Praktikumsanleitung. Faseroptischer Abstandssensor

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1 Praktikumsanleitung Faseroptischer Abstandssensor - 0 -

2 Versuchsziel In diesem Praktikum ist eine alternative Methode zur Bestimmung von Abständen mit hoher Genauigkeit kennen zu lernen. Neben bekannten taktilen oder berührungslosen Verfahren sind die Vorteile und Nachteile des faseroptischen Sensors unter folgenden Gesichtspunkten herauszuarbeiten. Als Messobjekt dient eine dynamische Mikropumpe. Wenn man diese ansteuert, wird die Membran in kleine Schwingungen versetzt. Die Amplitude der Schwingungen soll in diesem Versuch ermittelt werden. geometrische Auflösung Dynamik / Messfrequenz optische Eigenschaften des Messobjektes Messfleckdurchmesser technischer Geräteaufwand Bedienerfreundlichkeit 1 Einleitung In der Mikrotechnik gibt es verschiedene Methoden, um Abstände unterhalb des Mikrometerbereiches zu messen. Als Beispiele sind u. a. Messmikroskop, Rasterelektronenmikroskop, Interferenzmikroskop, Laserfokusmeßsysteme genannt. Die meisten Systeme sind für dynamische Abstandsänderungen nicht oder eingeschränkt einsetzbar. Eine alternative Meßmethode stellt der Faseroptische Abstandssensor dar a-arbeitsabstand (Faser-Messobjekt) Abb. Schematischer Aufbau faseroptischer Abstandssensor

3 Mit ihm können Abstandsunterschiede unterhalb von 20 nm und Frequenzen bis über 100 MHz aufgelöst werden. Der Abstandssensor dient zur berührungslosen Messung eines Abstandes oder einer Feinverschiebung zwischen Sensor und einer anzutastenden Fläche. Das faseroptische Meßsystem gestattet Arbeitsabstände im µm- bis cm- Bereich mit einer hohen Auflösung. Das aus einem Lichtleiter abgestrahlte Lichtbündel wird nach der Reflexion am Messobjekt durch einen zweiten Lichtleiter aufgenommen und durch optoelektronische Wandler in eine elektrische Spannung umgesetzt. Durch die abstandsabhängige Abbildung des Lichtbündels auf den empfängerseitigen Lichtleiter werden unterschiedliche Lichtströme zum Empfänger geleitet. Der Verlauf der Spannungs-Abstands-Kennlinie wird durch das optische Abbildungsverhalten und das photometrische Entfernungsgesetz bestimmt. Das optische Abbildungsverhalten kann mit dem mittleren Lichtstrahl annähernd beschrieben werden. Dieser Strahl tritt in der Mitte des sendenden Lichtleiters aus, trifft unter einem bestimmten Winkel zwischen den Lichtleitern auf das Messobjekt und gelangt durch Reflexion mit demselben Winkel auf den empfangenden Lichtleiter. Der Intensitätsverlauf kann in Abhängigkeit vom Eintrittsw inkel m it einem Sinu s beschrieben w erd en. Einen w eiteren Einfluss auf d ie Intensität hat die Länge des Lichtstrahles. Die Intensität I nimmt quadratisch mit dem Abstand a ab. Soll das Modell genauer beschreiben werden, so sind neben dem mittleren Strahl alle Strahlverläufe integral einzubeziehen. Die Lichtintensität auf dem Messobjekt kann vereinfacht mit folgender Gleichung beschrieben werden. I Messobjekt =K * sin * 1/a² Abb. vereinfachter Strahlenverlauf Der Winkel ist der Winkel zwischen dem einfallenden oder reflektierten Strahl und der Oberfläche des Messobjekts. Die Konstante K bzw. K stellt eine Systemkonstante dar, die im Wesentlichen von den Eigenschaften der Lichtleitfasern und von den Reflexionseigenschaften des Messobjektes abhängen

