61 MERNE METODE

4

S obzirom da je nemoguće prebrojati celokupan broj polovina talasnih dužinakoje su sadržane u dužini jedne merke jer je vrlo veliki toće se izmeriti veličinapomeranja pruge merke u odnosu na prugu na stolu

Samo merenje se vrši na taj način što se merka prethodno izmeri (sa tačnošću odpribližno 3microm) i iz tabele izvadi tačan broj A2 za odredjenu dužinu a zatim seodredjuje veličina medjusobnog pomeranja pruga merke i stola

61 MERNE METODE

22i

ii

i nxlλλ

+=

gde je

xi - ceo broj pruga za odrentildeenu boju

ni - razlomak deo talasne dužine

λi - talasna dužina odrentildeene boje

62 MERENJE PRIMENOM PLAN-PARALELNIH PLOČICA

Metodom interferencije svetlosti vrši se provera uravnjenosti malih preciznihpovršina merki i mernih instrumenata graničnih merila pipaka mikrometarastola mernih uredjaja i drugo

Plan-paralelne pločice izradjuju se od optičkog stakla velike tačnosti (slika)

One se naslanjaju na ispitivanu površinu i osvetlednevnom ili monohromatskom svetlošću Ukolikonaslanjanje na površinu zbog neuravnjenosti nijepotpuno stvoriće se vazdušni klin koji omogućujepojavu interferentnih pruga Prema obliku I brojuovih pruga može se doneti sud o uravnjenostikontrolisane površine Dozvoljeno odstupanjeuravnjenosti planparalelnih stakala iznosi 01micromFirma Zeiss ih izrantildeuje u 4 veličine

Američka firma Do All izradjuje planparalelne pločeprečnika 10 i 20 za kontrolu uravnjenosti većnhpovršina

5


Na slici prikazan je izgled odnosno oblik i raspored interferentnih pruga zarazličite slučajeve neuravnjenosti ispitivane površine

Planparalelno staklo (PS) nagnuto je prema radnom predmetu(R) Posmatranjese vrši upravno odozdo ili koso Za slučaj da je posmatrana površina ravnavideće se slika pravih interferentnih pruga na jednakom medjusobnom rastojanju(slika)

Delimično ravna a delimično zaobljenapovršina daće sliku pravih pruga saneravnomernim medjusobnim rastojanjem(slika b)

Ako merni predmet ima bočno zakošenjestvoriće se kose pruge (slika c) Sfernepovršine konveksne konkavne ikombinovane daće kružni tok prugaodnosno nastaju koncentrični krugovi ilidelovi takvih krugova (slike def)


Odstojanju pruga S tj odstojanju sredine dveju susednih istobojnihinterferentnih pruga odgovara visinska razlika nivojskih površina na površirnmernog predmeta koja je ravnaλ2 Neuravnjenost se tada dobija sabiranjeminterferentnih pruga i množenjem toga zbira sa polovinom talasne dužinesvetlosti sa kojom vršimo merenje Visinska razlika na mernoj površini prematome iznosi (p + k)λ2 a neuravnjenostplusmn(p + k) λ4 pri čemu je p - broj celihodstojanja pruga a k - ostatak procenjenog dela širine pruge (slika)

6


Na levoj slici dat je primer jednog postolja mernog uredjaja Desna slikaprikazuje kontrolu uravnjenosti mernog pipka micrometragde prva slikapredstavIja dobru mernu površinu sa jednom interferentnom prugom Pridnevnom svetlu (λ2 03microm) neuravnjenost iznosiplusmn015microm (Monohromatskasvetlost emitovana iz talijum lampe ima talasnu dužinu ~027 microm) Druga slikadaje izgled i broj pruga pri kontroli jedne neupotrebljive merne površine Imamošest interferentnih kružno savijenih pruga sa pet medjusobnih odstojanja pa jevisinska razlika 5λ2 =15microm odnosno neuravnjenostplusmn075microm što prevazilazidozvoljenu grešku (prema DIN 863)

