OPTIKAI MÓDSZEREK MIKROMÉTERES FELBONTÁSÚ TÁVOLSÁGMÉRÉSRE OPTICAL METHODS FOR MICROMETER RESOLUTION DISTANCE MEASUREMENTS

Hasonló dokumentumok
International GTE Conference MANUFACTURING November, 2012 Budapest, Hungary. Ákos György*, Bogár István**, Bánki Zsolt*, Báthor Miklós*,

Spektrográf elvi felépítése. B: maszk. A: távcső. Ø maszk. Rés Itt lencse, de általában komplex tükörrendszer

Felhasználói kézikönyv

Sugárzáson, és infravörös sugárzáson alapuló hőmérséklet mérés.

A geometriai optika. Fizika május 25. Rezgések és hullámok. Fizika 11. (Rezgések és hullámok) A geometriai optika május 25.

DistanceCheck. Laser nm

Fény, mint elektromágneses hullám, geometriai optika

3D - geometriai modellezés, alakzatrekonstrukció, nyomtatás

Fénysebesség E Bevezetés

3D számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

Optoelektronikai érzékelők BLA 50A-001-S115 Rendelési kód: BLA0001

OPTIKA. Hullámoptika Diszperzió, interferencia. Dr. Seres István

VALÓS HULLÁMFRONT ELŐÁLLÍTÁSA A SZÁMÍTÓGÉPES ÉS A DIGITÁLIS HOLOGRÁFIÁBAN PhD tézisfüzet

Optika gyakorlat 5. Gyakorló feladatok

Történeti áttekintés

3B sorozat Optoelektronikus érzékelők

Optikai alapmérések. Mivel több mérésről van szó, egyesével írom le és értékelem ki őket. 1. Törésmutató meghatározása a törési törvény alapján

Fényhullámhossz és diszperzió mérése

OMRON KÜLÖNLEGES SZENZOROK. ZX Nagy pontosságú pozíciómérõ eszközök. Típusválaszték

100 kérdés Optikából (a vizsgára való felkészülés segítésére)

7. Koordináta méréstechnika

REZGÉSEK PRECÍZIÓS ÖSSZEHASONLÍTÓ VIZSGÁLATA LÉZERINTERFEROMETRIKUS MOZGÁSANALIZÁTOROKKAL

Optomechatronika I Antal Ákos

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Kromatikus diszperzió mérése

SZE, Fizika és Kémia Tsz. v 1.0

OPTIKA. Gömbtükrök képalkotása, leképezési hibák. Dr. Seres István

2.3 Mérési hibaforrások

Optikai méréstechnika alkalmazása járműipari mérésekben Kornis János

IMPAC pirométerek hordozható

BEMUTATÓ TESA VISIO 500 HEXAGON METROLOGY

Összeállította: Juhász Tibor 1

Fény- és fluoreszcens mikroszkópia. A mikroszkóp felépítése Brightfield mikroszkópia

Ax-DL100 - Lézeres Távolságmérő

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Felhasználói kézikönyv

Az éter (Aetherorether) A Michelson-Morley-kísérlet

Felhasználói kézikönyv

Felhasználói Kézikönyv

SZABAD FORMÁJÚ MART FELÜLETEK

Tartalomjegyzék LED hátterek 3 LED gyűrűvilágítók LED sötét látóterű (árnyék) megvilágítók 5 LED mátrix reflektor megvilágítók

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

Abszorpciós spektroszkópia

Geometriai Optika (sugároptika)

Hordozható Infravörös Hőmérők

Ultrarövid lézerimpulzusban jelenlevő terjedési irány és fázisfront szögdiszperzió mérése

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

Mikrométerek Tolómérők Mélységmérők Mérőórák Belső mikrométerek Mérőhasábok Sztereo mikroszkópok Mérőmikroszkópok Profil projektorok

Felhasználói kézikönyv

Az ipari komputer tomográfia vizsgálati lehetőségei

Születési hely és idő: Miskolc, 1982 Állampolgárság: magyar Családi állapot: nős

Rövid ismertető. Modern mikroszkópiai módszerek. A mikroszkóp. A mikroszkóp. Az optikai mikroszkópia áttekintése

