Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ N IỌỘLUẬN VĂN THẠC SĨXây dựng hệ đo dịch chuyển chính xác bằng giao thoa kế sử dụng phương pháp điều biến tần số NGUYỄN VŨ HẢI LINHLinhk58hust@gmail.c
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Xây dựng hệ đo dịch chuyển xác giao thoa kế sử dụng phương pháp điều biến tần số NGUYỄN VŨ HẢI LINH Linhk58hust@gmail.com Ngành Kỹ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Thanh Tùng Viện: Cơ khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 8/2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132131201000000 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Xây dựng hệ đo dịch chuyển xác giao thoa kế sử dụng phương pháp điều biến tần số NGUYỄN VŨ HẢI LINH Linhk58hust@gmail.com Ngành Kỹ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Thanh Tùng Viện: Cơ khí HÀ NỘI, 8/2020 Chữ ký GVHD LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn TS Vũ Thanh Tùng, Phó Trưởng Bộ mơn Cơ khí xác quang học – ĐH Bách khoa Hà Nội, thầy cô môn hướng dẫn giúp đỡ tận tình cung cấp điều kiện thí nghiệm tốt để học viên hồn thành Luận văn Xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Vũ Hải Linh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn cơng trình nghiên cứu điều kiện Việt Nam, không vi phạm quyền tác giả Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực Tác giả Luận văn Nguyễn Vũ Hải Linh TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn thành công nghiên cứu, xây dựng mơ hình tốn cho phương pháp đo độ dịch chuyển giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn laser bán dẫn điều biến tần số Tần số nguồn điều biến trực tiếp qua dòng bơm cho laser Tín hiệu giao tho phân tích dạng chuỗi hàm điều hòa tần số điều biến qua khai triển hàm Bessel loại Cặp tín hiệu có pha vng góc bậc trích xuất qua khuếch đại lock-in qua xây dựng biểu đồ Lissajous tính tốn độ dịch chuyển cần đo Kết thực nghiệm cho thấy hệ đo hoạt động ổn định, xác hồn tồn có tiềm phát triển sâu Học viên Nguyễn Vũ Hải Linh TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn viết nhằm thực hiện, làm rõ nội dung sau: • Mục đích nghiên cứu: Xây dựng sở lý thuyết, mơ hình thực nghiệm đo độ dịch chuyển xác giao thoa kế điều biến tần số • Trên sở liệu đo được, đánh giá độ xác, độ ổn định đo giao thoa kế • Đối tượng đo: Gương địch chuyển dịch chuyển nhỏ PZT hang Thorlabs với phạm vi dịch chuyển lặp lại 1.5 μm • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài sử dụng phương pháp điều biến tần số cho nguồn laser đi-ốt sử dụng phương pháp trích xuất đồng để thu liệu Qua mục tiêu đề tài viết chia thành ba chương: Trong Chương I: Tổng quan phát triển giao thoa kế Tác giả nêu kiến thức tượng giao thoa ánh sáng sở toán học với phát triển giao thoa kế lĩnh vực đo độ dịch chuyển bao gồm : Giao thoa kế Michelson, giao thoa kế tần số giao thoa kế điều biến pha Ở Chương II: Ngun lý mơ hình tốn giao thoa kế Michelson điều biến tần số Hệ đo giao thoa kế Michelson sử dụng phương pháp điều biến tần số đề xuất Tác giả thành công xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ làm rõ mơ hình tốn phương pháp đo qua phần 2.1 Nguyên lý giao thoa kế điều biến tần số Thêm vào việc sử dụng khuếch đại Lock-in để thực phương pháp trích xuất đồng ứng dụng vào bước xử lý tín hiệu giao thoa nhắm thu cặp phần tử điều hịa có pha vng góc giới thiệu phần 2.2 Ngun lý module xử lý tín hiệu Luận văn kết thúc với Chương III: Xây dựng hệ thí nghiệm kết Trong chương cuối tác giả tiến hành thực nghiệm dựa sơ đồ nguyên