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PTB auf der MTQ '98 in Dortmund

16.11.1998

DSP-gesteuerter Rubidium-stabilisierter Diodenlaser für die Längenmeßtechnik

Die digitale Signalverarbeitung, die immer mehr Einzug in unser tägliches Leben hält, bietet gegenüber der Analogtechnik einige Vorteile: z. B.. Flexibilität durch Softwareänderung, exakte Reproduzierbarkeit bzw. hohe Genauigkeit. Nachteilig wirkt sich das Quantisierungsrauschen aus. Außerdem ist der Frequenzbereich, in dem digitale Signalprozessoren (DSP) eingesetzt werden können, begrenzt, jedoch werden die DSP´s immer leistungsfähiger. So ist vor allem die heutige Kommunikationstechnik ohne digitale Signalprozessoren nicht vorstellbar. Der Diodenlaser als Lichtquelle weist Vorteile in Bezug auf Miniaturisierung, Lebensdauer, Kosten, Wirkungsgrad, Strahlungsleistung, schnelle Modulierbarkeit, hochspannungsfreien Betrieb u. a. auf. Als nachteilig erweist sich bei Diodenlasern die Streuung der emittierten Wellenlänge, ihre relativ starke Abhängigkeit von den Diodenparametern, Injektionsstrom und Temperatur und ihre zeitliche Änderung trotz Konstanthaltung der Diodenparameter. Diese Nachteile können durch Stabilisierung der Wellenlänge durch Anschluß an eine atomare Absorptionslinie, z. B. Rubidium (Rb), kompensiert werden. Damit stellt der Diodenlaser schon eine interessante Alternative zum meist in der Längenmeßtechnik verwendeten He-Ne-Gaslaser dar.
Ein portabler DSP-gesteuerter Rb-stabilisierter Diodenlaser ist in Zusammenarbeit von PTB Braunschweig und FH Braunschweig-Wolfenbüttel zum Einsatz in der Präzisions-Längenmeßtechnik entwickelt, aufgebaut und getestet worden. Dabei übernimmt ein DSP die Steuerung und Stabilisierung eines Diodenlasers an eine Rb-Absorptionslinie, so daß auch Laien dieses Gerät bedienen können. Nach dem Einschalten des Diodenlasers wird seine Wellenlänge automatisch auf ein Rb-Absorptionsmaximum stabilisiert. Der entwickelte Diodenlaser als Längennormal emittiert eine Wellenlänge von 784,243 830 nm mit einer relativen Meßunsicherheit von ± 2 · 10-8.

Einrichtung zur hochgenauen Messung von Temperaturen und weiterer Umweltparameter für z. B. die hochauflösende Längenmeßtechnik

Die Tempereturmeßeinrichtung wurde speziell für die industrielle Meßtechnik, z. B. den Einsatz bei der hochauflösenden Längenmeßtechnik, entwickelt. Alle hierfür erforderlichen Funktionen und Spezifikationen wurden in einer praxisgerechten und euch ökonomischen Lösung zusammengefaßt. Die Einrichtung stellt eine beliebig wählbare Anzahl (bis zu 64) Meßkanäle zur Verfügung. Durch verschiedene neue Lösungswege (z. B. Nullstromkorrektur) werden die hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit erfüllt. Die Meßunsicherheit der Elektronik (ohne Fühler) beträgt < 0,3 mK. Zur optimalen Lösung der jeweiligen Meßaufgaben kann die Einrichtung mit unterschiedlichen Tempereturfühlern in beliebiger Verteilung und Anordnung betrieben werden. Z. B. können zur Absolutmessung von Temperaturen und gleichzeitigen Kalibrierung Pt 100- und Pt 25-Fühler (Anschluß an die IST 90) gemischt verwendet werden. Zur hochgenauen Messung von Tempereturdifferenzen können zusätzlich Thermoelemente oder Thermistoren eingesetzt werden. Außerdem kann die Einrichtung zur Bestimmung der Luftbrechzahl um Komponenten zur Messung des atmosphärischen Druckes, der Luftfeuchte und des CO2-Gehaltes der Luft ergänzt werden.
Die Meßeinrichtung wird mit einem ROM-residenten Programm eines Einplatinenrechners, das über eine RS-232 Schnittstelle gesteuert wird, betrieben. Alle Meßkanäle können individuell über diese Schnittstelle abgefragt werden. Die Meßwerte der Sensoren können anhand von verschiedenen Kalibrierfunktionen korrigiert und umgerechnet werden. Die Auswahl der Kalibrierfunktionen und die Kalibrierwerte werden über die RS-232 eingegeben und in einem EEPROM netzunabhängig abgespeichert.