Upload
hoangkhanh
View
262
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
2
1. Padrão de Comprimento
2. Natureza da Luz
3. Tipos de Interferômetros a Laser
4. Aplicações em Engenharia Mecânica
4.1. Metrologia
(Deslocamento, Erros de Retitude, Erros de Posição, Erros Angulares e Erros de Ortogonalidade)
4.2. Vibração
Tópicos que serão explorados na aula
3
1 – Padrão Primário de Comprimento
4
1 – Padrão Primário de Comprimento
Cúbito - Egito Antigo
1799 – Distância Terrestre - França
1890s – Blocos Padrão, Carl Edvard Johansson
Metro, Barra de platina-irídio
1960 – 1.650.763,73 comprimentos de onda da radiação laranja-vermelho do Kr86
1982 – comprimento percorrido em 1/299.792.458 segundos pela luz no vácuo
7
•1.552.334,83 da radiação vermelha do Cádmio
•1.769.557,9 do isótopo 84 do Criptônio
•1.830.740,86 do isótopo 198 do Mercúrio
definições para o metro :
•1.650.763,73 da radiação laranja do Criptônio 86
Só em 1960:
Feixe de Luz :
se tornou a escala
e o comprimento de onda as graduações.
O COMPRIMENTO DE ONDA DE LUZ, COMO PADRÃO
8
o segundo
é a duração de 912.631.770 períodos de radiação correspondente a
transição entre dois níveis hiperfinos do átomo de césio 133
a partir de 1983:
o metro é definido em função do tempo
o metro é o comprimento do caminho
percorrido pela luz no vácuo
durante o intervalo de tempo
igual a 1/299.792.458 de segundos
O TEMPO, COMO PADRÃO
9
1 parte em 1011
equivalente a medir o círculo da terra
com resolução de 1mm
AS INCERTEZAS ASSOCIADAS
1 parte em 1013
aproximadamente 1 segundo em 300.000 anos
10
CADEIA DE RASTREABILIDADE
Relógio Atômico de Césio
Laser HeNe Estabilizado
Interferometria Laser
Barras e Blocos Padrões
Padrões de Forma
Medições Rastreáveis de Peças
Protótipos Calibrados
11
No Brasil a unidade de comprimento é realizada pelo Laboratório de
Interferometria (LAINT) do Inmetro.
Padrão nacional de comprimento
12
Primeiro laser constituído das mistura dos gases hélio e neônio
Foi o cientista chamado Javan quem criou o primeiro laser a gás,
utilizando uma mistura dos gases nobres, Hélio e Neônio
13
Esquema de uma cavidade de Laser de He-Ne
14
Esquema de uma cavidade de Laser de He-Ne
15
Sistema Laser de Medição
Fonte laser
Sensores de pressão, umidade, temperatura do ar e
do material
16
f1
divisor de feixe
prisma triedro (refletor)
f1
f2
f2
Partes ópticas
17
Onde :
A
x,t
T
a
T
v
T
1f
Representação de uma onda de luz
v velocidade e
18
A composição da luz branca
Normalmente tomado como 0,5 m
COR Comprimento de onda (m)
Violeta 0,396 – 0,423
Azul 0,423 – 0,490
Verde 0,490 – 0,575
Amarelo 0,575 – 0,600
Laranja 0,600 – 0,643
Vermelho 0,643 – 0,698
Mercúrio 198 0,5461 m
Kriptonio 86 0,6430 m
Laser He-Ne 0,6328 m
19
A luz monocromática é considerada como a composição de um número infinito de ondas de mesmo comprimento, valor tal que determina a cor do feixe.
A
x,t
T
a
G
B
R
R
GaBa
Feixes Monocromáticos
Raios de diferentes intensidades formam o feixe monocromático (mesma frequência).
20
Interferência: A máxima interferência destrutiva ou construtiva ocorre quando: e n número inteiro
A
x,t
aR
GaBa
2
δ cos a 2a R
2.
n
Raios defasados
Para uma defasagem "" e amplitudes iguais "a"
21
Se BO2 - AO2 = (2n+1)(/2) 1800 defasados (impar) BO3 - AO3 = 2n (/2) em fase (par)
A
B
O O
O
O
1
2
3
(claro)
(escuro)
(?)
A formação de franjas
22
Principais aplicações em Metrologia
Medição de:
Planeza
Paralelismo
Erros de retitude
Erros angulares
Distâncias, etc.