Felhasználói kézikönyv

46B sorozat Optoelektronikus érzékelők TERMÉKINFORMÁCIÓ

Infra hőmérsékletmérő

OPTIKA. Hullámoptika Diszperzió, interferencia. Dr. Seres István

Csillagászati észlelés gyakorlat I. 3. óra: Távcsövek és távcsőhibák

Felhasználói kézikönyv

Digitális elmozdulásmérœ rendszer

OPTIKA. Ma sok mindenre fény derül! /Geometriai optika alapjai/ Dr. Seres István

1.1 Emisszió, reflexió, transzmisszió

A lézersugaras méréstechnika alkalmazása termelési folyamatok és minőség-ellenőrzés számára

Piri Dávid. Mérőállomás célkövető üzemmódjának pontossági vizsgálata

OPT TIKA. Hullámoptika. Dr. Seres István

MIKRO-TÜKÖR BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

Korszerű mérőeszközök alkalmazása a gépszerkezettan oktatásában

Hullámoptika II.Két fénysugár interferenciája

Felhasználói kézikönyv

DEBRECENI EGYETEM MŰSZAKI KAR GÉPÉSZMÉRNÖKI TANSZÉK SPM BEARINGCHECKER KÉZI CSAPÁGYMÉRŐ HASZNÁLATA /OKTATÁSI SEGÉDLET DIAGNOSZTIKA TANTÁRGYHOZ/

Kalibráló készülékek. Height Master Oldal 343. Check Master Oldal 347. Kalibráló eszközök Oldal 352

Alapvető eljárások Roncsolásmentes anyagvizsgálat

Szakmai nap Nagypontosságú megmunkálások Nagypontosságú keményesztergálással előállított alkatrészek felület integritása

Kvartó elrendezésű hengerállvány végeselemes modellezése a síkkifekvési hibák kimutatása érdekében. PhD értekezés tézisei

Automatikus irányzás digitális képek. feldolgozásával TURÁK BENCE DR. ÉGETŐ CSABA

1. Szerszámjavítás lézerhegesztéssel 2. Műanyagok lézeres feliratozása

11/23/11. n 21 = n n r D = Néhány szó a fényről nm. Az elektromágneses spektrum. BÓDIS Emőke november 22.

Rádiókommunikációval is Az adatokat szabad rádiófrekvencián sugározza az őt lekérdező AQUADAT készüléknek.

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Golyós hüvely Raktári program

SZIPorkázó optikai hálózatok telepítési és átadás-átvételi mérései

Gyakorló feladatok Fizikai optikából

Felhasználói kézikönyv

A vasút életéhez. Örvény-áramú sínpálya vizsgáló a Shinkawa-tól. Certified by ISO9001 SHINKAWA

Optika Gröller BMF Kandó MTI

A mérés. A mérés célja a mérendő mennyiség valódi értékének meghatározása. Ez a valóságban azt jelenti, hogy erre kell

Height Master Oldal 345. Check Master Oldal 349. Kalibráló eszközök Oldal 354

A KVDST440 típusú infravörös hőmérő kezelési útmutatója

Jegyzetelési segédlet 7.

Különböző szűrési eljárásokkal meghatározott érdességi paraméterek változása a választott szűrési eljárás figyelembevételével

Optika gyakorlat 1. Fermat-elv, fénytörés, reflexió sík és görbült határfelületen

9. Fényhullámhossz és diszperzió mérése jegyzőkönyv

Transzformátor rezgés mérés. A BME Villamos Energetika Tanszéken

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Optikai csatlakozók vizsgálata

7. Előadás. A vékony lencse közelítésben a lencse d vastagsága jóval kisebb, mint a tárgy és képtávolságok.

Szög és görbület mérése autokollimációs távcsővel

Nagy pontosságú 3D szkenner

A diákok végezzenek optikai méréseket, amelyek alapján a tárgytávolság, a képtávolság és a fókusztávolság közötti összefüggés igazolható.