4 Da der weitere Verlauf des Lichtes nun vom Messobjekt zum Empfänger erfolgt, muss die Gleichung ein weiteres Mal angewendet werden. Die Intensität, die letztendlich am Empfänger anliegt, entspricht qualitativ folgendem Verlauf. I Empfänger =K *( sin * 1/a² )*( sin * 1/a² ) Der Abstandssensor kann in zwei Arbeitsbereichen betrieben werden. Im ansteigenden Bereich besitzt der Sensor eine höhere Empfindlichkeit (Steilheit) als im abfallenden Bereich. Im Gegensatz zu interferometrischen Messanordnungen müssen bei der Abstandsmessung relativ große Messflächen zur Verfügung stehen. Man kann die Flächen reduzieren, indem man die Lichtleitfasern verkleinert. Eine Verkleinerung jedoch würde eine Reduzierung des Lichtstromes im Lichtwellenleiter bedeuten. Dadurch kann an der Empfängerdiode nicht mehr genug Lichtenergie eingekoppelt werden, um ein ausreichend hohes Signal zu erzeugen. Dieses Problem wird reduziert, indem anstatt der zwei Lichleitfasern ein ganzes Faserbündel verwendet wird. Die Hälfte der Lichtleitfasern dient der Auskopplung des Lichtes, wobei die andere Hälfte des Bündels der Lichteinkopplung zum Empfänger dient. Die Verteilung der einzelnen Fasern kann dabei stochastisch sein. 2 Aufbau des faseroptischen Sensors Messobjekt Lichtleitfasern Verstelltisch - 3 -

5 Am Anfang des Signalweges befindet sich die Lichtquelle. Die Wellenlänge des Lichtes muss den Lichtleitfasern, den abzutastenden Flächen und dem optoelektronischen Wandler angepasst sein. Beim Praktikum wird das Licht einer rot leuchtenden LED verwendet. Die LED wird dabei mit Gleichstrom betrieben. Verwendet werden aber auch Lichteinspeisungen mit oszillierendem Licht. Das Licht wechselt dabei ständig die Intensität. Diese Art von Modulation oder Schopperung bringt dabei den Vorteil mit sich, dass Temperaturdrift und Umgebungshelligkeit eliminiert werden. Die Lichtquelle wird in geeigneter Form in die Lichtleitfasern eingekoppelt. Üblich sind integrierte Anordnungen (LED Lichtleitfaser). Das Licht kann über größere Entfernungen zur abzutastenden Fläche übertragen werden. An die sendende Lichtleitfaser wird unmittelbar die empfangene Lichtleitfaser angeordnet. Die Ein- und Austrittsflächen der Lichtleitfasern müssen plan geschliffen sein, um eine direkte Lichtübertragung quer zur Faser zu vermeiden. Das Messobjekt ist auf einem Feinantrieb mit Mikrometerschraube justierbar angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit, das Lichtleitfaserpaar verschiebbar anzuordnen. Die Übertragung über die Lichtleitfaser kann auch im Empfängerteil über größere Entfernungen realisiert werden 3 Signalfluss Der Signalweg beginnt mit einer Lichtquelle, der LED. Das Licht der LED wird in das Faserbündel eingekoppelt, weitergeleitet und gelangt an die Oberfläche des Messobjektes. Von dort wird das ausgesendete Licht an der Objektoberfläche reflektiert, und in die empfangende Faser eingekoppelt. Die Lichtleitfasern enden an dem optoelektronischen Empfänger und koppeln das Licht dort ein. Der optoelektronische Wandler kann ein Fototransistor, eine Fotodiode oder ein Sekundärelektronenvielfacher (SEV) sein. Im Praktikum wird eine Si -pin-diode verwendet. Für eine hochwertige Lösung ist eine Avalanchefotodiode besser geeignet. Die Fotoströme- bzw. Spannungen der Fotodiode werden anschließend durch Operationsverstärker verstärkt. Die so erhaltenen Ausgangsspannungen können mit Hilfe von Voltmetern abgelesen werden. Bei dynamischen Abstandsänderungen wird die Spannung über ein Oszilloskop dargestellt. Abb. optischer und elektrischer Signalfluss - 4 -

