Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser michelson372

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1.Tính cấp thiết đề tài luận án Thiết bị đo phân tích phổ xạ hồng ngoại phương tiện đo đại, sử dụng phân tích thành phần chất hóa học giám sát khí thải nhà máy cơng nghiệp hay vụ nổ hóa chất Trong thiết bị kết hợp kỹ thuật quang học, khí xử lý tín hiệu máy tính Hiện nay, giới có số phương pháp đo xạ đo trực tiếp, đo hệ số hấp thụ qua mẫu… Phương pháp đo phổ hồng ngoại xạ có nhiều ưu điểm khơng tiếp xúc, không cần lấy mẫu xử lý mẫu trước đo Trong lĩnh vực an ninh quân sự, thiết bị trang bị để đảm bảo phát sớm cảnh báo nguy sử dụng khủng bố hóa chất hay quân địch có sử dụng vũ khí hóa học Để nghiên cứu ứng dụng công nghệ này, luận án nghiên cứu làm rõ sở khoa học hệ thống đo, xác định giải pháp nâng cao độ ổn định tín hiệu kết đo tính tốn thiết kế chế tạo mơ hình thử nghiệm Mục đích, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích đề tài: Đề tài nghiên cứu tìm hiểu phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa kế laser Michelson dựa nguyên lý đo xạ Trên sở đề xuất giải pháp để nâng cao độ phân giải phép đo, tính tốn lựa chọn thiết bị hệ thống quang học khí Lựa chọn số thiết bị xây dựng hệ thống đo phù hợp với điều kiện Việt Nam 2.2 Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu sở giao thoa kế Michelson, nghiên cứu kỹ thuật khí để xây dựng hệ thống đo phổ xạ hồng ngoại Tiến hành đo khảo sát nguồn hồng ngoại MIR dải bước sóng = (2÷ 15) m Khảo sát, kiểm tra thử nghiệm số nguồn xạ nhiệt, số chất hóa học có nhóm chất phát xạ vùng bước sóng 2.3 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm kiểm chứng Trên sở tính tốn thơng số, tiến hành thử nghiệm kiểm tra thông số, đánh giá phân tích số liệu đo Kiểm tra hiệu chỉnh lựa chọn thông số tối ưu cho hệ thống 2.4 Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu thử nghiệm giải pháp dịch chuyển gương động, khảo sát tính hiệu giao thoa thay đổi hiệu quang lộ, tính tốn mơ tả tín hiệu giao thoa nguồn xạ nhiệt, giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu giảm tác động nhiễu dao dộng bên Khảo sát hoạt động hệ thống với số ngun hng ngoi phm vi =(2 ữ 15) àm Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung giải vấn đề khoa học sau: - Phân tích đánh giá ưu nhược điểm phương pháp đo phổ có, lựa chọn thiết - kế sơ đồ phương pháp đo theo mục tiêu luận án Nghiên cứu tính tốn thơng số yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định hệ thống - giải pháp nâng cao độ xác phép đo Nghiên cứu làm rõ nguyên lý ứng dụng kỹ thuật điều biến pha hệ thống đo - Xây dựng mơ hình thực nghiệm, kiểm tra ngun lý hoạt động hệ thống đo xạ hồng ngoại Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Luận án đề xuất sử dụng nguyên lý giao thoa kế Michelson để đo xạ hồng ngoại, sở đo kết hợp sử dụng nguồn sáng laser phân tách thành tín hiệu lấy mẫu đồng Kết cho phép tăng độ phân giải phép đo gấp lần, kỹ thuật áp dụng cho hệ đo quang học phương pháp giao thoa Luận án đề xuất giải pháp kỹ thuật điều biến pha để nâng cao chất lượng tín hiệu Trong trình thực sử dụng kỹ thuật giảm chấn bàn giảm chấn cấp cho hiệu giảm chấn cao, loại bỏ 90% lực kích động bên Nội dung nghiên cứu luận án đề cập đến vấn đề đo phát xạ hồng ngoại, nội dung nghiên cứu khó khăn Hiện hầu hết kỹ thuật thiết bị nghiên cứu hồng ngoại phát triển đặc biệt xạ vùng hng ngoi trung bc súng =(3ữ25)àm õy l vựng bc sóng cho thơng tin đối tượng đo nhiệt độ làm việc hệ thống máy móc, trang thiết bị vũ khí số xạ chất hóa học Do vậy, nội dung nghiên cứu luận án góp phần vào việc tìm hiểu, khai thác làm chủ kỹ thuật trang thiết bị khả chế tạo thiết bị điều kiện Việt Nam Những nội dung luận án trình bày chương: Chương 1: Tổng quan nguồn xạ hồng ngoại phương pháp đo phổ hồng ngoại Chương 2: Phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa kế Michelson Chương 3: Kỹ thuật điều biến pha phương pháp đo phổ hồng ngoại Chương 4: Chế tạo mơ hình thực nghiệm đánh giá kết Những kết luận án - Luận án nghiên cứu đề xuất sơ đồ đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa laser - Xây dựng cơng thức tính tốn thơng số hệ thống đo phổ hồng ngoại - Thiết kế chế tạo bàn giảm chấn làm giảm lực kích động ảnh hưởng đến tín hiệu đo - Chế tạo thành công thiết bị đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa kế laser Michelson - Với nghiên cứu trên, luận án thực nội dung phương pháp đo Đây phương pháp đo mới, giới có số nước nghiên cứu phát triển Nghiên cứu mở khả ứng dụng chế tạo phù hợp với điều kiện Việt Nam CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI VÀ THIẾT BỊ ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.1.