Elektrooptikai effektus

Átírás:

MultiScience - XXXII. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, 5-6 September, 2018. ISBN 978-963-358-162-9 OPTIKAI MÓDSZEREK MIKROMÉTERES FELBONTÁSÚ TÁVOLSÁGMÉRÉSRE OPTICAL METHODS FOR MICROMETER RESOLUTION DISTANCE MEASUREMENTS Paripás Béla 1, Béres Miklós 2 1 PhD egyetemi tanár, 2 mérnöktanár Miskolci Egyetem, Fizikai Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros ABSTRACT The laser based distance measuring methods are surveyed in this paper. In connection with a project work we considered mainly the laser (optical) methods with micrometre resolution: the laser triangular method and the confocal (chromatic) method. In spite of the fact that lasers are not used in the latter method at all, nevertheless it is a real alternative in a lot of applications. BEVEZETÉS A lézerekkel kiválóan lehet távolságot mérni ezt ma már mindenki tudja. A lézeres távolságmérő ott van a közlekedési rendőr, a lakberendező, a mesterember kezében is, akik ennek segítségével megbízhatóan, pontosan, kontaktus mentesen meghatározzák a kívánt méreteket, sőt (mérések sorozatával) a sebességet is. Ráadásul ez az eszköz már nem is drága, egyszerűbb kivitelben lényegében egy tolómérő vagy mérőszalag áráért is megkaphatók [1]. Ezeknek az egyszerű lézeres távolságmérőknek a működése a visszavert lézerimpulzus visszaérkezési idejének igen pontos mérésén alapul. A fizika szempontjából ezek tehát 1. ábra: A Fizikai Intézet lézerinterferometrikus mozgásanalizátorának (LIMA) optomechanikai vázlata. A rendszer a jobb oldali sarokprizma mozgását méri. DOI: 10.26649/musci.2018.022

lényegében repülési idő spektrométerek. A lézerimpulzusok hossza és az elektronikai eszközök működési gyorsasága legfeljebb kb. 1mm pontosságot tesz lehetővé, tehát ez egy viszonylag pontatlan lézeres módszer. A lézeres méréstechnika másik végletét a lézerinterferometrikus technika jelenti, amelynek a felbontása kisebb (esetenként sok nagyságrenddel is kisebb) az alkalmazott fény hullámhosszánál. Ezek a precíziós módszerek a lézerfény interferenciáján alapulnak. A Fizikai Intézetben jelenleg is rendelkezésre álló lézerinterferometrikus mozgásanalizátorok [2, 3] pontossága 0,1 µm (1. ábra). Ez a pontosság szinte korlátlanul növelhető, ha ezt az alapvetően Michelson típusú interferométert Fabry-Perot interferométerrel kombináljuk. Ez a technológia azonban helyigényes, a mérendő ponthoz egy speciális tükör (pl. sarokprizma) rögzítését igényli, a többi optikai elem helyén pedig rezgésmentes körülményeket kíván. Fontos azt is hangsúlyozni, hogy ez utóbbi technika nem távolságot, hanem elmozdulást mér. Ezek a körülmények külön-külön is (de együttesen egész biztosan) erősen korlátozzák alkalmazási lehetőségeit. Látható, hogy az egyszerű és a lézerinterferometrikus távolságmérés felbontása lényegesen eltér (1mm fölötti, ill. 0,1 µm alatti). Ugyanakkor az iparban nagy igény mutatkozik µm-es pontosságú gyors, kontaktus mentes mérésekre, amelyre az eddig említett két módszer egyike sem alkalmas. Egy ilyen probléma például - az indítómotorok tartóssági tesztjének elemeként - a kefekopás pontos mérése. A kefekopást jelenleg az indítómotor házán a kefe fölött kifúrt lyukon keresztül kézi mechanikai módszerrel mérik. Ennek a módszernek a pontossága kb 0,1 mm (=100 µm), amely a precíz vizsgálathoz már nem elegendő. A kefekopás µm-es pontosságú mérésére alkalmas kontaktus mentes módszer megtalálása és az adott rendszerhez e kutatás legfontosabb célja. OPTIKAI MÓDSZEREK MIKROMÉTERES FELBONTÁSÚ TÁVOLSÁGMÉRÉSRE Létezik lézeres módszer is ebben a pontossági tartományban, ez a lézeres háromszögeléses módszer [4]. Ez szinte minden tekintetben a fenti, két szélsőségnek tekinthető módszer között van. Tehát nem annyira kényes, mint a lézerinterferometrikus módszer, de rendelkeznek a megkívánt pontossággal. 2. ábra: A lézeres háromszögeléses módszer A módszer vázlata a 2. ábrán látható. A fókuszált lézernyaláb a céltárgyra esik. Ezt a fénypontot az optika egy helyzetérzékeny detektorra (pl. CCD panel) képezi le. A reflektáló felület közelítésével illetve távolodásával a fényszenzorra vetített pont helyzete is változik, a képpont helyzete és a céltárgy távolsága tehát egyértelmű kapcsolatban van egymással. Az ábrából rögtön kiolvasható a módszer hátránya is: a lézernyaláb beesési iránya és a mérési irány