6 Will man eine Rechnerkopplung realisieren, so ist eine Analog -Digitalwandlung und eine Datenübertragungslinie anzubinden. Mittels geeigneter Programme sind dann in dieser Ausbaustufe Justierung, Messwertaufnahme und deren Verarbeitung komfortabel zu handhaben. 4 Messablauf Bevor eine Messung mit dem faseroptischen Sensor durchgeführt werden kann, muss dieser kalibriert werden. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche des Kalibrierobjektes in definierten Abständen an das Lichtwellenleiterpaar angeordnet und anschließend mit Hilfe des Feinantriebes wegbewegt. Dabei werden die einzelnen Abstände mit den dazugehörigen Ausgangsspannungen zugeordnet. Es muss gewährleistet werden, dass die Oberflächen des Kalibrierobjektes mit dem Messobjekt bezüglich der optischen Eigenschaften (Reflexionsgrad) übereinstimmen. Aus diesem Grund sollte das Messobjekt gleichzeitig als Kalibrierungsobjekt verwendet werden. Das Ergebnis dieser Messreihe liefert die Kennlinie des faseroptischen Sensors. Die Spannungsamplituden U werden in Abhängigkeit vom Abstand a des Sensors in einem Diagramm dargestellt. Abb. Kennlinie faseroptischer Sensor U = f(a) - 5 -

7 5 Versuchsdurchführung Im ersten Teil des Praktikumsversuches ist die Arbeitskennlinie für eine bestimmte Oberfläche aufzunehmen und in ein Diagramm einzutragen. Das Lichtleitfaserpaar ist dabei so dicht wie möglich an die abzutastende Oberfläche heranzuführen, so dass noch keine Berührung zustande kommt. Dieser minimale Abstand wird als Nullpunkt ( a=0) definiert. Der Verstärker ist mit dem Offsetregler so einzustellen, dass die beim Arbeitsabstand a=0 die Ausgangsspannung U auch 0 Volt beträgt. Anschließend ist mit dem Feinversteller der Abstand a schrittweise zu vergrößern, und die zugehörige Ausgangsspannung U zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in einem Kennliniendiagramm darzustellen. Der zweite Teil des Praktikums soll die dynamischen Eigenschaften des Meßsystems verdeutlichen. Damit eine hohe geometrische Auflösung erreicht werden kann, muss diese Messung im ansteigenden Teil der Kennlinie erfolgen. Die Arbeitsabstand a ist so zu wählen, dass der Arbeitspunkt im mittleren Bereich des ansteigenden Teils der Kennlinie liegt. Werden kleine Amplituden gemessen, ist diesem Bereich ist mit guter Näherung eine lineare Arbeitsweise möglich. Bei elektrischer Ansteuerung der dynamischen Mikropumpe ist ein oszillierendes Signal auf dem Oszilloskop erkennbar ist. Die geometrische Auslenkung der Membran ist mit Hilfe der Sensorkennlinie zu bestimmen. 6 Vorkenntnisse Lichttechnik: photometrische Entfernungsgesetz optoelektronische Wandler Applikationen von Operationsversärkern Aufbau von Lichtwellenleitern 7 Fragen 1. Erklären Sie die Funktion und Arbeitsweise des Faseroptischen Sensors! 2. Wie ist die Form des Kennlinienverlaufs des faseroptischen Sensors zu erklären? 3. Von welchen Faktoren wird die geometrische Messgenauigkeit begrenzt? 4. Wodurch wird bei dynamischen Messungen die maximale Messfrequenz bestimmt? 5. Welchen Einfluss hat der Durchmesser der Lichtleitfaser auf die Kennlinie? 6. Wie wirkt sich das Umgebungslicht auf die Messung aus? 7. Welche Möglichkeiten bestehen, um die Umgebungshelligkeit zu eliminieren? 8. Erklären Sie in einem Schaltungsbeispiel die Verstärkungseinstellung und die Offseteinstellung an Operationsverstärkern! - 6 -

8 Name: Fakultät/Fachgebiet: Datum: Protokoll zum Praktikum Faseroptischer Abstandssensor 1.Vorbetrachtung: 1.1 Skizzieren Sie den strukturellen Aufbau der Messeinrichtung (optischer und elektrischer Signalfluss) 1.2 Verwendete Geräte / technischen Angaben verwendeter Komponenten / Bezeichnung des Messobjektes mit technischen Angaben 2.Durchführung: 2.1 Eingrenzung des Messbereiches 2.2 Aufnahme der Amplitudenwerte in Abhängigkeit des Abstandes 2.3 Bestimmung des optimalen Arbeitspunktes 2.4 Ermittlung der Wechselspannung bei oszillierender Membran 3.Auswertung: 3.1 Darstellung des Amplituden-Weg-Diagramms 3.2 Berechnung des Anstiegs U(a) / a im Arbeitspunkt 3.3 Berechnung der Schwingamplitude 3.4 Bestimmung der Messfehler Praktikumsdurchführender: Note/Testat: Unterschrift: - 7 -

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