Michelson Wavemeter- Schlittenantrieb.


Bekannte Wavemeterkonstruktionen, z.B. die von NBC Boulder, oder Australien, die einen Schlitten mit Retroprisma auf einem Luftpolster benutzen, haben etwas Probleme mit der Automatisierung.

Der Schlitten, auch wenn die Reibung auf de Luftpolster sehr gering ist, verliert langsam an der Geschwindigkeit, am Ende der Laufbahn, die zwischen 30 und 120 cm gewählt wird, muss der Schlitten abgefangen werden und in umgekehrte Richtung versendet werden. Dazu sind Spiralfeder üblich, die erst die kinetische Energie speichern dann wieder in andere Richtung abgeben. Am beiden Enden der Führungsschiene sind also kleine Prallböcke mit dem Feder untergebracht.

Auch bei den Aufprall und Abstossung kommt zu kleinen Verlusten, also die Bewegung des Schlittens kommt nach einigen Durchlaufen zum Stillstand.

Um die mechanischen Verluste auszugleichen, haben sich die Konstrukteure vieles einfallen lassen. Besonders spektakulär ist Antrieb mit einer Spielzeugbahn, aber auch mit Seil, Gewicht und Elektromotor entstehen ganz abenteuerliche Mechanismen.

Ich habe mehrere Wavemeter dieser Art gebaut, z.. für B.A.R.C. in Trombay oder für MPQ in Garching, eine besonders einfache Einrichtung, um den Schlitten lange Zeit selbständig zu schweben, besteht aus zwei kleinen Hubmagneten, die der Endfeder genau soviel Energie zusetzen, wie während des Durchlaufes verloren gegangen ist. Das muss eine einfache und leicht einstellbare Elektronik steuern.

Die Funktion muss durch Positionssensoren erfolgen. Am einfachsten nimmt man Magnetschalter, wie sie in der Alarmtechnik verwendet werden. In dem rechteckigem Gehäuse ist ein Stabmagnet untergebracht, der bei Annäherung an das abgeschrägte Gehäuse einen Reedkontakt schliesst.

Den Magnet befestigt man an der abgewendeter Seite des Schlittens, so dass der Luftschlauch auf der anderen Seite bleibt. Parallel zu der Führungsschiene kommt dann eine Leiste, auf der die Reedkontakte untergebracht sind, so dass der Schlitten ca. 1 mm vorbei führt. Neben der Endkontakte für die Antriebelektronik braucht man noch die Startkontakte für die Messung, die sollen etwas weiter von Enden der Schiene liegen, damit die Messung erst bei ganz ruhigem Lauf der Retroprismen startet.

Die Schaltung ist mit zwei Timer NE555 oder LM555 aufgebaut. Reed switch ist der Magnetsensor, der die Endposition des Schlittens meldet.

C1 überträgt die negative Flanke vom Reed witch an Pin 2 des linken LM555 und startet damit Verzögerungsimpuls na Pin 3 des linken LM555. Die Zeit wird mit dem P1 zwischen ca 12ms bis 230 ms eingestellt - in der Zeit kann der Schlitten noch ca. 3 bis 5 cm die Feder drücken. Danach folgt der negative Impuls an Pin 2 des rechten LM555, der damit seinen Impuls an Pin 3 startet. Auf alle Fälle ist es nötig, dass die Zeit bis zum maximalen Zusammendrücken der Endfeder gut stimmt, erst dann soll der Hubmagnet, gesteuert vom rechten LM555, die Rückwärtsbewegung unterstützen.

Die Kraft der Unterstützung steuert die Breite des Impulses, also R4. Der Strom durch die Spule kann  
mit zusätzlichem Widerstand in Serie mit der Spule gemildert weden.

 Hier die Schaltung

Die Magnetansteuerung verwendet zwei Timer. R3 an dem ersten Timer stellt die Verzögerung ein, die notwendig ist, den Zeitpunkt des Stromimpulses in dem Moment zu wählen, in dem die Feder am Ende der Bahn bereits zusammengedrückt ist. Der Reedkontakt soll also möglichst genau an der Stelle schalten, an der der Schlitten gerade in den Kontakt mit der Spiralfeder  kommt.

Diese Elektronik kann an beiden Enden der Bahn die Magnete ansteuern,
die schaltet man schlicht parallel. Natürlich wird auch an dem anderem Ende der Reedkontakt  und die Spiralfeder angebracht. Reedkontakt kann also auch parallel zu dem gegenüberstehenden geschaltet werden.


 Die Energie, die dem Hubmagnet erteilt wird, kann man auf viele Arten steuern, hier wird der verzögerte Timer mit dem R4 so eingestellt, dass die Breite des Impulses die Reibungsverluste gerade kompensiert. Den Hubmagnet schaltet ein Anreicherungs MOSFET IRF640, um eine Kontrolle der Funktion der Elektronik zu haben, ist auch eine LED parallel zum Magnet praktisch.


Hauptvorteil dieser Lösung ist, das während der Messung keine Erschütterungen an den Schlitten mit den Retroreflektoren übertragen werden können, wie das bei dem Seilantrieb der Fall ist.

Den Interessierten an derartigen Laborgeräten habe ich auch eine Übersicht der nützlichen Veröffentlichungen zusammengestellt.

Und weitere Aufsätze auf das Thema Metrologie mit Lasern: hier habe ich einiges über die verbesserte Ringzählung bei dem Michelsoninterferometer schon fast fertig geschrieben, kommt hier bald zur Veröffentlichung.

Die Methode über Vervielfachung der Ringe im Frequenzbereich hat eine Alternative im Zeitbereich.

Man kann auch die exakten Nulldurchgänge der Ringe als Zusatzparameter aufnehmen und eine Korrelation der Nulldurchgänge des Referenzstrahls mit dem gemessenem in engen Grenzen detektieren. Dann sind beide gemessene Ringe immer ein Integer, also vollständige 360° Drehung, so dass auch die Wellenlängen in genauem Verhältnis der Ringe stehen. Mit der Koinzidenz kann man z.B. einen Interrupt bei dem zahlendem Computer steuern, der die zwei Ringzahlen speichert. Nach einer mehrfachen Messung kann dann zusätzlich der Mittelwert und die Streuung ermittelt werden.