Tecnologia em Medição por coordenadas

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1 Tecnologia em Medição por coordenadas Prof. Alessandro Marques Interferômetria: - Princípios Básicos - Aplicações Metrológicas UFPR

2 Unidades de Medidas Quantidade : Unidade: Símbolo: Definição: 13 a CGPM/1967 Tempo Segundo (s) O segundo é a duração de períodos de radiação correspondente à transição entre dois níveis hiperfinos do átomo de Cesium 133 Quantidade : Unidade: Símbolo: Definição: 17 a CGPM/1983 Comprimento Metro (m) O metro é o comprimento do caminho percorrido pela luz no vácuo durante o intervalo de tempo igual a segundos de Quantidade : Unidade: Símbolo: Definição: 3 a CGPM/1901 Massa Kilograma (Kg) O kilograma é a unidade de massa: é igual à massa do protótipo do "kilograma" internacional. Feito de Platinun-Iridiun e mantido na França em "Sevres". Quantidade : Unidade: Símbolo: Definição: 9 a CGPM/1948 Corrente elétrica Ampère (A) O Ampère é a corrente constante a qual, se mantida em dois condutores retilíneos, paralelos, de comprimento infinito, de seção transversal desprezível e separados 1 metro no vácuo, produziria uma força entre 2 condutores de N por metro de comprimento.

3 Padrão de Comprimento Barra de 1 metro comprimentos de onda Kr 86 O feixe de luz se tornou a escala e os comprimentos de onda as graduações ao longo desta. Proposta NPL - UK ,73 onde: Comprimento de onda da radiação LARANJA - VERMELHO do isótopo Kr 86 no vácuo.

4 Incertezas: TEMPO [s] 1 parte em Aproximadamente 1s em anos COMPRIMENTO [m] 3 partes em Equivalente a se medir a circunferência da terra especificada até 1mm. MASSA [Kg] Até micrograma Aproximadamente a massa de tinta utilizada nesse ponto final. CORRENTE ELÉTRICA [A] Alguma partes em 10 6 Thompson-Lampard Ohm 5 partes em 10 6 Josephson effects in sup. cond. 3 partes em 10 6

5 A natureza da luz Dualidade da Luz Duas são as teorias que explicam a natureza da luz. NEWTON Emission Theory HUYGENS Wave Theory Para se explicar os fenômenos interferométricos deve ser adotada a luz como onda eletromagnética. Representação de uma onda de luz A T a x,t Onde : v velocidade v e T f 1 T

6 A composição da luz branca 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 Normalmente tomado como 0,5 m Comprimento de onda reproduzíveis: Mercúrio 198 0,5461 m Kriptonio 86 0,6430 m Laser He-Ne 0,6328 m Feixes Monocromáticos 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 R T B G a B a G x,t a R frequência). Raios de diferentes intensidades formam o feixe monocromático (mesma

7 Raios defasados A a B a G x,t a R Para uma defasagem "" e amplitudes iguais "a" a R δ 2 a cos 2 Interferência: A máxima interferência destrutiva ou construtiva ocorre quando n. e n número inteiro 2 A formação de franjas A O O 3 2 (?) (escuro) O O 1 (claro) B Se BO2 - AO2 = (2n+1)(/2) defasados (impar) BO3 - AO3 = 2n (/2) em fase (par)

8 Principais aplicações em Metrologia Medição de: planicidade paralelismo distâncias, etc. Utilização em: medições de grande precisão blocos-padrão calibração de máquinas Interferômetria aplicada a medição de planicidade Problema clássico de mecânica de precisão Fabricar superfícies plana Medir a planicidade. Plano óptico feito de vidro ou Quartzo (livre de tensões) Quando simplesmente deixado sobre a superfície a ser medida, este permanecerá inclinado de devido à formação de uma cunha de ar. Como existem muitos tipos de interferômetros, atenção especial será dada aos seguintes: - Interferômetro de FIZEAU para medição de planicidade; - Interferômetro do tipo FIZEAU para medição de blocospadrão; - TWYMAN e GREEN para testes ópticos; - Interferômetro com contagem de franjas; - Michelson; Kösters; Fabry-Perot; A LUZ deve ser Colimada, Coerente e Monocromática.

9 Interferômetro de Michelson Espelho total Fonte de luz monocromática Espelho parcial Espelho total móvel Lente colimadora Observador Pin-Hole Lente colimadora Espelho total Referência Fonte de luz Espelho de 50% Espelho total móvel Compensador Observador Interferômetro do tipo HP Espelho total LASER Espelho parcial de 50% Retrorefletor móvel

10 Espelho total LASER Retrorefletor móvel Monitor Saída Interferômetro com contagem de franjas. Princípio de Michelson - Benoît Retrorefletor fixo Fonte de luz Espelho de 50% Retrorefletor móvel Espelho total Retrorefletor móvel Monitor Saída

11 O Interferômetro de Twyman e Green Essencialmente uma modificação do interferômetro de Michelson. "Especial para testes de lentes e prismas" Espelho total Fonte de luz Espelho parcial Lente colimadora PRISMA Observador Espelho total 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 SOLUÇÕES: Varedura fotoelétrica (0,01 franja) Controle do plano óptico e entrada de dados para correção. Importante 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 planicidade da peça e da referência. Portanto, é fundamental a determinação da planicidade do plano de referência

12 S S f Plano Óptico d a b c e Peça Ignorando-se os efeitos de refração, o feixe S é parcialmente refletido em a. Na verdade, depois de repartido este é recombinado no observador. Entretanto os caminhos percorridos são diferentes, pela quantia abc. Se abc = (onde é o comprimento de onda da luz.) 2 Ter-se-á uma condição de máxima interferência destrutiva. (número impar de ) 2 - Caso a superfície seja plana, esta condição será repetida ao longo de toda a largura da peça, gerando portanto: A diferença de altura entre dois escuros consecutivos deve ser 2 espaçamento

13 - Exercício : Suponha que um plano óptico sobre uma determinada superfície apresente a seguinte figura : A C D B A' C' - determinado que o ponto ou a linha de contato com o plano AA O ponto C está a mesma distancia do plano óptico que o ponto B, mas está afastado de 2 do ponto D. Portanto o ponto C está abaixo de D. CONCLUSÃO: Superfície Convexa

14 O Interferômetro para Planicidade (projeto NPL) Fabricado pela : COVENTRY GAGE & TOOL CO LTD. HILGGER and WATTE LTD. Situação do espécimen Fonte de luz Lente Filtro Plano é paralelo Pin-Hole Plano é não paralelo Espelho (observador) Lente Colimadora Plano de referência Concavo ou convexo Bloco sob teste Base Plano é não paralelo

15 caso b - As franjas não são visíveis na base rotativa. Plano de referência A B B A Base rotativa f1 < f2 f1, f2 = quantidades de franjas observadas sobre o bloco

16 Superfície esférica: Plano Ótico H Superfície Convexa Uma vez que cada franja adjacente representa uma mudança de 2, a altura total pode ser escrita como : λ H n. 2