Interferometrische (Wellen)längenmessung

[atzensepp]

Vor einiger Zeit hatte ich mal ein Michelson-Interferometer mit Fischertechnik gebaut.
Immer wieder kam die Frage auf, ob man damit irgendwie die Wellenlänge messen kann.
Im Prinzip alles einfach. Aber in der Praxis doch knifflig. Zwar kann man das Interferenz-Signal mit einer Photodiode aufnehmen,
aber man kann nicht entscheiden, in welcher Richtung sich das Ganze bewegt. Schon geringste Vibrationen lassen das Signal schwanken, sodass Fehlzählungen auftreten. (Einmal gehustet und schon weitergezählt)

Hier ist ein Interferometer gezeigt, mit dem man die Interferenzen elektronsich auswerten und zählen kann.

PMI1.JPG (1.4 MiB) 5556 mal betrachtet

Als Spiegel kommen Retro-Reflektoren (Tripel-Prismen) zum Einsatz, die ich günstig erworben habe.
Um ein auswertbares Quadratursignal zu bekommen arbeite ich mit Polarisation (*). Das Laserlicht ist 45 Grad zur Tischebene polarisiert. (Daher die merkwürdige Schieflage des Lasers)
Im Zweig mit dem Verschiebetisch ist auf dem Rückweg des Strahls ein Lambda/4-Element (Plastikfolie) eingebracht, welches eine Polarisationskomponente des Strahls gegenüber der anderen senkrecht dazu Polarsisierten um eine viertel Wellenlänge verschiebt. Im Analysatorteil wird der interferierende Strahl in zwei orthogonale Polarisationen aufgespalten und mit zwei Photodioden gemessen. (die graue Platten sind Polarisationsfolien) Nach Detektion und Signalaufbereitung kann man die Interferenz-Signale auf dem Oszillografen sehen.
Die 4 Kanäle des Gerätes sind hier sehr hilfreich. Hier ist eine Single-Shot-Messung während der Translation in einer Richtung gezeigt.

PMI3.JPG (1.78 MiB) 5556 mal betrachtet

Man erkennt, dass die Justage noch nicht optimal ist, da die Quadratursignale noch ein leicht anderes Tastverhältnis haben.
Die aufbereiteten Signale der Photodioden gehen über eine 4-Flanken-Auswertung an einen Digtialzähler, mit dem der Durchlauf der Interferenzmuster gezählt wird. Die Auflösung beträgt eine viertel Wellenlänge des Laserlichts. (Oder doch 1/8 wegen des doppelten Weges im Verschiebe-Pfad ?)
Wenn die Justage und die Aufbereitungsschaltung (Verstärkung, Offset und Triggerlevel) gut eingestellt sind, schwankt der Zählerwert um einen Mittelwert.
Verschiebt man den einen Reflektor mit dem Verschiebetisch, zählt der Zähler hoch und verschiebt man ihn in die andere Richtung, zählt er wieder herunter. Die Wellenlänge des Lasers kann berechnet werden aus Verschiebeweg / Zählerwert * 4 * 2. Der gezählte Wert entspricht in etwa 644 nm, was in
etwa der Wellenlänge des Lasers entspricht.

Für die Justage des festen Retroreflektors habe ich ein Flexure (https://www.thingiverse.com/thing:4411343) gedruckt, was erstaunlich gut funktioniert.
Als Aktuatoren verwende ich 3mm Schrauben, auf die am Ende Stecknadelköpfe befestigt sind (Metallkugeln wären besser). Diese drücken auf Nd Magneten an der Gegenstelle.

PMI4.JPG (1.47 MiB) 5556 mal betrachtet

Und hier noch eine Impression von der Auswerte-Elektronik:

PMI2.JPG (1.67 MiB) 5556 mal betrachtet

Links: 4-Flanken-Auswetung und Digitalzähler
Mitte: Schmitt-Trigger und Signal-Anzeige
Rechts: Analog-Elektronik mit Verstärker (2-stufig), Level-Shifter und Komparator
Interferometer und Elektronik stehen auf unterschiedlichen Tischen.