63 INTERFEROMETRI

Interferometri za merenje dužina koriste optičku šemu Michelson-a koji je prviprimenio interferenciju svetlosti za merenje dužina Prosta šema Micheison-ovoginterferometra data je na slici

Svetlosni zraci iz sijalice (1) prolaze kroz sočivo (2) i padaju na poluprovidnuploču (3) koja je presvučena vrlo tankim slojem srebra i nagnuta pod uglom od45deg Jedan deo zraka prolazi kroz sočivo pada na ogledalo (4) vraća se do ploče(3) odbija se od njene donje strane i dospeva u oko

7

63 INTERFEROMETRI

Drugi deo zraka se odbija od ploče (3) i pada na ogledalo (5) vraća prolazi krozpoluprovidnu ploču i takodje dolazi do oka posmatrača Pošto su rastojanja odploče (3) do ogledala (5) odnosno (4) različitato je optički put koji prelaze ovedve grupe zraka različit pa nastaje interferencija Isto dejstvo bismo imali i kadbi se zraci odbijaii od ogledala (5) i zamišljene ploče (4rsquo) postavljene naudaljenju h koje predstavlja debljinu vazdušnog sloja izmedju dveju paralelnihploča Naginjanjem jedne ploče dobijamo vazdušni klin

Ako postavimo sada sto sa radnim predmetomumesto ogledala (4) sačije se površine kao saogledala odbijaju svetlosni zraci moći ćemotada vršiti apsolutna ili uporedna merenja

63 INTERFEROMETRI

Firma Zeiss proizvodi interferentni komparator konstrukcije Koster-a (sl 612)Svetlost helijuma ili kriptona iz Gajslerove cevi (1) pada na prizmu (2)čijezakretanje pomoću vijka (3) omogućuje korišćenje željene boje Jedan deo zrakapo izlazu iz prizme pada na ogledalo (4) odbija se od njega i prolazi kroz ploču(5) pa se odbija od ogledala (6) i dospeva u oko

Drugi deo zraka prolazikroz poluprovidnoogledalo (4) i pada na sto(7) sa merkom (8) vraćase i odbija od donje stranepoluprovidne pločeprolazi kroz sočivo (9) ikroz okular (10) dospevau oko zajedno sa prvomgrupom zraka

8

63 INTERFEROMETRI

Pri malom naginjanju stola dobićemo interferentne pruge kojeće se pojaviti nakvarcnoj ploči i mernom predmetu medjusobno pomerene jedne u odnosu nadruge Iz veličine ovog pomeranja kao što smo videli (stvarne veličine ns) i izpoznatih teorijskih vrednosti dužina dobićemo stvarnu meru merke

Tačnost kod apsolutnog merenja iznosi

mLmm micro

+plusmn1500

020

Kod uporedne metode merenja merka se kontroliše uporedjivanjem sa poznatomveličinom merke Tačnost merenja iznosi

mLmm micro

+plusmn1000

050

64 LASERSKI INTERFEROMETRI

Noviji uredjaji koji su dobili svoje mesto u proizvodnoj metrologiji posebno zamerenje dužina su laserski interferometri koji predstavljaju optičkoelektronskeinstrumente visoke preciznosti Njihov digitaini izlaz merene veličine omogućujeneposredno povezivanje sa CNC-mašinama (numerički upravljanim)

Laseri imaju mogućnost merenja od nekoliko mikrometara do vrlo velikihdaljina LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(Pojačavanje svetla pomoću indukcionog zračenja) U prvu grupu spadaju laseriza merenje dužina do 50 m u drugu telemetri sa modularnim zracima od 100 do5104 m i optičke radare za daljine preko 104 m

Pojava lasera uvela je nov svetlosni izvor koji ima mnoge prednosti u odnosu naizvore koje su koristili klasični interferometri Laser emituje snop fotona (uzanisnop svetla) koji je monohromatičan linearno polarizovan koherentan(neprekidan u prostoru i vremenu) i visokog intenziteta emisije pa su zraciskoro na neograničenom rastojanju paralelni

9

Posebna prednost uredjaja sa laserskom svetlošću je ta što su interferentne prugezbog paralelnosti zraka vrlo jasne bez rasipanja