Đặt vấn đề Trên sở mục tiêu đối tượng nghiên cứu luận án, chương tính chất ứng dụng xạ hồng ngoại tác giả trình bày 1.2 Nguồn xạ hồng ngoại Bức xạ hồng ngoại loại xạ điện từ (Electric Magnetic Radiation, EMR) với bước sóng dài ánh sáng nhìn thấy khơng nhìn thấy được, cịn gọi ánh sáng hồng ngoại Dải bước sóng từ = 0,78 µm đến  =1000 µm, tần số phát từ f=300 GHz đến f=430 THz Dựa vào dải bước sóng có phân loại vùng sau: Bảng 1.1 Phân vùng bước sóng hồng ngoại Tên Vùng Ký hiệu Bước sóng Hồng ngoại gần Near-Infrared NIR 0.78–3 µm Hồng ngoại trung Mid-Infrared MIR 3–50 µm Hồng ngoại xa Far-Infrared FIR 50–1000 µm Do tính chất xạ điện từ nên tất tia hồng ngoại tuân theo định luật xạ Plank Mọi vật nung nóng xạ sóng điện từ, nhiệt độ vật cao bước sóng xạ phát ngắn 1.3 Thiết bị đo phổ hồng ngoại Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại xây dựng phát triển từ năm 1940 Giao thoa kế sử dụng để đo xạ từ thiên thể nhà khoa học tạo phổ biến đổi Fourier lần đầu vào năm 1949 Trong thời gian nhiều loại giao thoa kế sử dụng giao thoa kế Michelson, FabryPerot Hình 1.1 Phương pháp đo giao thoa kế Fabry-Perot 1.4 Ứng dụng hồng ngoại phân tích phát chất hóa học Một số vật chất tồn tính chất riêng biệt phát xạ, xạ dao động với tần số khác thể liên kết hóa học chúng Vì vậy, lợi dụng tính chất mà người ta phát chúng thuộc loại hay tính tốn nồng độ chúng, thơng qua việc đo phân tích phổ hồng ngoại Hình 1.2 Sơ đồ nguyên máy hồng ngoại phương pháp hấp thụ Phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại Một ứng dụng khác người ta tiến hành đo phân tích phổ vật vị trí xa Thiết bị đo phổ hồng ngoại bố trí cách vị trí cần đo xa khơng gian tiến hành đo, có xạ phát mà nhiệt độ chúng lớn nhiệt độ mơi trường tín hiệu thu nhận máy tiến hành phân tích nhận dạng dạng phổ bước sóng Nếu phát có phổ trùng với bước sóng có thư viện phổ cho trước máy phát tín hiệu cảnh báo Trên hình, thiết bị đo Hình 1.3: Giám sát mục tiêu cố định sử dụng cho lực lượng làm nhiệm vụ trinh sát động thực địa 1.5 Một số sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại Với sơ đồ máy đo hãng Thermo hình 1.4 nguồn sáng chủ động nguồn IR qua hệ giao thoa qua mẫu đo tới detector Nguồn laser nguồn song song với nguồn IR, cách bố trí cho thấy phần giao thoa bố trí cách biệt với mẫu đo Tuy nhiên tín hiệu sau giao thoa chiếu qua mẫu đo đầu thu đặt đối xứng Nguyên lý đo theo ngun lý hấp thụ bước sóng Trên hình 1.5 sơ đồ máy đo hãng Shimadzu Hình 1.4: Sơ đồ máy đổ hồng ngoại hãng Thermo cho thấy hệ giao thoa bố trí riêng biệt Gương động dịch chuyển thẳng, Detector đặt sau mẫu đo Cũng tương tự sơ đồ trên, nguồn nguồn sáng chủ động phát hệ quang, hồn tồn kiểm sốt thông số đo hệ thống sơ đồ hãng Jasco Oriel-Newport, hình 1.6 hình 1.7 Qua khảo sát số nguyên lý đo nhận thấy, phương pháp đo chung sử dụng giao thoa Hình 1.5: Sơ đồ máy đổ hồng ngoại hãng Shimadzu kế Michelson với gương động dịch chuyển thẳng làm thay đổi quang lộ Với sơ đồ đo hãng Thermo Shimadzu sử dụng gương phản xạ giao thoa gương phẳng, Hãng Jasco Oriel sử dụng gương góc Việc sử dụng gương phẳng hay gương góc có ưu nhược điểm Với gương phẳng, chế tạo dễ dàng, gương thường phủ lớp phản xạ mặt cho hệ số phản xạ lớn Với nguyên lý thơng thường sử Hình 1.6: Sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại hãng Jasco dụng nhánh laser để hiệu chỉnh hệ quang sử dụng lấy mẫu đo Tuy nhiên độ phân giải phương pháp đo độ xác thiết bị cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: Độ xác kết cấu khí, độ xác linh kiện quang học, độ xác hệ thống xử lý tín hiệu… Hình 1.7: Sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại hãng Oriel-Newport 1.6 Kỹ thuật dịch chuyển thay đổi quang lộ hệ giao thoa Với hệ đo này, tín hiệu đo thu nhận hệ giao thoa thay đổi hiệu quang lộ hai nhánh, bao gồm tia đo tia tham chiếu Chính để tạo thay đổi thông thường người ta cho dịch chuyển gương động, hình 1.13 Gương tĩnh Nguồn sáng BS Gương động Cơ cấu dịch chuyển Hình 1.8: Sơ đồ kỹ thuật dịch chuyển gương động thay đổi quang lộ Kỹ thuật sử dụng cấu khí để làm dịch chuyển gương động thay đổi quang lộ theo đường thẳng Các cấu sử dụng như: biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Ngồi ra, cịn sử dụng loại truyền động khác động cuộn cảm voice coil, động PZT Yêu cầu kỹ thuật sử dụng quay gương phản xạ gương phản xạ sử dụng phải gương góc quay gương làm lệch hướng tia tới, đó, yêu cầu sử dụng gương góc để tia phản xạ tia tới song song với a- Kỹ thuật quay gương b- Kỹ thuật tạo dịch chuyển thẳng Hình 1.9: Kỹ thuật dịch chuyển gương động 1.7 Ưu điểm máy đo phổ FT-IR sử dụng giao thoa kế Michelson 1.7.1 Độ phân giải độ xác cao Máy phân tích phổ hồng ngoại xác định bước sóng cần đo cách so sánh trực tiếp với bước sóng laser He-Ne Tất bước sóng cần xác định tính tốn từ bước sóng biết He-Ne laser (0,632 μm) trục số sóng (nghịch đảo bước sóng), đồ thị giao thoa biểu diễn theo bước sóng laser Bước sóng He-Ne hồn tồn xác định với độ xác cao có độ ổn định cao 1.7.2 Đa bước sóng Đa bước sóng ưu điểm vượt trội máy phân tích phổ hồng ngoại Mỗi điểm đồ thị giao thoa chứa thơng tin tất bước sóng xạ cần đo Nói cách khác, 1000 điểm liệu lấy đồ thị giao thoa bước sóng lấy mẫu 1000 1.7.3 Năng lượng truyền qua lớn Hầu kết kỹ thuật phân tích phổ bị giới hạn lượng xạ vào hệ thống đo Máy đo phổ hồng ngoại yêu cầu lượng vào hệ thống lớn ảnh hưởng từ nhiễu mơi trường nhiễu cảm biến lớn 1.8 Kỹ thuật thu nhận xử lý số liệu đo Trong tất thiết bị, việc xây dựng thiết bị thiết kế hệ thống, yêu cầu quan trọng việc thu nhận xử lý tín hiệu đo Trong phương pháp kỹ thuật xử lý tín hiệu, thơng thường tín hiệu đủ lớn đến ngưỡng tối thiểu phát detector việc xử lý thuận lợi cho q trình lấy tín hiệu 1.9 Các giải pháp ổn định rung động chống nhiễu đo Đối với hệ đo quang học thông thường phải bảo