(*) Der Weg, einen zweiten parallelen Strahl mit verschobener Phase zu verwenden war nicht erfolgreich, da weitere Freiheitsgrade die starre Phasenbeziehung zwischen den zwei Strahlen zu Nichte machen.

[steffalk]

Ich werd' weich...

[atzensepp]

Wenn man die Mikrometerschraube berührt, kommt es zu Schwingungen, die den Aufbau bewegen. Dieses Oszillogramm zeigt eine Bewegung mit Umkehrung. Durch die Quadratur-Erfassung kann die Richtung der Bewegung erkannt werden. Beide Signale sind noch nicht gleich hoch. Trotzdem bekommt eine reproduzierbare Zählung über +/- 0.5 mm. Die Justage der Potentiometer ist recht knifflig. Da muss ich mal Mehrgang-Potis für nehmen. Und es wäre natürlich schön, wenn man ein periodisches Signal aufprägen könnte, um besser oszillografieren zu können.(Lautsprecher?)

PMI6.JPG (2 MiB) 5478 mal betrachtet

[atzensepp]

Wenn man die Messungen in einer Richtung macht, sind sie gut reproduzierbar. Jede Messung hat eine Ungenauigkeitn von ca. +/- 20 Counts.

X: Mikrometer
Y: Counts

PM7.png (38.87 KiB) 5427 mal betrachtet

Bei der Umkehrung tritt ein Backlash von ca 270 Counts auf, was etwa 22 Mikrometer entspricht.

(Für längere Strecken müsste ich den Zähler erweitern oder mit dem Arduino zählen. Arduino hätte den Vorteil, dass man mehrere Messungen machen , mitteln und die Streuung ermitteln kann)

[juh]

Florian macht Florian-Dinge...

Geniales Projekt mal wieder!

vg
Jan

[atzensepp]

Tatsächlich kann man mit einem Lautsprecher eine kleine Eisntellhilfe bauen:

PMI8.JPG (1.54 MiB) 5369 mal betrachtet

Der Lautsprecher wird mit 20-222Hz angeregt. Die Zahl der Interfernzstreifen hängt natürlich nicht von der Frequenz sondern von der Amplitude des Signals ab. Mit einer Pulslängen-Triggerung kann man dann auf die breiteren Umkehr-Fringes triggern.
Dann kann man die Signalamplituden angleichen und die Trigger-Level. Auf dem Zähler muss man dann beobachten, dass er um einen Mittelwert schwankt und nicht fortlaufend zählt.

[atzensepp]

Mit einer Linse kann man die Fringes aufweiten und mit den Photodioden nur das Zentrum abtasten

PMI11.JPG (1.46 MiB) 5346 mal betrachtet

Maximum

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Minimum

PMI10.JPG (104.07 KiB) 5346 mal betrachtet

Die Signale sind kleiner aber dafür die Wiederholgenauigkeit bei Hin- und Herfahrten besser.

[Pilami]

Hi Florian,
super Arbeit!
das schreit förmlich nach einem ausführlichen ftPedia Beitrag.

lg
Lothar

[fishfriend]

Hallo...
Wie man bei -fischer-technik Fans so sagt: Haitech vom feinsten !
Wahnsins Modell, Hut ab.
Mit freundliche Grüßen
Holger

[atzensepp]

Statt dem Lineartisch nun ein Versuch mit Linear-Flexure und Mikrometerschraube, das auf den glatten Sechskant-Kopf einer 4mm-Schraube drückt:

Flex2.JPG (1.38 MiB) 5076 mal betrachtet

Vorteil: es ist kaum Schlupf vorhanden.
In die 4mm Bohrung des "Shuttles" kann eine 4mm-Achse eingepresst werden, die dann "geeignet" angesteuert werden kann:

Flex1.JPG (1.5 MiB) 5076 mal betrachtet

Der kleine Lautsprecher als Aktuator schafft bei diesem recht steifen Flexure zwar keinen großen Hub (nur 52 Wellenlängen ~ 33 Mikrometer) , aber die Fringe-Zahl ist reproduzierbar und wegen der Umkehrpunkte gut ablesbar.

