Czujniki konfokalne otwierają nowe możliwości pomiarowe

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA

Fot. 1. Kontrolery confocalDT2451 oraz confocalDT2471

W czujnikach konfokalnych stosuje się białe światło, czyli widzialną część promieniowania elektromagnetycznego o długościach fal w zakresie od 380 do 780 nm. Do pomiarów wykorzystywana jest cecha soczewki nazywana aberracją chromatyczną, która jest wynikiem rozszczepienia światła. Poszczególne barwy (czyli fale o różnych długościach) mają różne odległości ogniskowania, co oznacza, że światło załamuje się w odmiennych odległościach od soczewki. Czujniki konfokalne wykorzystują barwę, która w zogniskowanym punkcie stosowana jest do uzyskiwania informacji o odległości.

Konfokalno-chromatyczny system pomiarowy składa się z kontrolera ze źródłem światła LED oraz z czujnika, połączonych ze sobą poprzez światłowód. Aby uzyskać konkretną aberrację chromatyczną, w czujniku stosuje się kilka szklanych soczewek, które rozszczepiają światło w zależności od zakresu pomiarowego.

Podczas pomiaru soczewki są wykorzystywane do rozproszenia widma światła białego na fale o różnych zakresach, które następnie są skupiane prostopadle do badanego obiektu. Odbite światło jest przesyłane na matrycę CCD, a każdy punkt na tej matrycy oznacza inną długość fali, tj. odległość pomiędzy obiektem a czujnikiem.

WŁAŚCIWOŚCI

Fot. 2. IFC242x - Nowy kontroler confocalDT2421/22

Przy zastosowaniu konfokalno-chromatycznej technologii pomiaru możliwe jest uzyskanie bardzo dużej rozdzielczości w zakresie nanometrów. Dodatkowo czujniki charakteryzują się niewielkim punktem pomiarowym, a wiązka jest zwarta i skoncentrowana, dzięki czemu możliwy jest pomiar bardzo małych obiektów. Taka rozdzielczość pozwala niezawodnie wykrywać nawet najdrobniejsze rysy na powierzchni.

Co istotne, amplituda i natężenie nie mają żadnego wpływu na pomiar. Oznacza to, że niezależnie od tego, ile światła odbija się od obiektu w większości przypadków informację o odległości można uzyskać na podstawie najsilniejszej wartości, pod warunkiem, że odbite światło jest silniejsze niż emisja tła.

Ze względu na wykorzystywanie tylko widma światła białego do pomiarów, ta technologia może być stosowana w obszarach niebezpiecznych lub zagrożonych wybuchem oraz narażonych na silne promieniowanie elektromagnetyczne. Sam kontroler może zostać umieszczony w bezpiecznym obszarze, oddalonym od optyki maksymalnie o 50 m (na tyle pozwala przewód światłowodowy łączący kontroler z czujnikiem).

Unikalna zasada pomiarowa pozwala na realizację niezawodnych pomiarów względem materiałów odblaskowych, czarnej gumy, jak również materiałów przezroczystych, takich jak szkło lub ciecz. Kluczowe w takich przypadkach jest, aby światło odbite od powierzchni docelowej dotarło z powrotem do soczewki.

ZASTOSOWANIA

Fot. 3. Czujniki IFS 2405 do precyzyjnych pomiarów

Jedną z interesujących aplikacji jest pomiar cieczy w probówkach, istotny zwłaszcza w badaniach niewielkich partii preparatów, gdzie są one ręcznie napełniane. Precyzyjna kontrola cieczy w niewielkich szklanych probówkach stanowi duże wyzwanie, ale nie dla czujników konfokalnych, które kolejno mierzą poziom cieczy w każdej z probówek umieszczonych na płytce.

Co istotne, standardowe czujniki mogą mierzyć pod dużym kątem, nawet 90°, co oznacza że pracują z taką samą skutecznością, nawet jeżeli menisk płynu jest duży. Możliwy jest pomiar dowolnej cieczy, a dzięki niewielkim rozmiarom głowicy można zamocować kilka sztuk czujników równolegle do siebie, aby jednocześnie wykonywać kilka pomiarów.

Innym ciekawym zastosowaniem omawianej technologii jest pomiar grubości przezroczystej folii czy kilku warstw szkła, np. w szybach samochodowych. W przeciwieństwie do innych technik, mierzących np. metodą różnicową, tutaj potrzebny jest tylko jeden czujnik aby wykonać precyzyjny pomiar.

Jak zostało wspomniane na wstępie, system pomiarowy składa się z czujnika i kontrolera, połączonych przewodem światłowodowym. Firma Micro-Epsilon proponuje szeroki zakres czujników o zakresie pomiarowym od 0,3 do 30 mm, które mogą współpracować z kontrolerami o różnych możliwościach. W wielu aplikacjach sprawdzi się kontroler confocalDT 2421/22 (wersja jedno- lub dwukanałowa), który stanowi opłacalne rozwiązanie.

Fot. 4. Wizualizacja pomiaru za pomocą czujnika konfokalnego

Szczególnym przypadkiem pomiaru grubości transparentnych materiałów jest pomiar grubości butelki "w locie" na linii produkcyjnej, gdyż dodatkowym wymogiem, prócz wysokiej rozdzielczości, jest wysoka częstotliwość pomiarowa. W takim wypadku dobrym rozwiązaniem jest implementacja kontrolera confocalDT 2471 HS, który zapewnia częstotliwość pomiarową do 70 kHz, bez konieczności stosowania zewnętrznego źródła światła.

Kontrolery te są uznawane za jedne z najszybszych systemów konfokalnych na świecie. Mogą one współpracować z dowolnym czujnikiem z serii IFS i są dostępne w dwóch wersjach: standardowej IFC2471LED, głównie do pomiarów odległości (pomiar 2 pików) oraz w wersji multi-peak IFC2471MP LED do pomiarów grubości, który pozwala zmierzyć aż do sześciu pików.

Dzięki temu za pomocą jednego urządzenia można analizować odbicia z centralnych punktów na przedniej i tylnej części przezroczystych obiektów, jak okna, butelki szklane czy panele solarne. Kontroler jest wyposażony w Ethernet, EtherCat, RS422 oraz interfejsy analogowe. Ze względu na intuicyjny interfejs sieciowy do konfiguracji czujnika nie jest konieczne dodatkowe oprogramowanie, dodatkowo w kontrolerze dostępne są specjalne funkcje do kontroli grubości.

Równie wymagającym, dynamicznym procesem jest pomiar grubości warstwy transparentnego kleju nakładanego np. na etykietach. Za pomocą systemu konfokalnego możliwe jest uzyskanie precyzyjnych wyników pomiarowych, co pozwoli w dalszej kolejności na optymalizację wykorzystania materiału i zapewnienie wysokiej jakości produktu końcowego. Więcej informacji dotyczących systemów pomiarowych oraz ich zastosowań można znaleźć na stronie www.wobit.com.pl. Zapraszamy również do kontaktu z naszymi specjalistami, którzy pomogą dobrać optymalne rozwiązanie.

P.P.H. WObit E.K.J. Ober s.c.
www.wobit.com.pl