Medições de grande precisão
Blocos-padrão
Calibração de máquinas
Utilização em:
23
Interferômetria aplicada a medição de planeza
Problema clássico de mecânica de precisão
Fabricar superfícies plana
Medir a planeza.
24
Fabricado pela : COVENTRY GAGE & TOOL CO LTD. HILGGER and WATTE LTD.
Plano e não paralelo
Fonte de luz
Pin-Hole
Lente
Filtro
Espelho (observador)
Lente Colimadora
Plano de referência
Bloco sob teste
Base
O Interferômetro para medição de erros de planeza e paralelismo
(projeto NPL) Situação do espécimen
Plano e paralelo
Côncavo ou
convexo paralelo
Plano e não paralelo
25
Interferômetro de FIZEAU para medição de planeza;
Interferômetro do tipo FIZEAU para medição de blocos-padrão;
TWYMAN e GREEN para testes ópticos;
Interferômetro com contagem de franjas;
Michelson.
Como existem muitos tipos de interferômetros, atenção especial será dada aos seguintes:
Tipos de interferômetros
26
A LUZ deve ser
• Monocromática
(comprimento de onda muito bem definido)
• Colimada
(propaga-se como um feixe de
ondas praticamente paralelas)
• Coerente
(todas as ondas dos fótons que
compõe o feixe estão em fase)
Tipos de interferômetros
27
Interferômetro de Michelson
Espelho total
Espelho total
móvel
Observador
Espelho parcial
Lente colimadora
Fonte de luz monocromática
Espelho total
Espelho total móvel
Observador
Lente colimadora
Fonte de luz
Pin-Hole
Compensador
Espelho de 50%
Referência
28
Interferômetro do tipo HP
Espelho total
Retrorefletor móvel
Espelho parcial de 50%LASER
Espelho total
Retrorefletor móvel
LASER
Monitor Saída
29
Essencialmente uma modificação do interferômetro de Michelson.
"Especial para testes de lentes e prismas"
Espelho total
Observador
Espelho parcial
Lente colimadora
Fonte de luz
PRISMA
Espelho total
O Interferômetro de Twyman e Green
30
Limites de acuracidade
DOIS SÃO OS FATORES LIMITANTES:
Incerteza na definição das franjas
Qualidade do plano óptico. Essas limitações se tornam importantes quanto
maior é o caminho percorrido pela luz
Varedura fotoelétrica (0,01 franja)
Controle do plano óptico e entrada de dados para correção.
As franjas de interferência proporcionam a medida da variação do caminho óptico
entre o plano óptico e a superfície em teste. Essa variação está diretamente relacionada à
soma algébrica dos erros de planeza da peça e da referência.
Portanto, é fundamental a determinação da planeza do plano de referência
IMPORTANTE
SOLUÇÕES
31
Os Interferômetros Laser
Os interferômetros são compostos por:
uma fonte de luz, um elemento divisor de feixes;
um refletor e;
um detector para observação de franjas de interferência.
A medição interferométrica de deslocamentos lineares é conseguida
através do Princípio de Michelson.
FONTE
LASER
RECEPTOR
Espelho
de 50%
F1 + F2
F1
F2
F1
F2
Espelho Refletor
Espelho
Refletor
32
Medição de deslocamento
Interferômetro Canhão
Laser
MOVIMENTO
Refletor
f1 + f2
f1 + Df1 + f2
f1
f1+Df1
Montagens do sistema
interferométrico para medição de
deslocamento
Interferômetro
Canhão
Laser
MOVIMENTO
MESA
Refletor
f1 + f2
f1 + Df1 + f2
f1f1+
Df1Interferômetro
Canhão
Laser
MOVIMENTO
MESA
Refletor
f1 + f2
f1 + Df1 + f2
f1f1+
Df1
33
Medição de deslocamento – Exemplo de montagem
Montagens do sistema interferométrico para medição do erro de posicionamento do
eixo Y em uma MM3C do tipo Ponte Móvel
34
Medição de erros de retitude - Laser de alinhamento
LASE
R
Dire
ção do
mov
imen
to
Foto
célula d
e qu
adra
ntes
Eixo
35
Medição de erros de retitude - Interferômetro Laser
Braço
Espelhos
Refletor de
MOVIMENTO
Prisma de
Wollaston
MESA
Braço
Espelhos
Refletor de
retitude
MOVIMENTO
Divisor de raio
Prisma de
Wollaston Direção
preferencial
MESA
Interferômetro Laser com o prisma de Wollaston
36
Efeitos de desalinhamento na medição dos erros de retitude
Laser
Linha de referência
Caminho do feixe laserErro de
retilineidadeValor do erro de
retilineidade medido
Prisma de
Wollaston
Refletor de
retilineidade
Para remover o desalinhamento dos dados
Método dos Pontos Extremos
Método de Mínimos Quadrados
37
Método dos Pontos Extremos
Determinar a inclinação da reta, que passa pelos primeiro e último ponto de medição
P1 ... Pn
f(P1)
f (Pn)
...