Zweiter Effekt: eigentlich reicht bei dieser Art von Messung nur ein Kanal, da die Umkehrpunkte anhand der breiteren Fringes erkennbar sind und zwischen den Umkehrpunkten das Muster in nur jeweils eine Richtung wandert.

Flex3.JPG (2.16 MiB) 5076 mal betrachtet

Jetzt bräuchte ich nur noch eine "Voice-Coil" mit größerem Hub ( oder einen größeren Lautsprecher). Wahrscheinlich muss ich das Flexure auch noch weicher machen. Vielleicht kann man die Achse auch mit mechanisch mit fischertechnik anregen (wie bei Thomas (geometers) Plotter). Das wäre auszuprobieren.

[fishfriend]

Hallo...
...und statt des Lautsprechers einen Elektromagneten nehmen?
Kann ja sein, das es mit der Metallachse sogar ohne einen weiteren Magneten geht.
Oder statt des ft-Originalmagneten, den von ffm nehmen.
Man könnte den auch mit einer Gleichspannung "vorspannen" und dann mit einer Wechselpsannung überlagern.
Nur so als Idee.
Mit freundlichen Grüßen
Holger

[atzensepp]

Hallo Holger,

habe Deine Idee aufgegriffen und ft-Magnete und einen Topf-Elektromagneten und dem steifen Flexure probiert. Die Kraft hängt sehr nichtlinear vom Abstand Magnet-Achse ab. D.h. man muss schon nahe herankommen, um eine Auslenkung zu bekommen und wenn man dann zu nahe kommt, wird der Stab komplett angezogen. Es war mir nicht möglich, die Auslenkung kontinuierlich zu steuern. Aber vielleicht geht es mit einem softeren Flexure, wie diesem hier:

FLEXB1.JPG (1.45 MiB) 4815 mal betrachtet

Das Flexure wird "softer", wenn man die Dicke oder die Höhe der Blades verringert oder wenn man die Dimensionen vergrößert. Die Blades sollten nominal 0.6mm dick sein. Bei meinem 3D-Drucker sind es aber 0.84mm. Dünner habe ich nicht hinbekommen, da ich nur mit 0.2mm Auflösung statt mit 0.1mm drukce. (Ich will doch keine 5 Stunden warten!)

Mit dem kleinen Lautsprecher und 10 Hz bekomme ich eine Auslenkung von 85 Mikrometer, was in etwa 132 Fringes entspricht:

FLEXB2.JPG (1.64 MiB) 4815 mal betrachtet

Der Einbruch der Signalamplitude in der Mitte kommt m.E. von der Bandbreitenbegrenzung der Verstärkerelektronik. Er ist weniger ausgeprägt, wenn man langsamer anregt. Dieser Effekt verursacht möglicherweise Fehlzählungen im 4-Quadranten-Modus, wenn sich das Signal zu schnell ändert.
Mit einem großen Lautsprecher aus dem Aservatenschrank der geretteten Bauteile (die man mal irgendwann brauchen könnte) hier ein Aufbau, mit dem
ca. +/- 2 mm möglich sind. Mein Signalgenerator hat aber nicht genug Leistung, um diesen Bereich ganz auszusteuern:

FLEXB3.JPG (1.37 MiB) 4815 mal betrachtet

Ich denke, dass man den Lautsprecher mit Gleichspannung betreiben könnte und hätte dann mit dem Flexure gewissermaßen einen halbwegs preisgünstigen elektrisch einstellbaren Aktuator.

[Harald]

Hallo Florian,

der Trick, der bei nichtlinearen Sachen öfter hilfreich ist, ist ein zweites Ding von derselben Sorte, aber in Gegenrichtung dazu zu bauen. Ob das nun die schiefe Kennlinie eines Messaufnehmers ist oder sonst etwas. Hier also einen zweiten Hubmagneten in Gegenrichtung, und dann dafür sorgen, dass der "richtige" so ein bisschen die Überhand gewinnt.