szöget zár be egymással. A jelenlegi geometriában, amikor egyetlen furat van az indítómotor házán, ez a mérés nem végezhető el. A geometria átalakításával (nagyobb átmérőjű furat vagy furat helyett egy hosszabb rés) azonban ez a módszer is alkalmassá tehető. A konfokális távolságérzékelők azonban megoldást jelenthetnek már a jelenlegi (egyetlen furatos) geometriában is. A módszer a lencsék színi hibáját is eredményező diszperzión alapul, ami miatt a fehér fényforrás fényét egy lencserendszer a hullámhossz függvényében más-más fókuszponttal fókuszálja. Ebben az alkalmazásban kimondottan a nagy színi hibájú (nagy kromatikus aberráció) leképezés a cél, amit nagy diszperziójú üvegből készült lencsével érhetünk el. Az 3. ábra bal oldalán a kromatikus aberráció jelenségét, a jobb oldalán pedig néhány üvegtípus diszperzióját láthatjuk. Nagy kromatikus aberrációjú lencserendszert különböző diszperziójú üvegek ügyes kombinációjával lehet építeni. 3. ábra: Bal oldalt a kromatikus aberráció jelenségét, jobb oldalt pedig néhány üvegtípus diszperzióját láthatjuk. 4. ábra: A konfokális távolságérzékelők elvi felépítése

A konfokális távolságérzékelők elvi felépítését a 4. ábra mutatja. A pontszerű fehérfény forrás fényét a nagy kromatikus aberrációjú lencserendszer a mérendő tárgy felszínére fókuszálja. Természetesen csak egyetlen színi komponens lesz, amelynek a fókusza pont a tárgy felületére esik (az ábrán ez a középső - színesben zöld - komponens). A céltárgy által visszavert fény visszafelé is áthalad a lencserendszeren, tehát a zöld komponens pontosan a pontszerű fényforrásra fókuszálná. Ezt megelőzően azonban a visszavert fényt egy nyalábosztóval eltérítjük, így a fókuszpont egy lyukszűrőre kerül. Ha a lyuk helyét és átmérőjét jól választjuk meg, akkor a fókuszált fény (az ábrán a zöld fény) teljes egészében átjut rajta, míg a többi szín csak töredékesen. Ha a távolság változik, akkor egy másik szín fókusza esik a tárgyra, és visszaverődés után ennek a színnek a fókusza esik a lyukszűrő lyukára és ez detektálódik. A vevőbe jutó fény hullámhosszát megállapítva következtethetünk az érzékelő és a céltárgy távolságára. A műszer tehát egy jó minőségű optikai spektrométert is tartalmaz. Alapvető követelmény, hogy a lencserendszert és lyukszűrőt tartalmazó mérőfej kicsi legyen, amely száloptikával kapcsolódik a távolabb lévő alapműszerhez (amely a jó minőségű optikai spektrométert is tartalmazza). Az interneten több cég témához kapcsolódó anyaga is elérhető [5, 6]. Jelen cikkben elsősorban az utóbbi, az Omron cég konfokális száloptikai távolságmérőire koncentrálunk (ZW sorozat). A mérőfejek közül csak az jön szóba, amelynek a mérési tartománya meghaladja a maximális kefekopást (8-10mm). Ezt a ZW-S40 mérőfej teljesíti (5. ábra), ennek a mérő távolsága 40 ± 6mm (azaz a spektrum kis hullámhosszú szélén lévő ibolya színt 34mm-re, a spektrum másik szélén lévő vörös színt 46mm-re fókuszálja). A szénkefe mérendő felületének és az indítómotor háza külső felületének a távolsága ennél sokkal kisebb (mintegy 28mm-rel), tehát a mérőfejhez gyártandó speciális rögzítő elemnek ezt a távolság tartást is el kell végeznie. 5. ábra: Az Omron cég konfokális száloptikai távolságmérője ZW-S40 mérőfejjel

