Systemy laserowe. dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki

Transkrypt

1 Systemy laserowe dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki

2 Lasery w metrologii

3 Laserowy wskaźnik kierunku drążenie tuneli układanie rurociągów Inne zastosowania: pozycjonowanie elementów w terenie budowa mostów drążenie szybów pionowych Źródło: T. Kurnaz

4 Niwelator laserowy Niwelator laserowy służy do wyznaczania różnic wzniesień punktów w terenie. Jego zadaniem jest utworzenie w przestrzeni poziomej widzialnej wiązki światła laserowego, w odniesieniu do której są możliwe bezpośrednie pomiary wysokościowe. Niwelator (1) wyznacza płaszczyznę odniesienia a lokalizator zamontowany na maszynie (2) pokazuje operatorowi wysokość, na jakiej ma ustawić element roboczy maszyny. Źródło:

5 Czujniki laserowe liczniki kurtyny świetlne Źródło:

6 Pomiary odległości Źródło: Schwarte: Principles of 3-D Imaging Techniques

7 Pomiar czasu przelotu Pomiar odległości polega na wysłaniu promienia lasera w kierunku obiektu i zmierzeniu czasu po jakim odbity promień powróci do nadawcy. Na podstawie tego czasu obliczana jest odległość od obiektu. s = v t rozdzielczość: ± 1,5mm zakres: 0-20m Źródło: Bosch

8 Dalmierz laserowy Źródło: Bosch

9 Przykładowe zastosowania ustalanie pozycji w suwnicach pomiar zapełnienia zbiorników pomiar średnicy zwoju blachy Źródło: u-epsilon

10 Triangulacja laserowa możliwość odwzorowania topografii powierzchni Źródło: automatykab2b.pl

11 Triangulacja laserowa 1. kamera 2. laser 3. obiekt 4. płaszczyzna światła 5. profil świetlny 6. obraz rejestrowany przez kamerę Źródło: M. Stankiewicz; automatykab2b.pl

12 Triangulacja laserowa montaż głowicy Podczas montażu głowicy lasera należy uwzględnić możliwość zasłonięcia odbitego światła Źródło: mikro-epsilon

13 Triangulacja laserowa rodzaje czujników Źródło: mikro-epsilon

14 Zastosowania triangulacji laserowej synchroniczny pomiar grubości ruchomych obiektów kontrola jakości części Źródło: u-epsilon Czujniki wykorzystuje się w procesie kontroli jakości obrabianych części metalowych. Poprzez pomiar dystansu czujnik może kontrolować okrągłość, koncentryczność oraz ugięcie badanej części

15 Zastosowania triangulacji laserowej kontrola płaskości nóżek chipów kontrola jakości części W celu uzyskania najwyższej jakości podczas montażu płytek PCB, wszystkie nóżki montowanych scalaków muszą znajdować się w jednej płaszczyźnie. W nowoczesnych systemach montażu automatycznego dokonuje się pomiaru bezpośrednio przed samym montażem. Kontrola ułożenia nóżek układów jest możliwa dzięki bardzo małej średnicy plamki lasera projektowanej przez czujniki Źródło: mikro-epsilon Po odlaniu koła aluminiowe są mierzone w celu określenia różnych właściwości, np. głębokość środka, okrągłość oraz wypukłość

16 Czujniki laserowe 2D i 3D Gdy informacja o wymiarze obiektu w jednym punkcie nie jest wystarczająca, pomocne są czujniki laserowe 2D, które pozwalają wyznaczyć odległość od detalu w większej liczbie punktów. Realizuje się to, przeprowadzając pomiar wzdłuż linii wyświetlanej na obiekcie Źródło: mikro-epsilon

17 Aberracja chromatyczna Im mniejsza szerokość spektralna promieniowania tym mniejsza plamka w ognisku Źródło: STIL

18 Konfokalny czujnik chromatyczny wysoka rozdzielczość wysoki stosunek sygnał-szum praca z wszystkimi rodzajami powierzchni szeroki zakres pomiarowy brak charakterystycznego rozkładu plamki laserowej speckle Źródło: STIL

19 Konfokalny czujnik interferometryczny pomiar niezależny od wibracji submikrometrowa rozdzielczość wysoki stosunek sygnał-szum pomiary cienkich warstw (~ 0,4 µm) Źródło: STIL

20 Czujniki konfokalne - zastosowanie Źródło: STIL

21 Czujnik konfokalny STIL Model Jednostka CL0 CL1 CL2 CL3 CL4 CL5 CL6 Zakres pomiarowy µm Zakres pracy mm 2,69 3,35 10,8 12,0 16,2 25,9 21,5 Maksymalne pochylenie próbki º ± 42 ± 42,5 ± 28 ± 25 ± 21 ± 14 ± 8,5 Płytka referencyjna - nie nie tak tak tak tak nie Źródło: STIL

22 Konfokalny czujnik chromatyczny Źródło: STIL

23 LIDAR Krótki impuls światła laserowego jest rozpraszany w atmosferze przez cząstki gazów i pyłów. Część światła rozproszona do tyłu dociera do teleskopu, który ogniskuje je na detektorze. Sygnał z detektora jest przetwarzany na postać cyfrową przy pomocy oscyloskopu cyfrowego i analizowany przez komputer. Opóźnienie sygnału jest proporcjonalne do odległości obiektów rozpraszających światło, a jego natężenie jest miarą ich koncentracji. Źródło: IMiO, PW