đảm để ổn định đo Các phương pháp sử dụng kỹ thuật cách ly việc khử tần số rung động ảnh hưởng đến tín hiệu đo Hình 1.18: Bàn cách ly đệm cao su Hình 1.19: Bàn cách ly đệm lị xo Hình 1.20 Bàn cách ly đệm khí 1.10 Kết luận Trên sở nghiên cứu tổng quan thiết bị đo phổ hồng ngoại, luận án khảo sát số thiết bị hi ện có Việt Nam việc phát triển thiết bị giới Máy phân tích phổ hồng ngoại cho thấy cơng cụ hữu ích phục vụ nhiều mục đích khác 1.11 Hướng nghiên cứu luận án Luận án thực nghiên cứu theo phương pháp đo giao thoa Michelson Trên sở tính tốn lựa chọn thông số hệ quang Nghiên cứu lập sơ đồ hệ thống đo, mơ tính tốn lựa chọn thông số cho hệ đo Lựa chọn giải pháp thu điều khiển dịch chuyển gương động thu nhận tín hiệu Tiến hành xây dựng mơ hình thực nghiệm, đo khảo sát số mẫu thử đánh giá khảo sát hoạt động hệ thống đo Kiểm tra thử nghiệm với số nguồn phỏt x bc súng hng ngoi vựng =(2ữ15) àm CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÁY ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI BẰNG GIAO THOA KẾ MICHELSON LASER 2.1 Đặt vấn đề Trong chương này, luận án tập trung phân tích làm rõ nguyên lý làm việc ưu nhược điểm máy đo phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế Michelson 2.2 Giao thoa kế Michelson 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa Michelson Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson 2.2.2 Sự thay đổi cường độ ảnh giao thoa Cường độ điện trường xạ điện từ trường đơn sắc lan truyền không gian biểu diễn sau: (2.1) Trong đó: tần số xạ, r vector vị trí, c=3.108 m/s vận tốc xạ lan truyền không gian Khi xạ đơn sắc chuẩn trực vào giao thoa kế Michelson, điện trường xạ lan truyền hai nhánh giao thoa kế biểu diễn sau: Nhánh chuẩn (2.2) Nhánh đo (2.3) 2.3 Máy phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ sử dụng giao thoa kế Michelson Trên sở nguyên lý hoạt động máy đo phổ hồng ngoại hấp thụ sử dụng giao thoa kế Michelson Trong giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn đơn sắc, cường độ tín hiệu giao thoa thay đổi theo hàm Sin hiệu quang lộ hai nhánh Đồ thị giao thoa chồng chất hai sóng dạng Cos miền khơng gian biến đổi Fourier cho phép xác định hai thành phần hai vạch miền tần số Khi nguồn xạ phát dải bước sóng, đồ thị giao thoa chồng chất nhiều sóng dạng Cos hình bao đồ thị giao thoa có dạng hàm mũ số tự nhiên Khi phổ xạ nguồn rộng (nhiều bước sóng) độ rộng đường bao đồ thị giao thoa hẹp Hình 2.2 Biến đổi Fourier từ đồ thị giao thoa ngược lại (hình 2.2) nguồn xạ 2.4 Xây dựng sơ đồ đo phổ hồng ngoại giao thoa Michelson 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý Dựa phân tích giao thoa Michelson phương pháp đo phổ hồng ngoại, nội dung luận án trình bày phương pháp đo phổ hồng ngoại theo nguyên lý đo xạ M3 M1 Khí nén IR2 IR1 S11' S11 BS3 S11' S12 Voice coil S S22 S22' PD-1 AD-1 PD-2 S21' S22' BS2 G3 S1 G1 P S21' S21  G5 BS1 Laser LIA-1 IR1' G4 S12' IR2' M2 IR2' S12' FG MCT IR1' S2 F1 AD-2 PBS4 DAQ PD-3 G6 AD-3 G2 PC IR Hình Sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại xạ Bảng 2.1 Các thành phần hệ thống đo phổ hồng ngoại Ký hiệu Tên gọi S : Nguồn sáng laser BS1 : Lăng kính chia chùm laser BS2 : Lăng kính chia chùm laser BS3 : Tấm chia chùm hồng ngoại PBS4 Lăng kính chia chùm – phân cực laser M1 : Gương động M2 : Gương tĩnh M3 : Gương tĩnh G1,G2,G3,G4,G5,G6 : Gương phản xạ P : Gương Parabol hội tụ MCT : Detector hồng ngoại : Tấm ¼ bước sóng /4 PD-1, PD-2, PD-3 : Cảm biến laser Photodiode VC : Động voice -coil AD-1 AD-2 AD-3 LIA-1 DAQ PC IR F1 : : : : : : : : Bộ thu nhận laser chuyển đổi kênh Bộ thu nhận laser chuyển đổi kênh Bộ thu nhận laser chuyển đổi kênh Bộ trích xuất đồng khuếch đại Bộ thu thập số liệu Máy vi tính Nguồn hồng ngoại vào Tấm lọc filter F1 2.4.2 Mô tả hoạt động hệ thống đo Nguồn sáng laser S đến lăng kính chia chùm BS1 tách thành hai tia S1 S2 Tia S1 thẳng đến gặp gương phản xạ G3 đến chia chùm BS3 Tại tia S1 tách thành tia S11 S12, tia S11 tới gương tĩnh M3 phản xạ chia chùm BS3 thành tia S11’ Tia S12 đến gương động M1 phản xạ thành tia S12’ Hai tia S11’ tia S12’ phản xạ chia chùm BS3 giao thoa với tới gương phản xạ G4 tới G5, sau khỏi G5 nguồn sáng thu photodiode PD-1, tín hiệu qua khuếch đại AD-1 chuyển thành tín hiệu xung đưa vào DAQ chuyển vào máy tính Khi hoạt động tín hiệu dùng để kiểm tra hệ giao thoa trước đo tín hiệu hồng ngoại Tia sáng S2 tới gương phản xạ G1 G2 đến chia chùm BS2 Tại đây, tia S2 tách thành tia S21 S22 Tia S21 tới gương tĩnh M2 phản xạ thành tia S21’ Tia S22 tới gương động M1 phản xạ thành tia S22’ Hai tia S21’ S22’ gặp chia chùm BS2 giao thoa với Trong thiết kế này, nguồn laser nguồn phân cực thẳng theo phương đứng, đến BS hai tia S21 S22 tách thành tia nguyên hướng phân cực ban đầu Khi tia S21 qua /4, vị trí hướng trục quang học trục nhanh /4, nguồn sáng biến đổi thành phân cực tròn Hai tia S21’ S22’ gặp giao thoa với Nguồn sáng tới chia phùm phân cực PBS4, tín hiệu giao thoa tách thành nhánh xoay với góc =900 , tia thẳng có phương phân cực theo phương Y so với quang trục Tín hiệu thu nhận photodiode PD-2, cho hàm Sin, qua chuyển đổi AD-2 tới DAQ đưa vào máy tính Tia thứ hai có hướng phân cực theo phương X cho hàm Cos, sau phản xạ gương G6 tới photodiode PD-3, qua chuyển đổi