Promień światła w pomiarze przemieszczenia

Fot. 1. Konfokalna chromatyczna zasada pomiaru - centralne punkty świetlne długości fal są rozszerzane wzdłuż osi optycznej i skupiane na obiekcie pomiarowym

Każde światło składa się z wielu różnych długości fal (spektrum kolorów). Zakres widzialny dla człowieka wynosi od 400 nm (niebieski) do 700 nm (czerwony). Nie wszystkie długości fal mogą być skupione w jednym punkcie za pomocą soczewek. To zjawisko nazywamy chromatycznym błędem soczewki lub aberracją chromatyczną.

Można to porównać z głębią ostrości mikroskopu lub kamery. Jest to efekt, który jest wykorzystywany w konfokalnej technice pomiarowej. Zacieranie punktu ogniskowej różnych kolorów jest przedłużane za pomocą specjalnych soczewek. Oznacza to, że w zależności od odległości od obiektywu, w ogniskowej znajduje się dokładnie jedna długość fali.

Tylko ta informacja jest włączona do pomiarów. Aby uzyskać konkretną aberrację chromatyczną, w czujniku potrzeba kilku szklanych soczewek, które rozszczepiają światło w zależności od zakresu pomiarowego. Spektrum kolorów jest związywane wzdłuż linii przy użyciu soczewki skupiającej, zanim światło zostanie uwolnione z czujnika.

Tym sposobem uzyskuje się dokładnie skoncentrowaną linię. Białe światło jest wyprowadzane ze sterownika za pośrednictwem światłowodu do soczewek w czujniku. Występuje tam opisana powyżej specyficzna dla danego zakresu pomiarowego aberracja chromatyczna. Długości fal są odbijane od powierzchni docelowej i wracają przez soczewkę na półprzepuszczalne lustro kontrolera.

Lustro odbija wiązkę w stronę perforowanej przesłony, która przepuszcza fale o najwyższej intensywności. Rozmyte spektra uderzają o przesłonę jako rozproszone cząstki, a nie jako skoncentrowany punkt. Najbardziej skupione długości fal mają wystarczającą intensywność, aby przedostawać się przez przysłonę i dotrzeć do matrycy CCD.

Fot. 2. Porównanie wielkości bieżących czujników - z lewej optoNCDT 2400 standardowe czujniki, cztery modele serii optoNCDT 2401; drugi od prawej to miniaturowy czujnik o średnicy zewnętrznej 4 mm; nowe optoNCDT 2403 czujniki z 8 mm średnicą zewnętrzną z prawej stanowią kompromis poprzednich czujników

Spektrometr umieszczony za perforowaną przysłoną przetwarza uzyskane informacje o kolorze. Zawiera on siatkę optyczną, która, w zależności od długości fali, powoduje silniejsze lub słabsze jej ugięcie na matrycy CCD. Każda komórka na matrycy CCD odpowiada określonej odległości badanego obiektu od czujnika. Aby uzyskać sygnał, ocenia się tylko długość fali.

Amplituda i natężenie nie odgrywają żadnej roli. 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.

Korzystając z konfokalnej zasady pomiaru, można dokonywać niezawodnych pomiarów odblaskowych materiałów, w tym błyszczącej czarnej gumy oraz przeźroczystych materiałów takich jak szkło lub ciecz. Krytycznym wymogiem w tym przypadku jest to, że światło odbite od powierzchni docelowej musi ponownie dotrzeć do soczewki.

NOWE TECHNOLOGIE, NOWE MOŻLIWOŚCI

Fot. 3. Nowy kontroler konfokalny ConfocalDT

Przy użyciu konfokalnej chromatycznej technologii pomiaru możliwe jest uzyskanie ekstremalnie wysokich rozdzielczości. Poprzez rozszerzenie spektrum kolorów można uzyskać rozdzielczość w zakresie nanometrów. Czujniki konfokalne wykorzystują kolor, który w zogniskowanym punkcie jest używany do uzyskiwania informacji o odległości.

Charakteryzują się bardzo małym punktem pomiarowym, który umożliwia pomiary bardzo małych obiektów. Dzięki temu można niezawodnie wykrywać nawet najdrobniejsze rysy na powierzchni.Wiązka z czujnika jest zwarta i skoncentrowana.

Umożliwia to przykładowo systemowi pomiar wewnątrz wywierconych otworów, w których pomiar z wykorzystaniem innych metod optycznych, takich jak techniki triangulacji, jest trudny lub nawet niemożliwy do osiągnięcia (ze względu na powstawanie zjawiska cienia). Dla tego typu pomiarów idealne są konfokalne miniaturowe czujniki optoNCDT2402, które mają średnicę zaledwie 4 mm.