24 LIDAR LIDAR jest wrażliwy na warunki atmosferyczne, zapylenie atmosfery i turbulencje powietrza Źródło:

25 Zastosowanie LIDARu pozwala wyznaczenie powierzchni terenu: w trakcie przelotu samolotu o znanych współrzędnych rejestruje się prostokątny pas terenu w płaszczyźnie poprzecznej do kierunku lotu, projektowanie przebiegu tras drogowych, kolejowych, rurociągów, rejestracja linii wysokiego napięcia i wykrywanie kolizji z koronami drzew, generowanie numerycznego modelu pokrycia terenu dla terenów leśnych (planowanie dróg, systemów odwadniających), mapy powodziowe, generowanie numerycznego modelu pokrycia terenu dla terenów zabudowanych, generowanie modeli 3D dla miast (planowanie położenia anten, rozprzestrzenianie się hałasu i zanieczyszczeń), rejestracja i ocena zniszczeń po katastrofach: huragany, trzęsienia ziemi, powodzie, pomiar powierzchni zaśnieżonych i pokrytych lodem, monitorowanie lodowców, pomiar terenów podmokłych, pomiar mas ziemnych (hałdy, wysypiska śmieci), pozyskiwanie parametrów roślinności: wysokość drzew, średnica koron, gęstość zalesienia, określenie biomasy, granic lasów, pomiary hydrograficzne do głębokości 70 m.

26 Ze względu na zależność długości fali od warunków atmosferycznych (temperatury, ciśnienia) niedokładność pomiaru jest rzędu 0,1 µm przy przesuwie 1 m Źródło: R. Jóźwicki, Interferometryczny czujnik przemieszczenia Wiązka laser jest dzielona na falę pomiarową odbita od pryzmatu P i fale odniesienia odbita od pryzmatu P int. Obie fale po połączeniu przez dzielnik wiązki interferują w płaszczyźnie fotolinijki Ft, tworząc prążki interferencyjne. Rozdzielczość do 10 nm

27 Pomiar średnicy cienkich drutów I θ = I 0 πd sin θ sin λ πd sin θ λ 2 Źródło: IMiO, PW

28 Żyroskop laserowy interferometr Sagnaca żyroskop laserowy Przeciwbieżnie biegnące wiązki interferują ze sobą, a wynik interferencji jest rejestrowany przez detektor. W żyroskopie obracającym się z pewną prędkością kołową między wiązkami propagującymi się w przeciwnych kierunkach następuje różnica faz, rejestrowana przez detektor. Możliwe jest wyznaczenie prędkości kątowych obrotu ciała z dokładnością do 0,01 na godzinę Źródło: M. Hasselbeck, Konstanz

29 Prążki będą się przemieszczać w płaszczyźnie detektora. Szybkość przemieszczania jest proporcjonalna do prędkości przepływu gazu, a kierunek od kierunku przepływu Źródło: Anemometria Anemometry laserowe służą do bezkontaktowego pomiaru prędkości przepływu gazu i cieczy

30 Holografia Holografia: zapis informacji o przedmiocie za pomocą interferencji fali przedmiotowej z falą odniesienia Źródło: P. Spychalski, P. Dymacz Promieniowanie odbite od przedmiotu interferuje z falą odniesienia. Wynik interferencji jest rejestrowany na płytce fotograficznej, gdzie tworzy się hologram

31 Holografia Rekonstrukcja polega na oświetleniu hologramu wiązką lasera z zachowaniem identycznego jak podczas rejestracji położenia lasera względem hologramu. Obserwator w polu pozornym hologramu będzie widział wirtualny obraz Źródło: P. Spychalski, P. Dymacz, A. Urbankowski

32 Radary laserowe Częstotliwość promieniowania mierzona przez obserwatora rośnie, jeśli obserwator i źródło zbliżają się do siebie, a maleje, gdy oddalają ν 1 = ν υ c ν 1 częstotliwość mierzona ν 2 częstotliwość centralna υ - prędkość poruszania się obiektu Źródło: M. Hasselbeck, IMiO, PW

33 Spektroskopia absorpcyjna C 2 H 2 Lamberta - Beera A λ = ξ l c A λ poziom absorbancji przy określonej długości fali ξ współczynnik absorpcji l grubość warstwy absorbującej c stężenie substancji absorbującej Źródło: wilmerleonlaser.blogspot.com

34 Zasada działania spektroskopowego czujnika gazu Czym większa długość drogi oddziaływania wiązki światła z atmosferą gazową tym wyższa czułość czujnika Źródło: R. Yoshimura, et al.

35 Rozwiązania optycznych czujników gazu długa droga oddziaływania wykorzystanie zwierciadeł sferycznych wykorzystanie justowanych zwierciadeł Źródło: R. Yoshimura, et al.

36 Spektroskopia plazmy indukowanej laserowo Źródło: science.howstuffworks.com,

37 Spektroskopia plazmy indukowanej laserowo Źródło: K. Dzierżęga, T. Pięta

38 Spektroskopia plazmy indukowanej laserowo Widma promieniowania plazmy wytworzonej impulsem drugiej harmonicznej lasera Nd:YAG (λ = 532 nm) o energii 15 mj i zogniskowanym na powierzchni płytki mosiężnej Źródło: K. Dzierżęga, T. Pięta

39 Dziękuję za uwagę Lasery w wytwarzaniu