AD -3 tới DAQ đưa vào máy tính Hai tín hiệu sinh từ nguồn sáng S2 sử dụng để tham chiếu lấy mẫu đồng với nguồn hồng ngoại Nguồn đo hồng ngoại IR nguồn dải rộng chùm sáng qua lọc filter F1 Tấm lọc có tác dụng loại bỏ ánh sáng khơng nằm vùng hồng ngoại Nguồn sáng IR tới chia chùm BS3 Tại tách thành hai chùm sáng IR1 IR2 Chùm sáng IR1 tới gương tĩnh M3 phản xạ thành IR1’, chùm sáng IR2 tới gương động M1 phản xạ thành IR2’ Hai chùm sáng gặp chia chùm BS3 giao thoa với thành nguồn sáng IR’, nguồn sáng tới gương hội tụ parabol P, tiêu điểm parabol P đặt cảm biến hồng ngoại MCT Tín hiệu đưa qua trích xuất đồng khuếch đại khóa tần số LIA -1 chuyển thành tín hiệu đưa vào DAQ chuyển vào máy tính PC Máy phát tần số FG thiết bị tạo dao động với tần số tham chiếu f r Tần số cấp đồng thời cho động voice-coil VC LIA-1 Khi dao động cấp cho động VC hoạt động tạo thành chuyển động dọc theo quang trục Gương động có dạng hình trịn gắn với trục chuyển động đồng tâm với nhau, đồng thời liên kết với động VC quang trục Khâu động hệ dịch chuyển giá máy nằm đệm khí Q trình dịch chuyển gương hàm dao động từ máy phát tần số FG tạo nên chuyển động dọc theo quang trục làm thay đổi quang lộ hệ giao thoa 2.4.3 Đo lấy mẫu tín hiệu Tín hiệu PD1 sử dụng để chỉnh hệ trước đo Quá trình lấy mẫu hệ thống đo kết hợp tín hiệu laser từ PD-2 PD-3 Dựa phân tích tín hiệu giao thoa nguồn đơn sắc tín hiệu giao thoa thu cảm biến PD1, PD2 PD3 biểu diễn sau: l   I PD1 = I0 1 + cos(2 )  ,    l   I PD2 = I0  1+ cos(2 ) ,    l   l    I PD3 = I0 1+ cos(2 + )  I PD = I 1+ sin(2 )        Trong trình đo, gương động dịch chuyển, tín hiệu (2.4) (2.5) (2.6) ln so sánh với Khi tín hiệu đồng pha chứng tỏ gương động ln dịch chuyển vng góc với quang trục Tín hiệu sử dụng kết hợp để xác định hiệu quang lộ nhánh giao thoa kế từ xác định bước sóng xạ cần đo Với sơ đồ nguyên lý trên, nguồn laser S nguồn phân cực thẳng theo phương thẳng đứng Y so với trục quang, qua chia chùm PBS4 tạo phân tách thành nguồn sáng theo phương ngang dọc Trong nguyên lý ta nhận thấy sơ đồ hai nguồn sáng Laser hồng ngoại IR phản xạ gương động M1 Do đó, biến đổi hiệu quang lộ dịch chuyển M1 đồng thời, chùm hồng ngoại coi nguồn sáng độc lập với nguồn laser tần số giao thoa nguồn hồng ngoại gương động thay đổi xác định sau: fgt (ir ) = 2V (ir ) (2.7) Theo sơ đồ nguyên lý luận giải tồn chuyển động V thay đổi quang lộ gương động M1 sinh Do bước sóng xác định công thức sau: 4* fgt (lr ) (lr ) (ir) = (2.8) f gt (ir) 2.4.5 Khảo sát hoạt động hệ Laser Để kiểm tra hoạt động hệ thống laser mô tả hình 2.13 hệ quang thiết lập tiến hành thử nghiệm sơ đồ sau: Hình 2.4 Khảo sát hoạt động hệ giao thoa Laser 10 Nguồn sáng laser đến cho qua phân cực để xác định hướng ph ân cực hướng thẳng đứng theo phương Y so với trục quang, sau phản xạ chia chùm BS thành tia Tia thứ thẳng đến gương động trở lại BS phản xạ BS Tia thứ qua /4 tới gương tĩnh, trở lại /4, tới BS giao thoa với nhau, chùm giao thoa đến gặp chia chùm PBS tách thành nhánh Nhánh thứ phân tách phân cực theo phương Y, đầu đặt cảm biến Photo diode ta thu nhận tín làm hàm Sin Nhánh thứ phân tách phân cực theo phương X, đặt cảm biến Photo diode ta thu tín hiệu hàm Cos Như hai tín hiệu lệch pha π/2 2.5 Thu nhận xử lý tín hiệu đo phổ xạ hồng ngoại Một yêu cầu quan trọng hệ thống đo thu nhận bi ến đổi tín hiệu đo thành số liệu Trong nghiên cứu trình bày trên, tín hiệu hệ đo hồng ngoại rời rạc hóa thành số liệu rời rạc Hình 2.5 Mơ tả tín hiệu lấy mẫu thu thập lại thành tập số liệu đưa vào máy tính sau đó, thực biến đổi để thành số liệu đo Như trình bày, tín hiệu giao thoa I1(ir) rời rạc hóa theo định luật lấy mẫu NyquistShannon, tín hi ệu sau r ời r ạc hóa thành tín hi ệu I1(ir), giá tr ị cường độ Ii bước sóng i gương động dịch chuyển với hiệu quang lộ l i 2.6 Ứng dụng vào hệ đo phổ hồng ngoại Như tín hiệu giao thoa hồng ngoại I(ir) rời rạc hóa thành tín hiệu số X(n) thơng qua tín hiệu laser I(x), thời điểm lấy mẫu xác định việc ghi nhận kết hợp đồng thời tín hiệu PDF-2 PD-3 qua mức “0” Quá trình lấy mẫu thực giải thuật sau: Procerdure Lay_mau(); Var; {khai bao biến} X[n]: real; {ghi giá trị cường độ IR} i: interger; {biến chạy } n: interger; {số mẫu cần lấy} PD1, PD2,PD3: Boolean; {biến kiểm tra tín hiệu laser} T-PD: Boolean; {biến kiểm tra tín hiệu mức 0} T[n]: {biến lưu thời gian} Begin n:=2048; {số lượng mẫu cần lấy} i:=0; {khởi tạo biến i} For i=1 to n do; {vịng lặp lấy mẫu} PD2input(DAQ-2; {đọc tín hiệu PD2 từ DAQ} PD3input(DAQ-3; {đọc tín hiệu PD3 từ DAQ} T-PD=PD2 and PD-3 ; { kết hợp tín hiệu, phép loggic} Case : 0-0 {lấy mẫu trạng thái # 1} X[i]= input_DAQ(ir) {đọc giá trị cường độ IR} T[i]= input_time; {lưu giá trị thời gian} Case : 0-1 {lấy mẫu trạng thái #2} 11 X[i]= input_DAQ(ir) T[i]= input_time; Case : 1-0 X[i]= input_DAQ(ir) T[i]= input_time; Case : 1-1 X[i]= input_DAQ(ir) T[i]= input_time; i:=i+1; Call save_file(filename(T[i],X[i])); End; {kết thức chương trình} {đọc giá trị cường độ IR } {lưu giá trị thời gian } {lấy mẫu trạng thái #3} {đọc giá trị cường độ IR} {lưu giá trị thời gian } {lấy mẫu trạng thái #4} {đọc giá trị cường độ IR} {lưu giá trị thời gian } {cho i chạy đến n.