A műszer elvi pontossága 1 µm alatti, a valóságos mérési pontosság azonban néhány µm lehet majd. A mérési pontosságot a mért felület érdessége, a rárakódó szennyeződések, az esetleges tengely kotyogás is ronthatja. Úgy gondoluk azonban, hogy a legkritikusabb tényező mindenképpen a mérőfej visszahelyezés reprodukálhatóságának pontossága ill. pontatlansága lesz. A mérési módszer által adott mérési pontosság csak akkor közelíthető meg, ha a mérőfejhez gyártandó speciális rögzítő elem a kb. 1 µm-nyi pontosságú reprodukálhatóságot tudja biztosítani. AZ EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE A lézeres távolságmérési módszerek áttekintése során arra jutottunk, hogy az adott mérési feladat a lézeres háromszögelési módszerrel megoldható, ha a mérési geometriát kissé átalakítjuk (nagyobb átmérőjű vagy más alakú mérőlyukat fúrunk). A Fizikai Intézetben fejlesztett lézerinterferométeres módszer a helykorlát miatt, a sztenderd (a lézerimpulzus futási idejének mérésén alapuló) lézeres távolságmérés pedig a nagy mérési hibája miatt nem alkalmazható a jelen mérési feladatban. A jelenlegi egyetlen furatos geometriában is megoldást kínál viszont a konfokális távolságérzékelés. Ez a módszer szigorúan véve nem lézeres módszer (mert fehér fényű fényforrást használ), de rendelkezik a kontaktusmentes lézeres módszerek minden előnyével. Jelenleg ezt tekinthető az optimális megoldásnak, a cikkben is erre az optikai módszerre koncentráltunk. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A kutató munka az Európai Unió és a magyar állam támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával, a GINOP-2.3.4-15-2016-00004 projekt keretében valósult meg, a felsőoktatás és az ipar együttműködésének elősegítése céljából. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] https://www.conrad.hu/hu/lezeres-tavolsagmero-meresi-tartomany-005-70-m-15-mmtoolcraft-ldm-70-826512.html [2] M. Béres and B. Paripás: Comparison of two laser interferometric methods for the study of vibrations, Series Title: Lect.Notes Mechanical Engineering, Book Title: Vehicle and Automotive Engineering, K. Jármai and B. Bolló (eds.), Book Subtitle: Proceedings of the VAE2016, Chapter 20, pp.205-216 (2017) Miskolc, Hungary, ISBN: 978-3-319-51188-7, Springer [3] Béres M., Paripás B., Majár J., Bodolai T., Rónai L., Illavszky V.: Rezgések precíziós összehasonlító vizsgálata lézerinterferometrikus mozgásanalizátorokkal, Multiscience XXX. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference, C3: Natural Sciences, ISBN 978-963-358--113-1, University of Miskolc (C3/4), 2016. április 21-22. [4] https://www.kvalix.hu/termekek/meroerzekelok/precizios/lezeres/ [5] https://www.micro-epsilon.com/download/manuals/man--confocaldt-2451-2461-2471-- en.pdf, [6] https://assets.omron.eu/downloads/manual/en/v1/z322_zw-c1_t_users_manual_en.pdf).