La moderna interferometria per misure industriali: stato dell'arte S. Donati, G. Giuliani

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]


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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.


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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


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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


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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.


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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.

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