} {lưu giá trị tín hiệu vào file liệu} Giải thuật cho phép thu nhận tín hiệu từ detector IR thơng qua trạng thái tín hiệu laser PD-3 PD3 Chương trình trình bày cấu trúc liệu giải thuật để áp dụng cho ngôn ngữ lập trình cài đặt 2.7 Xử lý tín hiệu phép biến đổi Fourier Trong hệ đo ta sử dụng phép biến đổi Fourier để biến đổi tín hi ệu mang thơng tin số sóng thu nhận tập giá trị số sóng thay đổi quang lộ hệ giao thoa Từ tập số liệu mã hóa đầu vào cho cơng đoạn biến từ miền thời gian sang miền tần số X (k ) N = N−1  x(n ) L e − jk 1n n= Biến đổi FT thuận x( n) L = N −1  X( k) N N e jk1n k=0 Biến đổi FT ngược 2.8 Kết luận chương Trong nội dung này, luận án phân tích làm rõ phương pháp đo phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế Michelson Luận án trình bày chi tiết nguyên lý đo sử dụng hiệu ứng giao thoa Phân tích mối quan hệ liên quan đến việc xác định thay đổi cường độ ảnh giao thoa, thay đổi vân giao thoa Trên sở tính chất hệ giao thoa, luận án trình bày đầy đủ cơng thức tính tốn tần số giao thoa, mối quan hệ tần số bước sóng hệ giao thoa Đồ thị giao thoa laser xây dựng cách thu nhận đồng thời cường độ giao thoa lệch pha /2 từ cảm biến Các tính tốn thử nghiệm kiểm tra nội dung luận án CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG PHỔ HỒNG NGOẠI BẰNG KỸTHUẬT ĐIỀU BIẾN PHA 3.1 Đặt vấn đề Các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu bao gồm ảnh hưởng từ nguồn nhiệt môi trường hay ảnh hưởng xạ laser dùng hệ thống Trong phương pháp điều biến, cần xác định tần số biên độ điều biến để thu tín hiệu giao thoa tốt Trong chương này, tác giả luận án đề xuất giải pháp lựa chọn thông số điều biến tối ưu 12 3.2 Kỹ thuật trích xuất đồng khuếch đại Kỹ thuật trích xuất đồng khuếch đại (lock-in amplifier, LIA) cho phép xác định tín hiệu nhỏ thay đổi có quy luật theo thời gian bị vùi nhiễu Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý LIA Trong đo lường, rõ ràng với tín hiệu nhỏ nhiễu lớn, việc loại bỏ nhiễu khuếch đại tín hiệu vơ quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác độ phân giải phép đo Để hiểu chất vật lý phương pháp LIA, xét tín hiệu đầu vào dạng Cos cho phương trình sau: (3.1) Tín hiệu chuẩn đồng thời đưa vào nhân có dạng sau: (3.2) Tín hiệu sau nhân tổng tín hiệu với tần số (3.3) Tín hiệu sau nhân gồm thành phần xoay chiều khác 3.3 Các kỹ thuật điều biến sử dụng phân tích phổ hồng ngoại Trong phương pháp điều biến biên độ Năng lượng đến cảm biến biến đổi với tần số không đổi giao thoa Trong quang lộ nhánh giao thoa kế số sóng tính cm-1 Tuy nhiên thực tế, tín hiệu thu từ cảm biến bị ảnh hưởng xạ nhiệt môi trường mà vật thể nóng phát xạ vùng IR ảnh hưởng xạ laser , (3.5) Phổ xạ thu từ cảm biến sau thực biến đổi Fourier là: (3.6) Kỹ thuật điều biến biên độ dễ thực nhờ cấu chopper LIA Đây k ỹ thuật phát triển để nâng cao tính làm việc thiết bị đo phổ hồng ngoại hấp thụ Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại dạng xạ sử dụng k ỹ thuật điều biến t ần số đề xuất Julien Mandon đồng nghiệp Tín hiệu chuẩn LIA đồng với tín hiệu điều biến cấp cho EOM Điện trường tín hiệu giao thoa thơng thường biểu diễn sau: (3.7) biên độ điện trường, tần số góc, hiệu quang lộ hai nhánh, c vận tốc ánh sáng Tín hiệu chứa thành phần tần số góc 13 Kỹ thuật điều biến pha Trong kỹ thuật pha tín hiệu giao thoa điều biến cách điều biến dịch chuyển gương động Độ trễ thời gian hai nhánh giao thoa kế Michelson gây quang lộ khác nhánh bị điều biến thay đổi theo thời gian sau: (3.8) độ trễ thời gian gương lại dịch chuyển, biên độ điều biến Cường độ giao thoa giao thoa kế Michelson biểu diễn sau: (3.9) M2 M1 FG MCT LIA-1 BS3 Voice coil GP DAQ PC IR Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại hấp thụ - điều biến pha Trong phương trình (3.9) cường độ giao thoa bao gồm thành phần chiều chuỗi hàm điều hòa với tần số bội số tần số điều biến Hàm điều hòa thành phần xác định sử dụng kỹ thuật trích xuất đồng (LIA) Sơ đồ nguyên lí LIA thể hình 3.4 Khảo sát biên độ tần số điều biến tối ưu sử dụng phương pháp điều biến pha Trong kỹ thuật điều biến pha, chuyển động gương tạo nhờ cấp điện áp điều hòa dạng sin cho cấu cuộn cảm -đệm khí Pha tín hiệu giao thoa điều biến cách điều biến dịch chuyển gương động giao thoa kế Michelson sử dụng máy đo phổ hồng ngoại Độ tương phản vân đánh giá theo công thức (3.10) , Hệ thống giao thoa kế đặt bàn chống rung để giảm thiểu ảnh hưởng rung động đến hệ thống Nguồn laser He -Ne bước sóng 633 nm Tín hiệu giao thoa giao thoa kế Michelson thu cảm biến photodiode a-Độ tương phản V  78 % b-Độ tương phản V  87 % c-Độ tương phản V  86 % Hình 3.Tín hiệu giao thoa với tần số điều biến Hz 14 3.5 Kết luận chương Qua phân tích cho thấy kỹ thuật điều biến cần thiết cho thiết bị phân tích phổ biến đổi Fourier Trong chương này, laser He-Ne sử dụng để hiệu chỉnh xác định ảnh hưởng tần số biên độ điều biến tối ưu cho voice-coil Bộ thông số điều biến tối ưu xác định dựa độ tương phản vân giao thoa Tần số biên độ điều biến tối ưu 8Hz 6V phù hợp với hệ thống tác giả nghiên cứu thực Kết nghiên cứu đóng góp vào sở nhằm xây dựng, hồn thiện nâng cao chất lượng máy đo phổ hồng ngoại hấp thụ CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỆ THỐNG ĐO PHỔ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 4.1 Đặt vấn đề Trên sở nghiên cứu luận giải nội dung Trong chương này, luận