Dalszy rozwój opisanych miniaturowych czujników pozwala obecnie użytkownikom przeprowadzać również kontrolę wewnętrznych ścian w otworach o małej średnicy. Specjalny czujnik mierzący pod kątem 90° do swojej osi można zanurzyć w otworach z nawet 4,5 mm średnicą. Wewnętrznie rozwinięte promieniowe urządzenie obraca czujnik z prędkością do 3000 obrotów na minutę.

Liniowa jednostka wprowadza czujnik w otwór, umożliwiając pomiar poszczególnych okręgów lub pomiar spiralny profilu całego wywierconego otworu. Innym ciekawym potencjalnym zastosowaniem dla tego czujnika jest pomiar grubości przezroczystej folii, tektury lub wielu warstw. W przeciwieństwie do innych metod, ta metoda pomiaru wymaga tylko jednego czujnika.

Do pomiarów takich jak opisywane analizuje się odbicia z centralnych punktów na przedniej i tylnej powierzchni. Ponieważ pomiar jest wykonywany tylko przy użyciu światła białego, nie mają zastosowania przepisy bezpieczeństwa dotyczące lasera. Czujniki mogą być również stosowane w obszarach niebezpiecznych lub zagrożonych wybuchem oraz w systemach, które są podatne na środowisko elektromagnetyczne.

Interesującym zastosowaniem konfokalnej technologii pomiaru jest użycie czujników z serii optoNCDT IFS 2402 do pomiaru odległości w produkcji paneli solarnych. W swej produkcji wykorzystała je francuska firma Apollon Solar.

Dzięki zastosowaniu opatentowanej metody pod nazwą NICE (New Industrial Cell Encapsulation) moduły słoneczne nie są już połączone z przezroczystą warstwą tworzywa sztucznego, co pozwala na poprawę uszczelnienia i stabilności modułu.

NOWA GENERACJA KONFOKALNEJ TECHNIKI POMIAROWEJ

Fot. 4. Prasa do produkcji modułów fotowoltaicznych, zgodnie z nową metodą NICE - konfokalne czujniki wewnątrz mierzą wymiary szczeliny

WObit wyróżnia się na tle innych firm dalekowzrocznością we wprowadzanych produktach. Pracownicy naszej firmy to eksperci w dziedzinie pomiarów, którzy zawsze zwracają uwagę na bardzo praktyczne, a przy tym zaawansowane technicznie rozwiązania. Z tego względu gdy poruszamy temat konfokalnej technologii pomiaru, nie można nie wspomnieć o najnowszych sterownikach ConfocalDT 2451 i 2471 produkowanych przez Micro Epsilon.

Urządzenia te ze względu na doskonały stosunek intensywności sygnału do szumu uzyskują częstotliwość pomiarową 10 kHz za pomocą światła LED a 70 kHz przy użyciu ksenonowego źródła światła. Po raz pierwszy jako element czujnika w sterowniku zainstalowana została wysokiej jakości matryca CCD. Całość jest umieszczona w solidnej obudowie przemysłowej projektu Micro Epsilon.

Unikalna aktywna regulacja ekspozycji linii lasera pozwala na szybką, precyzyjną kompensację powierzchni w dynamicznych procesach pomiarowych na wielu różnych powierzchniach docelowych. ConfocalDT to pierwszy kontroler, który oferuje Ethernet, EtherCAT, RS422 i analogowe interfejsy wyjściowe. Czujniki są zatem niezwykle elastyczne i można je łatwo zintegrować z istniejącymi systemami.

Użytkownik może zdalnie konfi- gurować kanały pomiarowe za pomocą intuicyjnego, opartego na sieci oprogramowania poprzez Ethernet. Oznacza to, że nie jest konieczne instalowanie innego oprogramowania pomiarowego. Unikatowe jest to, że kontroler oferuje specjalne opcje kalibracji podczas pomiarów grubości. W efekcie można osiągnąć znaczną poprawę wyników pomiarów.

Kontroler confocalDT chłodzony jest pasywnie, co minimalizuje zakłócenia i eliminuje hałas wentylatora. Wszystkie czujniki konfokalne z Micro-Epsilon mogą być podłączone do kontrolera confocal DT2451/2471. Mogą z nim współ pracować zarówno standardowe, jak i miniaturowe czujniki o średnicy 4 lub 8 mm w wykonaniu osiowym lub promieniowym. Więcej informacji można znaleźć na stronach www.micro-epsilon.pl oraz na stronie producenta: www.micro-epsilon.com.

Joanna Sławińska
WObit
www.wobit.com.pl

Zdjęcie tytułowe: Nowy czujnik można umieścić w wywierconym otworze, by skontrolować wewnętrzne ścianki - technologia ta może być stosowana do otworów o średnicy od 4,5 mm