Miniaturinterferometer mit Retroreflektor setzen Maßstäbe bei der ...

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Tabelle 1. Einflüsse von Umweltgrößen auf den Brechungsindex n Tabelle 2. Frequenzstabilitätenverschiedener Laserlichtquellen sen. Die Anzahl der Inkremente (Zählimpulse) ergibt sich aus der Ordnungszahl δ und dem elektronischen Interpolationsfaktor e. Dieser Interpolationsfaktor gibt also an, in wie viele Impulse eine Signalperiode aufgeteilt wird. Die dabei entstehenden Interpolationsfehler sind ebenfalls zu berücksichtigen. Miniaturinterferometer mit Retroreflektor Bild 2 zeigt den Aufbau des Miniaturinterferometers mit Retroreflektor. Ein Lichtwellenleiter verbindet den separaten Sensorkopf mit der elektronischen Versorgungs- und Auswerteeinheit, wobei der Sensorkopf alle notwendigen optischen und mechanischen Komponenten des Interferometers enthält. Der Messreflektor ist in ein Gehäuse gefasst und wird am Messobjekt befestigt. Ein Singlemode-Lichtwellenleiter überträgt die Laserstrahlung des frequenzsta- Bild 2. Komplettgerät des Miniaturinterferometers mit Retroreflektor LASER+PHOTONIK 32 APRIL 2003 PRODUKTIONSTECHNIK bilisierten He-Ne-Lasers zum Sensorkopf. Die Lasereinheit ist in der Versorgungsund Auswerteeinheit integriert. Zwei Lichtwellenleiter bringen das optische Interferometersignal zurück zur Auswerteeinheit, in der die optoelektronische Signalwandlung, die Aufbereitung der Analogsignale, die Interpolation, Triggerung und Zählung der Impulse sowie die Berechnung des umweltkorrigierten Längensignals erfolgen. Die Ausgabe der Messwerte kann zum einen in Form der Inkrementalsignale (Encodersignale) oder über ein serielles oder paralleles Interface erfolgen. Wesentliche messtechnische Eigenschaften der Miniaturinterferometer mit Retroreflektor sind: ■ Messbereich ≤ 5 m, ■ Auflösung bis 0,1 nm, ■ Verschiebegeschwindigkeit des Messreflektors ≤ 600 mm/s, ■ Verkippbarkeit des Messreflektors zum Messstrahl ± 3°, ■ Arbeitstemperaturbereich 15 bis 30 °C. Im Jahr 2002 hat die Physikalisch- Technische Bundesanstalt Braunschweig ein Miniaturinterferometer ›MI 5000‹ kalibriert. Bei einer kalibrierten Länge von 2m ergab sich eine mittlere systematische Messabweichung von Gleichung 4: Besondere Anwendungsvorteile ergeben sich, weil der Sensorkopf (Bild 3) keine Wärmequellen enthält; eine Wärmeübertragung auf das Messobjekt findet somit nicht statt. Auf Grund dieser Merk- Bild 3. Sensorkopf des Miniaturinterferometers mit Retroreflektor male werden Miniaturinterferometer als Einbaumessgeräte in Werkzeugmaschinen, Mess- und Mikroskoptischen, Koordinatenmessmaschinen, Härteprüfgeräten und Materialprüfmaschinen verwendet. Miniaturinterferometer dienen außerdem der Kalibrierung anderer Längenmessgeräte (zum Beispiel Glasmaßstäbe) oder als Präzisionslängenmesssystem in Forschung und Entwicklung.