án tập trung xây dựng hệ thống thiết bị phân tích phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế Michelson 4.2 Tính tốn mơ xác định lựa chọn thông số thiết bị hệ thống đo hồng ngoại Căn vào mục tiêu đề tài luận án sơ đồ phương pháp đo thiết kế hình 2.13, hệ thống thực sau: vào đồ thị xạ nhiệt số nhiệt độ chuẩn, mô tính tốn thơng số cho hệ thống giao thoa a- Phổ bước sóng b- Phổ đồ giao thoa Hình 4.1 Mơ phổ bước sóng phổ đồ giao thoa bước sóng Từ đồ thị giao thoa xác định vùng bước sóng cần đo khoảng =(2ữ15) àm Trờn ph giao thoa, ta nhn thy khoảng dịch chuyển gương động dịch chuyển trình S(l)=16µm thu nhận tồn phổ đồ giao thoa Để lắp ráp linh kiện quang hệ thống cịn phải tính tốn đến kết cấu khí đảm bảo độ cứng vững hệ làm việc Bảng 4.1 Tổng hợp lưa chọn thơng số hệ thống - Vùng bước sóng khảo sát Hành trình dịch chuyển gương động Khoảng cách từ BS đến gương động Khoảng cách từ BS đến gương động Độ rộng cửa sổ vào Đường kính chia chựm BS ng kớnh gng Parabol =2ữ15àm d=16mm lt =116mm lđ=116mm Di =90mm Dbs =69mm Dpr =70mm 15 4.3 Thiết kế hệ thống khí Trong nội dung thiết kế xây dựng mơ hình nghiệm Đây phần quan trọng hệ thống thiết bị đo phổ xạ hồng ngoại 10 Hình 4.2 Thiết bị đo phổ xạ hồng ngoại 1- Động VC, 2-Trục dẫn động, 3- ổ đệm khí, 4- Gương động, 5- Tấm chia chùm, 6-Gương tĩnh, 7-Gương parabol, 8- Cảm biến hồng ngoại, 9-Nguồn laser, 10- Tấm đế Để thực trình thay đổi hiệu quang lộ giao thoa Hệ thống sử dụng đệm khí tạo dịch chuyển động Voice-coil M3 MCT Khí nén M1 BS3 Voice coil GP IR a- Cấu tạo hoạt động đệm khí b -Lắp dặt đệm khí Hình Đệm khí dịch chuyển thẳng Từ yêu cầu hệ thống dịch chuyển gương động yêu cầu cấu phải chuyển động êm, độ xác cao tốc độ đáp ứng nhanh Do đó, hệ thống xây dựng mơ hình sử dụng động cuộn cảm dạng hình trụ gắn đồng trực với đệm khí Các chuyển động tác dụng lực dọc trục khơng bị ảnh hưởng hệ số abbe Hình 4.4 Nguyên lý cấu tạo Voice coil 4.4 Tích hợp máy đo giao thoa Trên sở lựa chọn linh kiện thiết bị, luận án xây dựng mơ hình thiết bị tiền hành thử nghiệm đánh giá thông số Để thực thử nghiệm, thiết bị tích hợp lắp đặt thành máy giao thoa theo nguyên lý Michelson 16 11 Hình 4.5 Thiết kế mơ thiết bị đo phổ xạ hồng ngoại 1- Động VC, 2-Trục dẫn động, 3- ổ đệm khí, 4- Gương động, 5- Tấm chi a chùm, 6-Gương tĩnh, 7Gương parabol, 8- Cảm biến hồng ngoại, 9- Nguồn vào hồng ngoại, 10-Nguồn laser, 11- Tấm đế 4.5 Bàn cách ly rung động Đối với thiết bị quang học đặc biệt ứng dụng sử dụng nguyên lý giao thoa yêu cầu cách ly rung động quan trọng yếu tố ảnh hưởng đến kết phép đo, giao thoa kế Michelson cần tác động làm dịch chuyển /2 làm cho tín hiệu thay đổi Nếu hệ không cách ly lọc nhiễu tốt, tần số xuất tín hiệu đo rung động gây nên a-Nguyên lý giảm chấn b-Thử nghiệm giảm chấn c- Kết thử nghiệm Hình 4.6 Thiết kế bàn giảm chấn cấp Kết khảo sát thực tế với tải trọng kiểm tra P =5÷40kg Ban đầu đặt tải trọng P=5kg, lực tác dụng hệ chưa đạt đến giới hạn làm việc lò xo sợi đệm cao su, hệ số giảm chấn thấp Tiếp tục gia tăng dần đến 25kg, hệ số giảm chấn đo đạt 90% Tải trọng đạt hệ số giảm chấn tốt P=25kg Với hệ thống giảm chấn xung động khoảng f=(0-10)Hz 4.6 Hệ giao thoa laser Trong thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier, laser He-Ne đóng vai trị thước chuẩn để tính tốn bước sóng xạ hồng ngoại đồng trình lấy mẫu thiết lập chỉnh hệ thống 17 Nguồn laser He-Ne lựa chọn có bước sóng xác định (=632,8 nm) nằm vùng nhìn thấy nên dễ dàng hiệu chỉnh hệ thống Thông số quan trọng nguồn laser sử dụng nghiên cứu độ ổn định tần số Laser Hình 4.7 Laser khí He-Ne He-Ne có độ ổn định cao thay đổi tác động môi trường Trong nghiên cứu He-Ne laser (Melles Griot - IDEX Corp.) Công suất nguồn He-Ne khoảng 1mW độ ổn định bước sóng 0,02 ppm 4.7 Hệ giao thoa hồng ngoại Khác với yêu cầu hệ laser, linh kiện quang học cho hệ hồng ngoại phức tap Đối với tất linh kiện này, yêu cầu quan trọng làm việc cần tránh hấp lượng phẩn tử quang học 4.7.1 Gương phản xạ hồng ngoại Gương hệ giao thoa, phần tử hệ quang học gương sử dụng để thay đổi hướng tia sáng hệ quang, gương có vai trị vị trí nó, u cầu kỹ thuật độ phẳng độ phản xạ cao Hình 4.8 Gương phẳng 4.7.2 Lựa chọn gương Parabol Một yêu cầu quan trọng tia hồng ngoại thường phát từ nguồn nhiệt tạo chùm tia Nếu thiết bị đo xạ sau nguồn hồng ngoại phát chuẩn trục tạo thành chùm song song vào hệ giao thoa Năng lượng hội tụ tiêu điểm gương Parabol Mặt khác gương thường phủ vàng nên có hệ số phản xạ lên đến 90% Hình 4.9 Gương parabol hội tụ 4.7.3 Lựa chọn chia chùm hồng ngoại Tấm kính chia chùm sử dụng để chia đôi chùm xạ tới thành chùm tia có cường độ Có loại chia chùm sử dụng phổ biến vùng hồng ngoại, chia chùm dùng vật liệu KBr, ZnSe CaF So với loại vật liệu cịn lại, chia chùm KBr có độ cứng cao cho phép gia công với dung sai sai lệch hình dáng thấp Do nghiên cứu này, chia chùm KBr lựa chọn Hình 4.10 Tấm chia chùm hồng ngoại 18 4.7.4 Lựa chọn Cảm biến hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại sử dụng để chuyển đổi cường độ xạ tới thành tín hiệu điện, thơng thường đo điện Năng lượng điện sử dụng để tính tốn phổ xạ Có hai loại cảm biến sử dụng phổ biến vùng hồng ngoại, DTGS (Deuterated Triglycine Sulfate) MCT (Mercury Cadmium Tellurium, HgCdTe) Như phân tích