lý nêu Chương II trước Các thiết bị sử dụng hệ đo thơng số chúng giới thiệu Sau thu liệu qua khuếch đại lock-in chức data logger máy đo đa MokuLab Dữ liệu sử dụng để xây dựng sơ đồ Lissajous qua xác định giá trị độ dịch chuyển chiều dịch chuyển gương động Kết thu được so sánh với giá trị dịch chuyển tham chiếu dịch chuyển nhỏ PZT Thorlabs để đánh giá độ ổn định độ xác kết đo Cuối cách sai số ảnh hưởng tới hệ đo với cách khắc phục nêu ra, tác giả đánh giá sơ ảnh hưởng chúng tới kết chấp nhận Kết luận hướng phát triển đề tài viết phần MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA GIAO THOA KẾ 1.1 Cơ sở toán học tượng giao thoa 1.2 Đo độ dịch chuyển giao thoa kế 1.2.1 Giao thoa kế Michelson 1.2.2 Giao thoa kế tần số 1.2.3 Giao thoa kế điều biến pha 12 CHƯƠNG II: NGUN LÝ VÀ MƠ HÌNH TỐN CỦA GIAO THOA KẾ MICHELSON ĐIỀU BIẾN TẦN SỐ 17 2.1 Nguyên lý giao thoa kế điều biến tần số 17 2.2 Nguyên lý module xử lý tín hiệu 19 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 23 3.1 Các thiết bị lắp đặt hệ thí nghiệm 23 3.1.1 Các thiết bị 23 3.1.2 Xây dựng hệ thí nghiệm 47 3.2 Kết thí nghiệm 48 3.3 Các nguồn sai số tính tốn sai số 51 3.3.1 Sai số chiết suất thay đổi 51 3.3.2 Sai số bước sóng thay đổi 52 3.3.3 Sai số nhiễu cảm biến 52 3.3.4 Sai số hệ quang khơng hiệu chỉnh xác 52 3.3.5 Ảnh hưởng từ rung động môi trường 54 3.3.6 Sai số phép đo giao thoa kế 55 3.4 Kết Luận hướng phát triển 56 Tài liệu tham khảo 57 Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Hai sóng W1 W2 giao thoa với Hình 1.2 Lan truyền xạ laser không gian Hình 1.3 Chồng chất sóng điểm phương truyền sóng Hình 1.4 Cường độ tín hiệu giao thoa thay đổi theo độ lệch pha sóng Hình 1.5 Sơ đồ giao thoa kế Michelson Hình 1.6 Cường độ tín hiệu giao thoa gương động dịch chuyển Hình 1.7 Cường độ tín hiệu giao thoa nhánh ngược pha Hình 1.8 Cường độ tín hiệu giao thoa nhánh đồng pha Hình 1.9 Giao thoa kế tần số 10 Hình 1.10 Nguồn laser hai tần số 12 Hình 1.11 Nguyên lý giao thoa kế điều biến pha 13 Hình 1.12 Hàm Bessel giá trị đặc biệt 15 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế điều biến tần số 17 Hình 2.2 Đồ thị hàm Bessel loại 19 Hình 2.3 Nhiễu tín hiệu 20 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý khuếch đại lock-in 21 Hình 3.1 Laser bán dẫn L635P5 24 Hình 3.2 Kích thước nguồn laser L635P5 25 Hình 3.3 Bệ gá LDM90/M 26 Hình 3.4 Kích thước LDM90/M 27 Hình 3.5 Vị trí kết nối TEC200C LDC210C với LDM90/M 28 Hình 3.6 Đồ thị thay đổi nhiệt độ TED200C thoe KP, KI, KD 28 Hình 3.7 Thông số lựa chọn thực tế 29 Hình 3.8 Bộ chìa SPW909 SPW301 29 Hình 3.9 Kích thước gương 30 Hình 3.10 Lăng kính chia chùm dạng khối lập phương 32 Hình 3.11 Lăng kính chia chùm dạng 33 Hình 3.12 Cấu tạo lăng kính chia chùm BS013 34 Hình 3.13 Kích thước BS013 35 Hình 3.14 Cảm biến PDA36A-EC 36 Hình 3.15 Bộ trộn ZAD-1+ 37 Hình 3.16 Kích thước ZAD-1+ 38 Hình 3.17 Bộ lọc thông thấp EF110 39 Hình 3.18 Kích thước EF110 39 Hình 3.19 Thiết bị MokuLab 40 Hình 3.20 12 biểu tượng chức MokuLab 41 Hình 3.21 Nguyên lý hoạt động PZT 42 Hình 3.22 Tinh thể PZT hãng Thorlabs 42 Hình 3.23 Độ trễ PA4FKW 44 Hình 3.24 Độ trễ PK4DMP1 44 Hình 3.25 Bộ điều khiển PZT KPZ101 45 Hình 3.26 Sơ đồ cổng KPZ101 45 Hình 3.27 Bàn dịch chuyển nhỏ NFL5DP20/M 46 Hình 3.28 Kích thước NFL5DP20/M 47 Hình 3.29 Hệ thống thực nghiệm 47 Hình 3.30 Thành phần điều hồ bậc 48 Hình 3.31 Sơ đồ Lissajous 49 Hình 3.32 Kết thí nghiệm 50 Hình 3.33 Sai lệch giao thoa kế với giá trị tham chiếu 50 Hình 3.34 Sai số Abbe .53 Hình 3.35 Sai số cosine 53