Các Phương Pháp Đo Lường Độ Dài Bằng Laser

Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG ĐỘ DÀI BẰNG LASER 4.1 Đo xác độ dài giao thoa kế laser 4.1.1 Hiệu ứng giao thoa Hiện tượng giao thoa xảy hai sóng ánh sáng đơn sắc kết hợp gặp điểm, hay nói cách khác hai sóng ánh sáng phải phát từ hai nguồn sáng giống hệt Thường sử dụng hai sóng tách từ nguồn phát sáng 4.1.1.1-Sự giao thoa hai sóng kết hợp Dao động tổng hợp M tổng véc tơ hai dao động thành phần đạt tới t d1 s1 = acos [ 2π( - ) + ϕ1 ] T λ s2 = a cos [ 2π ( t − d ) + ϕ2 ] T λ Giả sử hai dao động phương , độ lớn dao động tổng hợp tìm theo phép cộng đại số: Dao động tổng hợp có chu kỳ hai dao động thành phần có biên độ cường độ I là hiệu pha hai sóng gặp M Vì (ϕ1 - ϕ2 ) / = cosnt , nên phân bố độ dọi phụ thuộc vào hiệu đường d2-d1 Do thoả mãn điều kiện d2-d1 = const nên quĩ tích điểm mặt Hypecboloit tròn xoay nhận đường s1s2 làm trục nhận s1 , s2 làm tiêu điểm + Độ dọi đạt cực đại 4a2 hai sóng đồng pha , tức d2-d1=mλ với m số nguyên hay hiệu quang lộ số nguyên lần bước sóng + Độ dọi đạt cực tiểu không hiệu quang lộ số lẻ lần bước sóng Hiện tượng tổng hợp hai sóng có tần số có hiệu pha ban đầu không đổi gọi giao thoa ánh sáng Thực chất giao thoa sóng phân bố lại lượng dao động không gian , tồn điểm dao động với biên độ cực đại xen kẽ với điểm dao động với biên độ cực tiểu Muốn phân bố ổn định khoảng thời gian đủ để quan sát , hiệu pha chúng phải không đổi khoảng thời gian Hai sóng tần số có hiệu pha không đổi gọi hai sóng kết hợp sóng kết hợp điêù kiện cần để có giao 4.1.1.2 Sự giao thoa hai sóng trường hợp tổng quát Trước hết xem hai sóng s1 ,s2 có phương , việc tổng hợp dao động thực phép cộng véc tơ S = S1 + S2 Cường độ sóng I = S2 =(S1+S2)2 = S12+S22 + 2S1S2 Lấy trung bình theo thời gian quan sát , ta có (S2) = (S12) + (S22) + 2S1S2 Khi S1 S2 sóng phẳng đơn sắc (S2)=a 2/2 nên Số hạng 2(S1S2)gọi số hạng giao thoa , không a2=a12 +a22 Cường độ dao động tổng hợp tổng đơn giản cường độ gây hai dao động thành phần giao thoa Vậy điều kiện thứ để có giao thoa : phương dao động hai sóng không vuông góc với Trường hợp hai sóng đồng phưong , trường hợp riêng để có giao thoa Khi hai sóng đơn sắc dao động phương có tần số khác S1 = a1cos(ω 1t-ϕ ) với ϕ =k1d1-ϕ 01 S2 = a2cos(ω 2t-ϕ ) với ϕ =k2d2-ϕ 02 Khi Để quan sát ảnh giao thoa thời gian quan sát t’ phải đủ lớn so với chu kỳ dao động có tích phân thứ khác không với điều kiện : - hiệu ω1-ω2 đủ nhỏ - ϕ -ϕ =const Vậy điều kiện thứ hai để quan sát vân giao thoa (tức hệ vân ổn định suốt thời gian đủ để quan sát ) hai sóng phải có tần số khác không nhiều có hiệu pha ban đầu không đổi Điều có nghĩa phải có cộng sóng kết hợp Khi hai sóng biên độ phức U1(r) U2(r) chồng chất lên , kết sóng