Hur fungerar optiska och magnetiska enkodersystem i mätinstrument?

Optiska encodrar är baserade på detektorsystem som kan registrera ljus som emitteras från ett mönstrat rörligt element, som ofta kallas en "optisk skala". Denna skala innehåller vanligtvis ett eller flera uppsättningar parallella linjer med ett förutbestämt konstant mellanrum, eller "pitch". Det detekterade ljuset omvandlas till ett elektriskt signal som kan behandlas som digitala fyrkantiga vågor eller som analoga signaler, där analog bearbetning tillåter upplösning av signalen genom interpolation. För att skapa olika fas-signal från samma skala, utrustas masken ofta med flera gratingområden som har fördefinierade förskjutningar.

För att förbättra noggrannheten används ibland metoden att subtrahera signaler med motsatta faser och dela dessa. Detta eliminerar konstanten C och minskar känsligheten för transmissionsförluster i den elektriska signalen som orsakar variationsändringar, vilket resulterar i en exaktare positionsmätning. En typisk encodertyp kan ha en pitch på 20 µm eller 40 µm och kan interpoleras till en upplösning på upp till 0,1 µm eller mindre.

För en pitch som är mindre än 5 µm, där diffraktionseffekterna blir mer betydelsefulla, kan en annan metod, interferensprincipen, användas. Interferensgivare, eller grating interferometrar, bygger på att en periodisk gratingstruktur interagerar med en koherent ljuskälla. Gratingen fungerar som en array av koherenta punktkällor, som var och en utsänder en sfärisk våg. Beroende på riktningen för ljusets spridning kan dessa vågor interferera konstruktivt och bilda en plan vågfront. För konstruktiv interferens måste den optiska väglängden mellan två vågfrontar skilja sig med ett helt multiplum av enhetslängden för de intilliggande spalten i gratingen.

En annan typ av encoder är den magnet-induktiva encodern, som använder ett magnetiskt gradiensmönster för att mäta positioner. En sådan encodertyp bygger på en linjal med magnetisk gradering där fältet växlar mellan nord (N) och syd (S), vilket skapar ett sinusformigt magnetiskt mönster med konstant pitch. Här används två sensorer som är förskjutna i förhållande till varandra, vilket gör det möjligt att upptäcka fasskillnader och beräkna positionen med hög precision. Det största fördelen med magnetiska encodrar är deras motståndskraft mot tuffa miljöer, som fukt eller olja, vilket gör dem mer robusta än optiska system.

För exaktare ytmätningar används ofta konfokala sensorer, som kan mäta avståndet till en specifik punkt på en yta. Här fungerar sensorn genom att mäta signaler baserat på fokuseringsfel. När sensorn inte är i fokus genereras ett signalvärde som sedan används för att justera fokuseringssystemet. Detta kan göras kontinuerligt under en ytsökning där högfrekventa signaler mäter små ytstrukturer, medan lågfrekeventa används för att justera fokus. Sådana system är vanliga i optiska skivspelare som CD- och DVD-enheter.

Vid användning av dessa mättekniker är det avgörande att förstå hur varje system reagerar på olika miljöförhållanden, och hur noggrant dessa sensorer måste kalibreras. Interferometriska system, med deras mycket fina upplösning, kräver en hög nivå av optisk precision och kan vara känsliga för små förändringar i systemets inställningar. Magnetiska system, å andra sidan, erbjuder mer robusthet men kan ha något lägre upplösning i vissa sammanhang. Varje teknik har sina för- och nackdelar beroende på applikationen och de miljöförhållanden som den ska användas under.

Hur kan ISO 16610-standarder och filter påverka yttopografi och mätning?

I denna text belyses de grundläggande begreppen inom yttopografi och hur de klassificeras och standardiseras genom ISO 16610-ramverket. Det är en systematik som syftar till att strukturera och definiera filtreringsmetoder som används vid ytmätning, vilket är avgörande för att säkerställa att mätdata är precisa och tillförlitliga.

ISO 16610 omfattar en rad filtermetoder som delas in i två huvudkategorier: profilfilter och areella filter. Profilfilter är de mest grundläggande och används för att analysera ytors profil genom att isolera specifika detaljer av ytan, såsom högfrekventa ojämnheter eller långsamma variationer. Areella filter, å andra sidan, arbetar med tvådimensionella ytor och kan ge mer detaljerad information om yttopografin på ett mer komplext sätt. Klassificeringen i tabell 9.1, som sammanfattar ISO 16610-seriens filter, indelar dessa i robusta, linjära och morfologiska filter, där varje filtertyp har sina specifika tillämpningsområden.

Vid användning av filter som de i ISO 16610 är det också viktigt att förstå de grundläggande parametrarna för areell ytteknologi, som definieras i ISO 25178-2:2012. Här används begreppen S (yta) eller V (volym) för att beteckna specifika parametrar som används inom produktdokumentation och ritningar. Dessa parametrar kan ge viktig information om ytan, till exempel genom att mäta autocorrelationslängd eller texturens aspektförhållande.

Autocorrelationslängden, som definieras som den horisontella avståndet där autocorrelationsfunktionen (ACF) avtar till ett specifikt värde, är en viktig parameter för att karakterisera ytan. För att förstå denna parameter måste man skilja på 1D- och 2D-autocorrelation, där den senare är en mer komplex representation som kan ge mer information om ytors struktur i två dimensioner. Skillnaden mellan dessa två definieras tydligt i figuren som ger ACF av både en S–F yta och dess 2D-autocorrelation.

Vid mätning av ytstrukturer, särskilt när man arbetar med filter, kan parametrar som Str(s), som representerar texturens aspektförhållande, användas för att mäta hur snabbt ACF avtar vid olika värden. Detta kan ge ytterligare insikter i hur texturen på ytan beter sig vid olika skalor.

För att ge läsaren en djupare förståelse för tillämpningarna av dessa begrepp och filtermetoder, är det viktigt att känna till hur filtrering och analys av ytor kan påverkas av olika mätinstrument och deras upplösning. Till exempel, när en profil mäts med en mekanisk texturmätare som har en probdiameter på 2 μm, måste man förstå vilken effekt detta kan ha på resultaten. Om provdiametern är för stor i förhållande till ytas småskaliga detaljer, kan vissa ytegenskaper förvrängas eller förloras.

Förutom de ovan nämnda begreppen är det också viktigt att överväga den praktiska tillämpningen av dessa filter och parametrar inom industrin. För att förstå det verkliga värdet av filter och standarder som ISO 16610 är det avgörande att ha en förståelse för de mätningar och metoder som används i praktiken. För att ta ett exempel, när en yta ska karakteriseras för att verifiera dess kvalitet och prestanda i en produkt, spelar det en stor roll vilken typ av filter som används för att extrahera de mest relevanta detaljerna om ytan.