Distance Sensing with Dynamic Speckles, Kyo:n julkaisuja C 228

Semenov Dmitry (M.Sc.) 14.3.2008\nLuonnontieteiden ja ympäristötieteiden tiedekunta\nOptics, optical sensors\nDistance Sensing with Dynamic Speckles\n\nVastaväittäjä: Ph.D. Steen G. Hanson, Technical University of Denmark\nKustos: Professori Alexei Kamshiline, Kuopion yliopisto\nAika ja paikka: Perjantai 14.3.2008 klo 12, Canthian auditorio L3\n\nVäitöstiedote:\n\nModerni sensori etäisyysmittauksiin\n\nEtäisyys, yhdessä ajan kanssa, on yksi maailmamme tärkeimmistä ominaisuuksista heijastaen aika-paikka jatkumon perusolemusta. Jo ennen ihmistä (homo sapiens) etäisyys ja koko olivat keskeisiä tekijöitä eloonjäämiskamppailussa vihamielisessä ympäristössä ja näin merkittäviä tekijöitä evoluution kannalta.\n\nIhmisen kehittymisen myötä etäisyyden ja koon mittaamisesta tuli järkiperäistä. Ihmisen ja yhteiskunnan kehittyminen kymmenien tuhansien vuosien kuluessa on asettanut aina uusia vaateita aina vaan kehittyneemmille mittaustekniikoille ja -laitteille. Nykyisin etäisyysmittauksia tarvitaan niin näkyvän universumin mittakaavassa (~1026 m), kuin myös hyvin lyhyillä, atomiakin pienemmillä, etäisyyksillä (~10-14 m). Koko mittausskaalalle sopivaa mittauslaitetta tai -menetelmää ei tietenkään ole olemassa, vaan jokaiselle mittausalueelle on löydettävissä oma paras menetelmänsä.\n\nEtäisyyden mittausmenetelmät vaihtelevatkin perinteisistä mekaanisista mittausmenetelmistä moderneihin automatisoituihin menetelmiin ja jopa epäsuoriin teoreettisiin arvioihin. Nyky-yhteiskunnan rytmi asettaa etäisyyden mittaamiselle myös nopeusvaatimuksia. Nopeita ja tarkkoja etäisyyden mittaamismenetelmiä tarvitaan mm. navigointiin, mikroskopiaan ja tietenkin myös nykyaikaisiin teollisuuden sovelluksiin. Vaatimukset teollisuuden sensoreille kasvavat koko ajan yhdessä teollisuuden prosessien nopeutumisen kanssa – laitteet tulevat nopeammiksi ja älykkäämmiksi, laatuvaatimukset kasvavat, toleranssit pienenevät, eli tarkempia sensoreita tarvitaan.\n\nTämän väitöskirjatyön tekijä on omistautunut tutkimuksessaan etäisyyden mittaamiseen optisesti karhealta pinnalta mittaskaalassa muutama senttimetri. Termi optisesti karhea pinta tarkoittaa, että pinnan epätasaisuudet ovat suuruusluokaltaan suurempia kuin valaisevan valon aallonpituus. Luonnonvalossa tämä tarkoittaa sitä, että karhean pinnan vastakohta on heijastava pinta eli peili. Siis, jos luonnonvalossa ei pinnasta voi nähdä omaa heijastustaan on kyseessä optisesti karhea pinta. Valtaosa pinnoista on siis karheita pintoja ja täten etäisyyden mittaaminen karheasta pinnasta tai karhean pinnan profiilin mittaaminen ovat hyvin tyypillisiä tehtäviä teollisuuden eri aloilla. Tyyppiesimerkkejä teollisuuden karheista pinnoista ovat kiillottamattomat metallit, paperit, muovit jne.\n\nTutkimuksessa kehitetylle sensorille on nähtävissä lukuisia teollisia sovellusmahdollisuuksia. Yksi esitetty sovelluskohde on ruiskupinnoituksen paksuuden mittaaminen. Ruiskupinnoitukset ovat laajalti käytössä antamaan suojaa mm. korroosiota vastaan hyvin monenlaisilla pinnoilla. Pinnoituksen paksuus on tyypillisesti satoja mikrometrejä ja pinnoituksen paksuuden tarkkuusvaatimus noin mikrometri (0.001 mm).\n\nPinnoituspaksuuden kontrollointi on tehtävä reaaliajassa lyhyen pinnoitusprosessin aikana (muutamia sekunteja). Kohde on tyypillisesti pyörimisliikkeessä pinnoituksen aikana ja pinnoituksen aikana tapahtuu lisäksi myös lämpölaajenemista, joten pinnoitettavan kohteen paikka voi vaihdella useita millimetrejä pinnoitusprosessin aikana. Tästä johtuen pinnoitteen paksuuden mittaaminen on varsin vaativa tehtävä mille tahansa perinteiselle sensorille eikä yleispätevää ja yleisesti hyväksyttyä menetelmää ole vielä olemassa.\n\nTässä väitöskirjatyössä osoitetaan, että esitetty menetelmä mittaa tarkasti pinnoitteen paksuuden ja sensorin suorituskyky yltää teollisuuden asettamiin koviin vaatimuksiin. Yksi tyypillinen ruiskupinnoitteiden käyttökohde on turbiinikoneiden potkureiden lapojen suojaaminen kulumiselta. Potkurien lapojen suojaaminen on erittäin tärkeää esim. lentokoneissa ja sähköntuotannossa. Muita mahdollisia menetelmän sovelluskohteita ovat mm. metallilevyn paksuuden määrittäminen valmistusprosessin aikana, hitsaussauman tarkastukset, paperin paksuuden mittaaminen valmistuksen aikana, rullien ja kelojen pinnan profiilin monitorointi paperikoneessa, vain muutamia mainiten.\n\nKehitetty menetelmä perustuu hyvin tunnettuun speckle effect -ilmiöön. 1960-luvulta saakka on ollut tiedossa, että karheat pinnat muodostavat epäyhtenäisen intensiteettikuvion (speckle pattern), jos niitä valaistaan laser-valolla. Intensiteettikuvion rakenne riippuu laserin ja valaistavan kohteen etäisyydestä. Tämä antaa mahdollisuuden rakentaa yksinkertainen sensori etäisyyden mittaamiseksi analysoimalla heijastunut valo. Speckle-menetelmän käytön yleistymisen esteenä on ollut tieto siitä, että mittaustulokset eivät ole olleet toistettavia johtuen heijastuneen valon stokastisesta luonteesta. Tässä työssä esitetyt uudet innovaatiot parantavat huomattavasti etäisyyden määrittämisen tarkkuutta.\n\nLisätietoja:\nDmitry Semenov\nKuopion yliopisto, fysiikan laitos\ndmitry.semenov@uku.fi\np. 017 162 350\n\nKuopion yliopisto\nViestintä\ntiedotus@uku.fi

ISBN-10:
978-951-27-0966-3
Kieli:
eng
Sivumäärä:
63 s.
Tekijät:
Semenov Dmitry(diss)
Tuotekoodi 020393
22,00 €