Osnovni elementi lasera su aktivna materija rezonator eksitacioni sistem apomoćni su izvor napajanja sigurnosni i sistem za hladjenje optička idijagnostika

Za aktivne materije koriste sečvrsti tečni i gasoviti materijaliČvrste materijesu kristalne strukture (sintetički rubin i slično) ili amorfne (staklo plastika)

Gas kao aktivna materija može biti (i) He-Ne (atomski gasnilaseri) (ii) Ar KrHe (jonski laseri) i (iii) CO2-N2-He i slično (molekularni gasni laseri)


Gasni laser prikazan je na slici Sadrži aktivno telo (1) eksitacioni sistem (2)rezonator - sklop nepokretnog i pokretnog ogledala (3) fotodetektor (4)pojačivač (5) i piezokristal (6)

Eksitacioni sistem služi za pobudjivanje atoma aktivne materije (čvrste kao štoje rubin tada pobudjuje atome hro-ma) i jonizacije gasa Jonizacijom gasapobudjuju se atomi i dovode na viši energetski nivo pa je razlika energetskihnivoa ravna

E=h f

h-plankova konstanta f-frekvencija


10

Interferometar sa laserskim izvorom svetla (slika) sastoji se iz jednofrekventnoglasera (1) interferometra učiji sastav ulaze poluprovidna ploča (2) nepokretnoogle dalo (3) i pokretno (4)

Nepokretno ogledalo postavljeno je na referentnu dužinu Lr dok se površinapokretnog ogledala na početku merenja postavlja u tačku (A) a na kraju u (B)dejstvom pokretača (10) na mikrometarski zavrtanj (9)


Laserski zraci (LZ) se dele kod nagnute poluprovidne ploče (2) tako da se jedansnop odbija od njegove gornje površine i dospeva do ogledala(4) i vraća a drugideo zraka prolazi kroz ploču stiže do (3) i vraća se prelazeći pri tome različitioptički put od prvobitnog snopa što izaziva interferenciju svetlosti Interferentnaslika projektuje se tada na osetljivu površinu fotodetektora (5) Pomeranjemogledala (4) za talasnu dužinu svetla osvetIjenost površine fotodetektora prolazidvaput kroz svoj minimum odnosno maksimum

U fotodetektoru se ovaj optičkisignal pretvara u električni koji sezatim pojačava u pojačivaču (6)zatim sabira i obradjuje u brojaču(7) i prikazuje na digitalnompokazivaču (8)


11

Umesto ravnih odnosno sfernih ogledala reflektora koriste se kod novijihkonstrukcija prostorne prizme (slika)

Laserski izvor svetlosti (1) daje jednofrekventnu i monohromatsku svetlost kojase polovi kod pločice (2) Trostruka prizma (4) je nepokretna a (5) pokretnaDodatna pločica je pri tome postavijena na optički put zraka od pomičnogogledala tako da se menja faza polovine zraka zaλ2 Uz korišćenje dodatnogfotodetektora (7) (pored uobičajenog) (6) razlaže se praktično uredjaj na dva

interferometra koja su faznopomerena zaλ 2 Izmedju izlaznihsignala iz fotodetektora (6) i (7)nastaje tada fazni pomeraj zaλ2Električni signali iz (6) i (7)dospevaju u reverzibilni brojač afazna razlika omogućuje da brojačdobije informaciju o smeru kretanja


Osim ovih konvencionalnih interferometara postoje i dvofrekventniinterferometri (sl 616) koji dele dvofrekventni laserski snop zraka iz izvora (1)dejstvom ploče (2) na dva snopa frekvencije f1 i f2 Jedan deo zraka usmerava seka fotodetektoru (7) i iz njega izlazi kao referentni signal frekvencije fR = f1-f2Drugi deo zraka dolazi do frekventne deobene ploče (3) koja usmerava zrakefrekvencije f1 ka pokretnoj a f2 ka nepokretnoj prizmi Odbijeni zraci od prizmise sustiču kod deobene ploče optički mešaju i usmeravaju ka fotodetektoru (6)