trên, cảm biến MCT có độ nhạy tốc độ đáp ứng cao so với loại cảm biến khác vùng hồng ngoại Trong nghiên cứu này, cảm biến MCT ((MCT-14-10-LN) Detector - MCT Cryogenic Receiver LN2 cooled, 1x1mm Square,), hình 4.7, làm lạnh 77 K nitơ lỏng sử dụng Dải phổ làm việc cảm biến nằm khoảng =(2 ÷15)μm Hình 4.11 Cảm biến hồng ngoại IR detector 4.8 Hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu Tất thiết bị lựa chọn cho thử nghiệm phải đồng đáp ứng yêu cầu tối thiểu yêu cầu đặt Các thiết bị có liên quan đến việc lựa chọn khó khăn, yêu cầu thực nhà sản xuất thiết bị 4.8.1 Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn (Function Generator-FG) Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn FG dùng để điều biến dịch chuyển gương động, qua điều biến pha tín hiệu giao thoa, đồng thời tạo tín hiệu chuẩn cấp cho LIA dùng để trích xuất tín hiệu thành phần bậc dùng để xác định phổ xạ vào a- Sơ đồ nguyên lý b- Thiết bị tạo tần số chuẩn Hình 4.12 Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn 4.8.2 Bộ khuếch đại lock-in amplifier (LIA) Bộ LIA (PS1, Sciencetech-Inc., hình 4.11) dùng để khuếch đại, trích xuất tín hiệu thành phần tín hiệu giao thoa bị điều biến pha Tần số cho phép tín hiệu đầu vào 5MHz độ khuếch đại lớn 1000 lần cho phép thiết bị sử dụng phép phân tích phổ Hình 4.13 Bộ lock-in amplifier LIA 19 4.8.3 Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC thu nhận liệu DAQ Yêu cầu ADC thu nhận liệu phải đáp ứng yêu cầu như; phạm vi điện áp vào nằm dải thu nhận thiết bị, tần số mẫu phải lớn tần số tín hiệu Bộ ADC (VDS3102, OWonCorp.) bit với tần số lấy mẫu 500MHz sử dụng để thu nhận tín hiệu đo Với thiết bị lựa chọn có thông số điện áp vào đến 40(V) tần số lên tới 500MS/s Hình 4.14 Bộ chuyển đổi ADC 4.9 Thiết lập chỉnh hệ thống Trên sở lựa chọn thông số linh kiện, khảo sát ảnh hưởng, đề tài tiến hành tích hợp hoàn thiện hệ thống thiết bị đo đánh giá kiểm tra hoạt động hệ thống 4.9.1 Thiết lập chỉnh hệ thống giao thoa laser Để hệ giao thoa làm việc nguyên lý đo, hệ giao thoa chỉnh thu nhận kiểm tra tín hiệu trước tiến hành thực phép đo Đối với nguồn laser hình 4.8, ta kiểm tra hai tín hiệu nguồn laser PD-1 PD-2 Tín hiệu PD -1 cho biết tín hiệu hệ giao thoa cho hệ đo hồng ngoại, PD -2 tín hiệu giao thoa laser làm tham chiếu lấy mẫu Hình 4.15 Tín hiệu giao thoa laser 4.9.2 Hiệu chỉnh detector hồng ngoại Căn chỉnh dựa vào thông số tiêu cự gương parabol để xác định vị trí định vị, sau sử dụng đèn có ánh sáng màu đỏ chiếu qua hệ, lúc ta quan sát điều chỉnh cho điểm hội tụ nguồn sáng vào tâm detector Căn chỉnh tĩnh: Sử dụng đèn sợi đốt chiếu qua hệ, kiểm tra cường độ tín hiệu Ossilo hiệu chỉnh lại cho tín hiệu cường độ lớn Khóa định vị vị trí dịch chuyển Hình 4.16 Ảnh giao thoa hồng ngoại 4.10 Khảo sát hoạt động hệ thống đo với mội số nguồn phát xạ hồng ngoại Từ sơ đồ nguyên lý đo 2.13 khảo sát phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống Hế thống tiến hành đo kiểm chứng hoạt động hệ thống đánh giá kết đo 4.10.1 Đo khảo sát nguồn phát xạ hồng ngoại đèn sợi đốt công suất 100W đến 200W - Số lượng mẫu lấu N:2048 Hệ số khuếch đại 1k Tần số cắt OFF:TC=0,01(s) - Tần số giao thoa =35kHz Bước sóng tham chiếu =632,8nm 20 Hình 4.19 Đồ thi bước sóng Hình 4.17 Đồ thi giao thoa Hình 4.18 Đồ thi tần số Trên hình 4.20 cho thấy tăng công suất đèn làm cho nhiệt độ phát từ đèn thay đổi Do có thay đổi bước sóng Với cơng xuất 100W, bước sóng đo nằm vùng =4.692 nm, tăng lên 150W =4.519 nm, tiếp tục tăng công xuất lên 200W =4.370nm Như nhiệt độ cao lượng xạ lớn bước sóng ngắn Hình 4.20 So sánh kết đèn theo công suất 4.10.2 Đo khảo sát nguồn phát hồng ngoại đèn halogen khoảng cách 200mm đến 900mm - Số lượng mẫu lấy N:2048 Hệ số khuếch đại 1k Tần số cắt OFF:TC=0,01(s) Hình 4.21 Đồ thi giao thoa - Hình 4.22 Đồ thi tần số Tần số giao thoa =20kHz Bước sóng tham chiếu =632.8nm Hình 4.23 Đồ thi bước sóng So sánh kết đo khảo sát nguồn phát nhiệt đèn Halogen khoảng cách 200÷900mm, kết cho thấy khoảng cách này, bước sóng khơng có thay đổi nhiều, nhiên cường độ tín hiệu đo cho thấy giảm đáng kể Do khoảng cách xa lượng bị suy giảm nguồn búc xạ bị tổn hao lượng đường truyền qua phản xạ phần tử Hình 4.24 So sánh kết đèn theo khoảng cách Từ 200mm đến 900mm quang học 21 4.10.3 Đo khảo sát nguồn phát hồng ngoại đèn halogen khoảng cách 2000mm đến 500mm - Số lượng mẫu lấu N:2048 - Tần số giao thoa =20kHz - Hệ số khuếch đại 1k - Bước sóng tham chiếu =632,8nm - Tần số cắt OFF:TC=0,01(s) Hình 4.25 Đồ thi giao thoa Hình 4.26 Đồ thi giao thoa So sánh kết đo khảo sát nguồn phát nhiệt đèn Halogen khoảng cách l=2000-5000mm, kết cho thấy khoảng cách tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu nhiều đường tia sáng có nhiều yếu tố tác động nhiệt độ vật xung quanh, tác động nguồn xạ khác Tất yếu tố bị cộng hưởng vào tín hiệu phổ tín hiệu khơng cịn phân tách rõ nét Trên hình vẽ ta thấy có nhiều nhấp nhơ xung quanh đỉnh Peak Tuy nhiên hình dạng vùng bước sóng vân cho thấy điểm đại diện phổ bước sóng Hình 4.27 Đồ thi giao thoa Hình 4.28: So sánh kết đo đèn halogen khoảng cách 2000-5000mm 4.10.4 Đo kiểm tra xạ mẫu chất amonia khoảng cách 250mm 500mm - Số lượng mẫu lấu N:2048 Hệ số khuếch đại 1k Tần số cắt OFF:TC=0,01(s) a-Phổ tín hiệu mẫu