Ein fantastisches Projekt ist das!

Gruß,
Harald

[atzensepp]

.
Wenn die Nd-Magneten in die Spule des Elektromagneten eintauchen, bekommt man einen brauchbaren "Moving Magnet"- Voice-Coil-Aktuator. (Proof of Concept)
Mit dem weichen Flexure und diesem Aufbau klappt Bewegung in 2 Richtugnen +/- 1mm :

FLEX4B.JPG (1.58 MiB) 4633 mal betrachtet

Im Inneren der Spule und parallel zu den 2 Nd-Magneten ist das magnetische Feld einigermaßen homogen und damit besser kontrollierbar.
Es sind (nur) 100 Wicklungen Kupferlackdraht (0.26mm) auf 10mm Durchmesser, 10mm Länge und Anregung: 4A bei 10 V.
(Da brummt mein Netzteil schon gewaltig und die Magneten werden richtig warm )

[atzensepp]

Es klappt auch mit 2 ft-Magneten:

FLEX4C.jpg (817.5 KiB) 4619 mal betrachtet

Edit:
1. Die beiden Pole der ft-Magneten sind gegensinnig. Daher habe ich mir überlegt, die Nd-Zylindermagneten
gegenpolig mit Abstand zu montieren, so dass jeder Pol des E-Magneten auf einen Nd-Magneten wirkt. Ich bilde mir ein, dass der Hub etwas höher ist.
2. Wenn man den Strom zu weit aufdreht, klickt ein Magnet an einen Elektromagneten. Eigentlich müsste man den Magnetantrieb in die Mitte des Flexures setzen, dann kann das nicht passieren, was bei den aktuellen Dimensionen nicht möglich ist.
3. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass das Flexure kaum Dämpfung hat. D.h. es neigt zu Schwingungen (ca. 24 Hz) , die beim Lautsprecher-Antrieb nicht so stark auftreten, weil die Membran die Schwingung dämpft. Wobei man Reibung mit einer Achs-Führung erzeugen könnte. (Oder evtl. Wirbelstromdämpfung?)

Bildschirmfoto vom 2024-05-18 18-57-20.png (422.85 KiB) 4589 mal betrachtet

4. Prinzipiell hat dieser Aufbau den Vorteil, dass der Antrieb in zwei Richtungen funktioniert. D.h. man kann beide Richtungen des Flexures ausnutzen und so den Arbeitsbereich vergrößern. Dafür braucht man eine Gegentakt-Endstufe mit zwei Leistungstransistoren.

[atzensepp]

Ein Weg, die Oszillationen zu verringern ist eine Wirbelstrombremse:

Flexure_mit_Wirbelstrombremse.jpg (773.02 KiB) 4556 mal betrachtet

4 Nd-Magnete auf dem Shuttle und darüber One-Cent-Münzen (US).
Ohne sehen die Oszillationen so aus:

Flexure_Oszillation_ohne_Wirbelstrombremnse.jpg (846.86 KiB) 4556 mal betrachtet

Und mit so:

Flexure_Oszillation_mit_Wirbelstrombremse.jpg (885.08 KiB) 4556 mal betrachtet

Es wirkt.

PS: Die Magnet-Stacks sind gegenpolig und kleben daher aneinander. Der vordere Stack klebt an den Befestigungsschrauben des Tripelspiegels.
Die Wirbelstrombremse ist besser als eine Achse, die durch ein Loch geschoben wird. Wegen Haftreibungen kommt es hier teilweise zu sprunghaften Bewegungen.

