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Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 1 La moderna interferometria per misure.

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Presentazione sul tema: "Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 1 La moderna interferometria per misure."— Transcript della presentazione:

1 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 1 La moderna interferometria per misure industriali: stato dell'arte S. Donati, G. Giuliani Laboratorio di Elettroottica - Dipartimento di Elettronica - Università di Pavia

2 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 2 Introduzione  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.

3 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 3 Sommario  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

4 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 4 Applicazioni delle tecniche interferometriche Interferometria laser Impieghi tecnici Impieghi scientifici Avionici giroscopi RLG e FOGIndustriali interferometri per metrologia meccanica velocimetri Doppler ESPI (speckle-pattern) analisi di vibrazioni sensori a fibra ottica s  km telemetria spaziale di satelliti geodetici s  100 m rilievo di meree terrestri vibrometria per grandi strutture edili s  1 m metrologia di lunghezza (e grandezze derivate) gravimetri geodetici s  0.1 m captazione motilità biologiche e flusso sanguigno

5 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 5 Mercato mondiale  Anno di riferimento: 1997  Fonti: OIDA, Laser Focus

6 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 6 Interferometria Principio - 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 FASCIO LASER Interferometro a configurazione Mach-Zehnder CAMMINO DI RIFERIMENTO CAMMINO DI MISURA

7 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 7 Interferometria Principio - 2  Interferometro a doppio fascio (per rimuovere l’ambiguità della funzione interferometrica “coseno”) I 1 = I 0 ·[1 + cos(2ks)] I 2 = I 0 ·[1 + sin(2ks)] k = 2  / = numero d’onda s = spostamento del bersaglio Corner-cube di riferimento Fotorivelatori Corner-cube fissato al bersaglio mobile

8 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 8 Misura di spostamento Prestazioni  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 =  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

9 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 9 Interferometria a retroiniezione Principio  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 DIODO LASER CAMMINO DI MISURA FOTODIODO DI MONITOR BERSAGLIO  = 9 mm

10 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 10 Interferometria a retroiniezione Misura 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] DIODO LASER MONITOR PD s LENTE BERSAGLIO Target displacement [20mV/div] [1.2  m/div] Segnale di modulazione indotta [200ms/div] spostamento del bersaglio 100  s/div Segnale di modulazione indotta Derivata Ampli transimp. Up Derivata Discrimin. Polarità Contatore Up-Down Display Down

11 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 11 Interferometria a retroiniezione Misura 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

12 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 12 Interferometria convenzionale Misura 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 DI INTERFERENZA SEGNALE DI INTERFERENZA TEMPO TT LASER OTTICHE DI SEPARAZIONE E RICOMBINAZIONE FASCI RIVELATORE SUPERFICIE IN MOVIMENTO

13 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 13 Interferometria a retroiniezione Misura 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 ROTANTEDISCO ROTANTE DIODO LASER

14 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 14 Interferometria a retroiniezione Misura 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 1  3 m (10  m possibile)  Tecniche alternative: Telemetria, Triangolazione BERSAGLIO DIFFONDENTE s MODULAZIONE DI CORRENTE DIODO LASER

15 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 15 Interferometria convenzionale Misura 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 ESPANSORE DI FASCIO BERSAGLIO VIBRANTE SEZIONE DI RIVELAZIONE POSSIBILITA’ DI SCANSIONE 2D

16 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 16 Interferometria a retroiniezione Misura 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 DIODO LASER - A FILTRO LP CIRC. DI RETROAZIONE CONV. V  I AMP. TRANS-Z FD MONITOR SPOSTAMENTO DEL BERSAGLIO SEGNALE OUT L1 L2 BERSAGLIO DIFFONDENTE TESTA OTTICA DIODO LASER SEGNALE MOD. IND.  = 2ks t t  PRINCIPIO: AGGANCIO A META’ FRANGIA

17 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 17 Interferometria a retroiniezione Misura 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 pm 1 nm 10 nm 100 nm 1 um 10 um Frequency [Hz] RMS Displacement MOTORE A 2100 RPM TESTA OTTICAUNITA’ ELETTRONICA

18 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 18 Conclusioni  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.

19 Fiera della Microelettronica, Vicenza Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali 19 Bibliografia [1]F. Docchio, S. Donati, “L’interferometro laser per l’industria”, AEI, Milano, [2]J. Dukes, G. Gordon, “A two-hundred foot yardstick with graduation every microinch”, Hewlett Packard Journal, v. 21, p. 2, [3]S. Donati, G. Giuliani, S. Merlo, "Laser diode feedback interferometer for measurement of displacements without ambiguity", IEEE J. Quantum Electron., v. 31, pp , [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 , 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 [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 [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 [8]V. Annovazzi-Lodi, S. Merlo, M. Norgia, "Comparison of Capacitive and Feedback- Interferometric Measurements on MEMS”, IEEE J. Microelectromech. Syst., v. 10, pp , 2001.


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