chất amonia - Tần số giao thoa =25kHz Bước sóng tham chiếu =632,8nm b-Phổ tần sốcủa mẫu chất amonia Hình 4.29: Đồ thị kết tín hiệu tần số mẫu chất ammonia 22 Với mẫu chất Amonia, thành phần chất bay khó để thu nhận tín hiệu Đối với mẫu chất thơng thương lại thể đồ thị dạng số sóng, thực chất chuyển đổi đồ thị bước sóng với số sóng =1/ (cm-1), kết hình 4.30 Nhận xét chung: Đối với nguồn phát nhiệt, khoảng cách khác cho thấy xạ đèn sợi đốt đèn halogen không đổi, dao động hồng ngoại khong = (2.5ữ3,5) àm, nhiờn cng tớn hiệu nhỏ từ U=(5÷20) mV Đánh giá độ ổn định hệ thống đo Áp dụng công thức, với N số lần thực phép đo N  =  (i − tb )2 N Với số lần thực phép đo N=3, kết đèn sợi đốt đèn nhiệt Đồ thị sau lần đo cho thấy độ lặp lại kết đạt đến 87-90 % Đối với đèn Halogen, độ lặp lại đạt 96.8 % Do tính chất nguồn nhiệt đèn sợi đốt đèn nhiệt thay đổi công suất làm ảnh hưởng đến lượng đỉnh sóng bị trơi vùng phát xạm độ ổn định khơng cao Tuy nhiên nguồn đèn halogen, giữ nguyên công xuất đèn phát xạ nhiệt độ xạ ổn định bước sóng khơng có thay đổi lớn Đề thực xác ổn định hệ thống trước đo nguồn khởi động trước để ổn định nhiệt, mặt khác cần có kỹ thuật bù nhiệt thay đổi môi trường xung quanh 4.11 Kết luận chương Đối với hệ thống hồng ngoại, yêu cầu khó khăn điều kiện thí nghiệm bị tác động yếu tố nhiệt độ rung động nên tín hiệu thu yếu khoảng từ, cường độ U= (10 ÷ 50) mV Ngồi ra, tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu dao động phịng thí nghiệm xung quanh, khoảng tần số f=10Hz Chính luận án đề xuất giải pháp sử dụng bàn cách ly hai cấp kết hợp đệm cao su lò so sợi, giải pháp cho thấy hiệu hữu ích khoảng tần số thấp có hệ số cách ly cao giảm đến 90% lực kích động bên Luận án đo khảo sát hoạt động cử hệ thống số nguồn hồng ngoại lag đèn sợi đốt, đèn nhiệt, đèn halogen mẫu chất amonia, bước đầu cho thấy phát bước sóng nguồn tương ứng Tuy nhiên để đưa thơng tin xác nguồn phát nhiệt cần phải có nghiên cứu để hồn thiện hệ thống thiết bị KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu luận giải sở lý thuyết xây dựng mơ hình thực nghiệm, luận án đạt mục tiêu nội dung nghiên cứu đề Những kết đạt mang ý nghĩa khoa học thực tiễn sau: Phân tích làm rõ nguyên lý phương pháp đo xạ hồng ngoại Dựa sở sử dụng giao thoa kế Michelson, luận án phân tích rõ nguyên lý hoạt động hệ thống đánh giá ưu nhược điểm cấu dịch chuyển gương động giao thoa 23 Dựa nguyên lý hoạt động thiết bị có hãng giới, tác giả đề xuất phương pháp đo có bổ sung thành tín hiệu giao thoa nguồn laser để lấy mẫu tín hiệu Đồng thời, phương pháp làm tăng độ phân giải phép đo dựa nguyên lý giao thoa tính chất phân cực ánh sáng Phương pháp cho phép nâng cao độ phân giải phép đo đạt /8,  bước sóng nguồn sáng tham chiếu laser  =632,8nm Trong phương pháp xử lý tín hi ệu đo, luận án trình bày chi tiết k ỹ thuật điều bi ến pha ứng dụng thành công vi ệc trích xuất thu nhận tín hi ệu Với phương pháp này, khả xử lý tách nhi ễu bị vùi tín hi ệu cho độ sắc nét lên đến V=90% Tác giả thực nhiều thử nghiệm đưa giải pháp lựa chọn thông số tối ưu cho hệ thống thu nhận tín hiệu, phân tích lựa chọn phần tử quang học thiết bị để thử nghiệm hệ thống Phân tích đánh giá yếu tố nguyên nhân gây sai số hệ thống đo độ xác hệ thống khí lắp đặt phần tử quang học như: độ vng góc c gương so với quang trục, phương pháp tác dụng lực hệ thống dịch chuyển gương động Trên sở đó, thiết kế mơ hình thử nghiệm cho hệ thống đo Luận án đề xuất giải pháp sử dụng đệm cao su kết hợp lò xo sợi tạo giảm chấn cấp làm giảm nhiễu rung động mơi trường xung quanh Q trình thử nghiệm hoạt động hệ thống bước đầu cho thấy tín hiệu đo phản ánh nguyên lý hoạt động theo sơ đồ thiết kế Kết thử nghiệm kiểm tra với mẫu thử nguồn nhiệt (sử dụng đèn sợi đốt đèn halogen) cho thấy khả phát thiết bị dải bước sóng =2,5m đến  = 3,6 m với khoảng cách đo l=200-2000mm Thử nghiệm với mẫu khí, hệ thống phát vết dao động mẫu chất amoniac phạm vi l=300mm Những kết nghiên cứu mới: Luận án phân tích làm rõ nguyên lý hoạt động thiết bị đo phổ hồng ngoại, từ đề xuất phương pháp kết hợp tín hiệu giao thoa laser để tăng độ phân giải cho hệ thống đo Sử dụng kỹ thuật điều biến pha giao thoa, nghiên cứu đo lường quang học cho khả xử lý thu nhận tín hiệu có độ sắc nét cao Tính toán thiết kế chế tạo bàn giảm chấn cấp kết hợp đệm cao su lò xo sợi, kết cho thấy hệ số giảm chấn đến k=90% lực kích động từ bên ngồi có tần số f=(2÷10)Hz Hướng nghiên cứu tiếp theo: Với kết trên, luận án tiếp tục nghiên cứu hồn thiện hệ thống, nâng cao chất lượng tín hiệu khả chế tạo sản phẩm thiết bị điều kiện Việt Nam 24 ... quan nguồn xạ hồng ngoại phương pháp đo phổ hồng ngoại Chương 2: Phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa kế Michelson Chương 3: Kỹ thuật điều biến pha phương pháp đo phổ hồng ngoại Chương 4:... dựng sơ đồ đo phổ hồng ngoại giao thoa Michelson 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý Dựa phân tích giao thoa Michelson phương pháp đo phổ hồng ngoại, nội dung luận án trình bày phương pháp đo phổ hồng ngoại theo... đo - Chế tạo thành công thiết bị đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa kế laser Michelson - Với nghiên cứu trên, luận án thực nội dung phương pháp đo Đây phương pháp đo mới, giới có số nước nghiên cứu