12

To je merni signalčija je frekvencija

fM=f1-f2 plusmn ∆f1=fRplusmn∆f1

Pri tome je


cVff 2 11 plusmn=∆gde je

V- brzina pomeranja pokretne prizme

c- brzina svetlosti

2

61 MERNE METODE

Prilikom interferencije svetlosnih zraka imamo dva granična slučaja potiranje isuperpoziciju talasa zavisno od debljine vazdušnog slojah Na slici je prikazanainterferencija talasa dva zraka koherentne svetlosti jednakih amplituda i talasnihdužina ali pomerena za višestruku parnu vrednostλ2 Rezultujući talas bićedvostruke veličine amplitude 2A U oku posmatrača stvoriće se tada utisakpojačane svetlosti

Potiranje talasa nastaje u slučaju kada je jedan zrak u odnosu na drugi pomerenza višestruku neparnu vrednostλ 2 paće se u oku stvoriti utisak tame (slika b)

61 MERNE METODE

Za slučaj da je hneconst odnosno da je vazdušni sloj u obliku klina imaćemointerferentne svetle i tamne pruge Korišćenjem monohromatske svetlosti dobićese jasne crne i bele pruge a u slučaju da se koristi dnevna svetlost prugeće biti uvidu spektralnih boja

S obzirom da pri nejednakoj debijini vazdušnog sloja imamo različitu veličinuzazora u svakoj tačci to će na svim mestima gde je rastojanje jednako neparnombroju polutalasa biti tamne pruge Svaka tamna pruga povezuje sve tačke namernoj površini koje se nalaze na istom odstojanju h od staklene pločeInterferentne pruge znači možemo uporediti sa linijama na topografskimkartama gde svaka linija povezuje tačke površine koje se nalaze na istojnadmorskoj visini

3



αλ2

=b


61 MERNE METODE


61 MERNE METODE

4



61 MERNE METODE

22i

ii

i nxlλλ

+=

gde je









5








6



63 INTERFEROMETRI



7

63 INTERFEROMETRI



63 INTERFEROMETRI



8

63 INTERFEROMETRI



mLmm micro

+plusmn1500

020


mLmm micro

+plusmn1000

050





9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

3



αλ2

=b


61 MERNE METODE


61 MERNE METODE

4



61 MERNE METODE

22i

ii

i nxlλλ

+=

gde je









5








6



63 INTERFEROMETRI



7

63 INTERFEROMETRI



63 INTERFEROMETRI



8

63 INTERFEROMETRI



mLmm micro

+plusmn1500

020


mLmm micro

+plusmn1000

050





9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

4



61 MERNE METODE

22i

ii

i nxlλλ

+=

gde je









5








6



63 INTERFEROMETRI



7

63 INTERFEROMETRI



63 INTERFEROMETRI



8

63 INTERFEROMETRI



mLmm micro

+plusmn1500

020


mLmm micro

+plusmn1000

050





9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

5








6



63 INTERFEROMETRI



7

63 INTERFEROMETRI



63 INTERFEROMETRI



8

63 INTERFEROMETRI



mLmm micro

+plusmn1500

020


mLmm micro

+plusmn1000

050





9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

6



63 INTERFEROMETRI



7

63 INTERFEROMETRI



63 INTERFEROMETRI



8

63 INTERFEROMETRI



mLmm micro

+plusmn1500

020


mLmm micro

+plusmn1000

050





9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

7

63 INTERFEROMETRI



63 INTERFEROMETRI



8

63 INTERFEROMETRI



mLmm micro

+plusmn1500

020


mLmm micro

+plusmn1000

050





9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

8

63 INTERFEROMETRI



mLmm micro

+plusmn1500

020


mLmm micro

+plusmn1000

050





9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

9








E=h f



10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

10







11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

11







12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

12



Pri tome je




c- brzina svetlosti

6. INTERFERENTNA MERNA TEHNIKA - dpm.ftn.uns.ac.rs i kvalitet... · neposredno povezivanje sa...

Documents

Transcript of 6. INTERFERENTNA MERNA TEHNIKA - dpm.ftn.uns.ac.rs i kvalitet... · neposredno povezivanje sa...