Edit:
Besser ist es, Kupfer auf das Shuttle zu setzen und die Magneten ins feste System:

WP_20240519_01_53_12_Pro.jpg (791.32 KiB) 4543 mal betrachtet

(hier handelsübliche Kupferfittings )

[atzensepp]

Ich brauche einen Gegentaktverstärker, der auch bis runter auf DC-Level gehen kann.
Hifi-Verstärker geht nicht, da der erst bei 20 Hz funktioniert. Die Schaltungen, die ich bis jetzt gefunden habe, sind auch für AC.
Ein spezielles Problem ist das Zero-Crossover: die Transistoren haben wegen Dioden-Kennlinie einen Tot-Bereich und machen erst ab +/- 0.6 V auf.
Ich habe mir folgende Schaltung ausgedacht, bei der ich für die beiden Transistoren die Diodenspannung drauf addiere. Sie funktioniert schon:

Gegentakt-Verstärker_2.JPG (1.34 MiB) 4400 mal betrachtet

Allerdings: Im Crossover-Bereich (um die 0V) habe ich Störungen (Radiosender?) , und die beiden Transistoren sind nicht gematcht: Der pnp hat eine leicht höhere Verstärkung als der npn. Das müsste eigentlich ein Standard-Problem sein, für das es schon eine Lösung gibt.
Hat jemand zufällig einen Link auf eine brauchbare Schaltung oder Vorschläge, wie man das verbessern kann?

PS: Mit Lautsprecher ist es kein Problem, da ich da mit einem Transistor auskomme. Den "Offset" regele ich durch Heran- und Wegschieben des Lautsprechers von der Schubachse.
Oder ich treibe das mit PWM über eine H-Brücke. Dazu muss ich das aber Computerisieren.

[atzensepp]

Wenn man im abgestimmten Interferometer die Signale der beiden Photodioden im X-Y-Diagramm betrachtet bekommt man eine Ellipse bzw. im Idealfall bei optimaler Justage (Lambda/4) einen Kreis (Die Unschärfe ist vermutlich dem "weichen" Aufbau aus ft geschuldet):

XY.JPG (1.4 MiB) 4133 mal betrachtet

Man kann das Flexure freischwingen bzw. mit einem Lautsprecher anregen. Die X-Y-Darstellung ist besonders für die Justage der Verzögerung der beiden Teilstrahlen gut geeignet. Weitere Beobachtung: Wenn ich das Interferometer mit der etwas streng gehenden Mikrometerschraube verstelle, verändert sich die Lage der Ellipse oder wird gar zu einer Gerade. Der Grund dafür ist, dass ein Drehmoment auf die ft-Halterung des Flexures ausgeübt werden, was die normaerweise starre relative Phasenlage verhundsen kann. Dann können Fehlzählungen auftreten.
Abhilfe: starrerer Aufbau oder Linearaktuator (Elektromagnet bzw. Lautsprecher).

[atzensepp]

Inzwischen habe ich eine gute Gegentakt-Verstärkerschaltung (Stichwort AB-Betrieb) gefunden, die minimale Verzerrungen beim Nulldurchgang aufweist:

EM-Drive4.jpg (922.28 KiB) 3908 mal betrachtet

Die ft-Hardware sieht so aus:

EM-Drive1.jpg (969.09 KiB) 3928 mal betrachtet

In dem Aufbau habe ich eine Gabellichtschranke TCST 2103 zur Wegaufnahme verwendet. (Der Sensorspalt der Gabellichtschranke wird durch das rote ft-Teil bei der Bewegung kontinuierlich abgeschattet)

Im Oszillogramm sieht man das Signal am Elektromagneten (violett) und das Signal am Phototransistor (gelb).
(Für genauere Messung könnte man das Signal des Phototransistors noch linearisieren)

EM-Drive3.jpg (839.13 KiB) 3928 mal betrachtet

Dann gibts noch einen Digitalteil, der ein Zäherfreigabe-Signal (zwischen Maximum und Minimum) und einen Strobe-Impuls erzeugt.
Ich verspreche mir viel davon, die Interferenzsignale mit einem Microcontroller auszulesen. Dann wird das Projekt leichter nachbaubar.

EDIT: Schaltplan upgedatet. 100 Ohm Widerstand am Ausgang des ersten Opamps! (Unterer Teil der Schaltung ist für die Trigger-Impuls-Aufbereitung)

[geometer]

Tolle Sache!