Erro medido
Eixo L
r
L
)P(f)P(f)inclinação(m 1n
Desta forma determina–se a reta r pela equação: bmXYinclinação
E o erro de retitude é dado por : YVerdadeiro = YLaser – YInclinação
38
Método dos Mínimos Quadrados
x1 xN
m
y1
yn Y r
...
... X
bmXYinclinação
22 X.N)X(
Y.X.NY.Xm
22
2
X.N)X(
X.YXY.Xb
E o erro de retitude é dado por : YVerdadeiro = YLaser – YInclinação
39
1
2 y
x
Prisma de Wollaston
Refletor de
Retitude
Raio Laser
Direção de movimentação
y(x)
Medição de erros de retitude - Efeito da planeza do espelho
Se os espelhos do refletor não são perfeitamente planos
Deve-se fazer uma medição e rotacionar em 180o ao redor
da linha de centro o refletor de retitude e fazer uma nova
medição.
40
Medição de erros de retitude – Exemplo de Montagem
Montagens do sistema interferométrico para medição do erro de retitude do eixo Y
na direção X em uma Máquina de Medir a Três Coordenadas do tipo Ponte Móvel
41
Medição de erros angulares – Definição de erros angulares
Pitch
Yaw
Roll
42
Laser
Comparador Cálculo dos ângulos
Fotodetetores
Refletores gêmeosInterferômetro
f 2Df2
f 1Df1
f1
f 2
f 1 f2
f2-f1
Df2-Df1
(f2-f1)+( Df2-D f1)
Medição de erros angulares - Interferômetro Laser
Sistema Interferométrico Laser com ópticas angulares
43
Montagem do erro angular
Pitch “Y”
Montagem do erro angular
Yaw “Y”
44
Medição de erros de ortogonalidade - Interferômetro Laser
Esquadro óptico
Refletor de retitude
Interferômetro de Wollaston
Feixe Laser
Canhão Laser
2 3 4 5
XY
45
Medição de erros de ortogonalidade - Interferômetro Laser
erro de retilineidade do
eixo Y na direção X
erro de retilineidade do
eixo X na direção Y
erro de
ortogonalidade
ERRO
46
Compensação do índice de refração
• O índice de refração do ar pode ser medido ou calculado:
Refratômetro;
Através da equação de “Edlén”(1966), usando-se sensores
adequados para medir a pressão atmosférica, temperatura do
ar e umidade.
110
1
)1(
)(101)1( 10
2
65
4
32
8
1
vac
s fT
pTp
umidade índice
padronizado temperatura Comp.onda pressão
47
Compensação do índice de refração
110
1
)1(
)(101)1( 10
2
65
4
32
8
1
vac
s fT
pTp
Umidade índice
padronizado Temperatura
(oC) Comp.onda Pressão
(Pa)
K1 = 96095,43;
K2 = 0,601;
K3 = -0,00972;
K4 = 0,003661,
K5 = 3,7345,
K6 = 0,00401;
E os demais símbolos são constantes da equação na revisão segundo Birch:
48
Exemplo :
D Temperatura do ar = 1 0 C;
D Pressão = 333,3 Pa (2,5 mmHg)
D Umidade = 60 %
Erro de 1 m em 1 m
Compensação do índice de refração
49
Comparador de Lasers
50
Arranjo de Medição
• vantagem - os feixes estão no mesmo “corredor de medição”;
• Mesmo sentido (Schüssler)
prisma de medição
laser objeto
laser de referência
prisma de referência
divisor de feixe
feixes dos laseres
mesa de deslocamento
51
Comparador de Laser
Referência
Cliente
52
53
54
57
Outro Exemplo: Vibrômetro