Der vernetzte primäre Winkelkomparator der PTB

Die bisher für die Verarbeitung der Abtastkopfsignale am primären Winkelkomparator der PTB eingesetzten Elektroniken der Firma Heidenhain vom Typ IK320 basierten auf einem 32 Bit VME Bus Interface. Als Ersatz kommen nun neue Elektroniken vom Typ EIB8 mit 1 Gbit/s Ethernet Schnittstelle zum Einsatz. Die EIB8 interpoliert die Phase des inkrementellen Messsignals innerhalb einer Signalperiode mit einem Faktor von 65536 entsprechend 0,000075“ Auflösung. Die IK320 arbeitet mit einem Interpolationsfaktor von 4096 entsprechend einer Auflösung von 0,0012“, was annähernd der erreichbaren Messunsicherheit entspricht. Die EIB8 kombiniert die von der IK320 verwendete Korrektur von Nichtlinearitäten mehrerer Oberwellen mittels Vorabmessung mit dem Heidemann Verfahren, bei dem dynamisch mit höherer Präzision Nichtlinearitäten in der Signalperiode und der ersten Oberwelle korrigiert werden.


Bild 1: (oben): Mittlere Messabweichungen im Messbereich von ± 40 Winkelsekunden des Autokollimators, (Mitte): Zugehörige Differenzen der einzelnen Messabweichung zum gemeinsamen Mittelwert, (unten): Die zugehörigen Standardabweichungen der einzelnen und der mittleren Messabweichung

Erste Messungen mit der neuen Elektronikplattform konnten nachweisen, dass die bisherige Messunsicherheit für die Kalibrierung von Autokollimatoren bereits wieder erreicht wird. In Abbildung 1 ist oben die mittlere Messabweichung eines sehr guten Autokollimators für eine Kalibrierung mit 36 Vor- und Rückwärtsmessungen in jeweils 401 statischen Messpositionen (Gesamtmesszeit = 162 Stunden) bei einer Messschrittweite von 0,1“ dargestellt. Über den gezeigten Messbereich liegen die im wesentlichen langperiodischen systematischen Messabweichungen im Bereich von ± 0,0066“. Das sind umgerechnet auf den Umfang eines Kreises mit einem Radius von 200 mm, wie er beim Messsystem vom primären Winkelkomparator WMT 220 zum Einsatz kommt, systematische Messabweichen im Bereich von ± 6,6 nm. In der Mitte von Abbildung 1 werden die Differenzen der einzelnen Kalibrierungen aus jeweils einer Vor- und Rückmessung zur mittleren Kalibrierkurve gezeigt. Diese Einzeldifferenzen liegen innerhalb von ± 0,0083“. Unten sind die Standardabweichungen der einzelnen Kalibrierungen aus jeweils einer Vor- und einer Rückwärtsmessung dargestellt. Alle Werte liegen zwischen einem Maximalwert von 0,0030“ und einem Minimalwert von 0,0013“. Durch die Nutzung der neuen Möglichkeiten des Datenerfassungssystems bzgl. der Interpolation der periodischen Nichtlinearitäten und der erhöhten Datenerfassungsrate, die neue Möglichkeiten bei der Datenanalyse schafft, besteht die berechtigte Hoffnung, die Messunsicherheit weiter zu verringern.