Bild 4. Sensorkopf mit Messreflektor des Mikrointerferometers Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit dem Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wurden Mikrointerferometer entwickelt, die nach dem gleichen Prinzip wie das Miniaturinterferometer mit Retroreflektor arbeiten (Bild 4). Sie zeichnen sich durch extrem kompakte Maße, die Lichtwellenleiterkopplung sowie einen sehr geringen Justageaufwand aus. Diskrete mikrooptische Bauteile sowie Aufbau- und Verbindungstechnik ermög- KONTAKT SIOS Meßtechnik GmbH, 98693 Ilmenau, Tel. 0 36 77 /6 44 70, Fax 0 36 77 /6 44 78, www.sios.de TU Ilmenau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, 98693 Ilmenau, Tel. 0 36 77/69 28 22, Fax 0 36 77/69 14 12, www.tu-ilmenau.de PRODUKTIONSTECHNIK lichen einen Sensorkopf von 28 x 25 x 15,5 mm 3 Größe bei einer Masse von nur 35 g. Die messtechnischen Eigenschaften stimmen mit denen des Miniaturinterferometers mit Retroreflektor überein. Fazit: Höchste Genauigkeit für vielfältige Anwendungen Die Miniatur- und Mikrointerferometer mit Retroreflektor für die hochgenaue Längenmessung zeichnen sich besonders durch folgende Merkmale aus: ■ höchste Genauigkeit, ■ modularer Aufbau, ■ problemlose Anpassung an unterschiedliche Messaufgaben, ■ kleine Abmessungen der Interferometermodule, ■ vollständige Lichtwellenleiterkopplung (Besonderheiten: keine Wärmequellen im Sensorkopf, störsichere Messsignalgewinnung und -übertragung, flexible Anordnung des Sensorkopfs, schnelle und einfache Justage des Sensorkopfs), ■ Auflösung bis 0,1 nm bei Messbereichen bis 5 m, ■ vergleichsweise niedrige Kosten. « Literatur 1 G. Jäger: ›Precision distance measurement by means of miniaturized interferometers‹; Proceedings of the XIII IMEKO World Congress, Volume 3, Torino 1994, S. 1712-1716 2 G. Jäger, R. Grünwald, E. Manske: ›Lichtwellenleitergekoppelte interferenzoptische Sensoren‹; tm 57, 1990, 9, S. 319-322 3 G. Jäger: ›Laserinterferometrische Messverfahren – Möglichkeiten, Grenzen und Anwendungen‹; Vortrag zur 3. ITGI GMA-Fachtagung Sensoren und Messsysteme, Bad Nauheim 1998 4 G. Jäger: ›Lasernanomesstechnik- Möglichkeiten, Grenzen und Anwendungen in der modernen Gerätetechnik‹; Vortrag zum 44. IWK, Ilmenau 1999 5 G. Jäger, R. Grünwald: ›Mikrooptische Systeme für die Präzisionstechnik (MOSEP)‹; Infobörse VDI/VDE-TZ IT GmbH, Teltow 2002 6 W. Schott, W. Pöschel, G. Jäger, R. Grünwald, E. Manske, H. Wurzbacher: ›Fibre-Coupled Microinterferometer‹; OPTO 2002 Conference, Erfurt 2002 7 W. Schott: ›Anwendung von Mikrointerferometern‹; Technische Akademie Esslingen, Juni 2002 8 W. Schott, G. Jäger: ›Miniature Interferometers for Precise Distance Measurements‹; ASPE 2002, Annual Meeting, St. Louis 2002 9 Datenblatt Miniaturinterferometer mit Retroreflektor, Serie MI, SIOS Messtechnik, 2001 10 Mikrointerferometer, Gelbe Seiten 21/2001, VDI/VDE-IT Teltow, Projektträger Mikrosystemtechnik 11 G. Bönsch, E. Potulski: ›Fit of Edlén’s formulae to measured values of the refractive index of air‹; SPIE Conference on Recent Developments in Optical Gauge Block Metrology, San Diego, California, Juli 1998 Dr.-Ing. Walter Schott ist Geschäftsführer bei SIOS Meßtechnik in Ilmenau. Dipl.-Ing. Wolfgang Pöschel ist Technischer Leiter, und Dipl.-Ing. Susanne Ecke leitet das Marketing bei SIOS Meßtechnik in Ilmenau. Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Jäger ist Institutsleiter der Technischen Universität Ilmenau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik. Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Grünwald, Dr.-Ing. Hans- Joachim Büchner, Dr.-Ing. Eberhard Manske und Dr.-Ing. Holger Wurzbacher sind ebenfalls am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau tätig. Die Entwicklungsarbeiten wurden gefördert durch das BMBF, Projektträger VDI/VDE-IT Teltow, und das ThMWFK. Die Autoren danken allen Kollegen, die an der Bearbeitung der Forschungsthemen mitgewirkt haben.
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