đơn sắc có tần số có biên độ phức U(r) = U1(r) + U2(r) cường độ sóng tổng Biểu thức cường độ sóng tổng hợp giao thoa hai sóng kết hợp có biên độ khác Giá trị bước sóng λch laser HeNe giá trị chuẩn nhiệt độ, áp suất độ ẩm hiệu chỉnh theo tần số trung tâm môi trường laser λch = 0,63281976 µm Các giá trị hiệu chỉnh dùng hiệu chỉnh độc lập thông số hiệu chỉnh đồng thời Khi kết đo cần phải đưa vào hiệu chỉnh δ LT, liên quan đến thay đổi kích thước chi tiết đo nhiệt độ thay đổi δLT/L = - β∆t β hệ số dãn nở thẳng nhiệt độ vật liệu chi tiết đo L kích thước chi tiết đo cần xác định ∆t thay sai lệch nhiệt độ vật cần đo điều kiện tiêu • Hình 4.13 Sơ đồ đo có hiệu chỉnh sai số tự động 4.1.6 Ảnh hưởng rung động môi trường đến giao thoa kế laser Trong môi trường xung quanh ta xuất rung động vật chuyển động tác động tương hỗ lẫn Các rung động lan truyền mặt đất, nhà xưởng sản xuất phòng thí nghiệm Các thiết bị đo lường công nghệ lắp đặt nhà xưởng phòng thí nghiệm chịu tác động rung động Các rung động gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ xác phép đo nguyên công công nghệ xác Khi xảy cộng hưởng cục phận dụng cụ đo, gây nên biến dạng dịch chuyển vị trí lớn phận, chi tiết thiết bị Các rung động môi trường xung quanh làm thay đổi vị trí tương quan chi tiết quang Tạo nên sai lệch như: độ không thẳng hàng, thay đổi khoảng cách tương đối chi tiết quang làm giảm rõ nét sai lệch ảnh quang mà sai lệch thay đổi theo biến động rung động Do độ nhạy hiệu ứng giao thoa đến phần mười bước sóng rung động trực tiếp nhỏ đến vài phần mười micromet làm cho hệ giao thoa không ổn định, vị trí vân giao thoa thay đổi, gây nên sai số đo Vì vậy, việc giảm ảnh hưởng rung động môi trường máy đo giao thoa cần thiết, đặc biệt trình nghiên cứu việc đo độ dài giao thoa laser 4.1.6.1 Đặc điểm rung động môi trường Sàn phòng thí nghiệm phân xưởng chịu rung động có dải tần số rộng từ nguồn tránh khỏi hình 4.14: + Sàn nhà mang dao động thẳng đứng dải từ 10 đến 30Hz từ người, xe cộ, hoạt động địa chấn, công trường xây dựng + Các nhà cao tầng dao động đến hàng mét gió thổi với tần số từ đến 10Hz +Máy, thiết bị hoạt động tạo nên dao động đến 200Hz Các rung động lan truyền nhà phòng thí nghiệm nhà xưởng sóng học ngang dọc: + Khi phòng nằm mặt đất nhà đủ cứng thành phần sóng dọc lan truyền theo bề mặt nhà chủ yếu + Khi phòng nằm tầng cao nhà phòng không đủ cứng thành phần dao động ngang thường chủ yếu Ngoài có lắc ngang dao động nhà Tính chất rung động ngẫu nhiên biên độ tần số Phổ tần số từ đến hàng chục kHz với đặc tính biên độ- tần số thường có biên độ lớn tần số nhỏ giảm tần số tăng lên Theo tài liệu hãng Mellgriot, mật độ phổ công suất rung động môi trường điểm khác tuỳ theo môi trường, ví dụ: - Trong công nghiệp nặng: