Thiết kế thiết bị đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế mai ken sơn động

Ảnh giao thoa này có các tính chất quan trọng trong việc tính toán và xác định các thông số hoạt động của hệ giao thoa; như quan hệ giữa số vân và bước sóng, hay quang đường dịch chuyển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Trần Đức Hùng 20110296

 Bước sóng đo λmin = 600 ÷ 700 nm

III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

 Nguyên lí đo bước sóng laser bằng giao thoa kế

 Xây dựng mô hình của giao thoa kế Mai-ken-sơn động

 Thiết kế hệ thống điều chỉnh gương tĩnh

 Viết phần mềm điều chỉnh tự động tạo giao thoa laser

III/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ

 Bản vẽ lắp ghép hệ giao thoa laser

IV/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Văn Vinh

Th.S Doãn Giang

V/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 01/03/2016

VI/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 30/05/2016

Hà Nội, ngày 1 tháng 3 năm 2016

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Nguyễn Văn Vinh

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT

Thiết bị đo bước sóng, ảnh sóng bằng giao thoa kế Mi-ken-sơn động là một thiết bị quang cơ điện tử chính xác Sinh viên Hùng đã tìm hiểu nguyên lí của phương pháp này và thực hiện thiết kế cụm giao thoa động của thiết bị

Các nội dung

- Tìm hiểu về các phương pháp đo bước sóng bằng giao thoa kế

- Xây dựng nguyên lí và tính toán thiết kế phần cơ khí và dịch chuyển tịnh tiến của gương động

- Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động cho gương tĩnh được điều khiển qua phần mềm và mạch vi điều khiển PIC16F877A

Các nội dung tính toán hợp lí, thuyết minh trình bày sạch đẹp gọn gàng, bản vẽ kết cấu đúng quy định song chưa đạt tính mĩ thuật công ngiệp Sinh viên Trần Đức Hùng

đã hoàn thành đồ án với tinh thần chăm chỉ và cố gắng hoàn thành các nội dung được giao đúng thời gian

Đánh giá:

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:

Hà Nội,ngày 5 tháng 6 năm 2016

Giáo viên hương dẫn

PGS.TS Nguyễn Văn Vinh

GIÁO VIÊN DUYỆT NHẬN XÉT

Điểm bằng số:

Điểm bằn chữ:

Hà Nội,ngày tháng năm 2016

MỤC LỤC

Chương 1: Đo bước sóng bằng giao thoa kế 13

1.1 Giao thoa kế Mai-ken-sơn 13

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa Mai-ken-sơn 13

1.1.2 Sự thay đổi thành phần pha của hệ giao thoa 14

1.1.3 Sự thay đổi của vân giao thoa 15

1.1.4 Xác định tần số dao động của hệ giao thoa 18

1.2 Phương pháp xác định bước sóng bằng giao thoa 19

1.2.1 Một số phương pháp đo bước sóng bằng giao thoa kế 19

1.2.2 Sơ đồ nguyên lý đo bươc sóng bằng giao thoa Mai-ken-sơn động 20

1.2.3 Phương pháp xác định bước sóng của nguồn sáng 22

1.3 Các phương pháp tạo tần số dịch chuyển gương động 23

1.3.1 Bộ tạo dịch chuyển gương động bằng cuộn dây Voice coil 23

1.3.2 Bộ tạo dịch chuyển cho gương động bằng vật liệu áp điện PZT 24

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ đo 27

1.4.1 Ảnh hưởng của nhiễu và ồn 27

1.4.2 Ảnh hưởng của các chi tiết quang học và hệ thống cơ khí 28

1.5 Thu nhận và xử lý tín hiệu của hệ giao thoa đo phổ hồng ngoại 31

1.6 Xử lý tín hiệu bằng phép biến đổi Fourie 33

1.6.1 Biến đổi Fourier rời rạc DFT 33

1.6.2 Biến đổi Fourier nhanh FFT 35

1.7 Biến đổi tín hiệu phổ hồng ngoại bằng chuyển đổi Fourier 38

Chương 2: Thiết kế cơ khí – quang hệ giao thoa Mai-ken-sơn động 40

2.1 Thiết kế cơ cấu gá gương tĩnh 40

2.1.1 Nguyên lí hoạt động của cơ câu điều chỉnh gương tĩnh 40

2.1.2 Giới thiệu về các loại cơ cấu gá gương 41

2.1.2a Cơ chế điều chỉnh Kinematic 41

2.1.2b Cơ cấu điều chỉnh Gimbal 43

2.1.2c Cơ cấu điều chỉnh Flexure 44

2.1.3 Các cách điều chỉnh cơ cấu : 45

2.1.3a Sử dụng vít lục giác 45

2.1.3b Sử dụng tay nắm 46

2.1.3c Cơ cấu điều chỉnh sử dụng động cơ 47

2.1.4 Đặc điểm vật liệu: 47

2.1.4 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh 49

2.1.5 Tính toán thiết kế bộ truyền đai ngoài 51

2.2.Thiết kế hệ thống gương động 54

2.2.1.Nguyên lí hoạt động 54

2.2.2 Chọn sống trượt và vít me 57

2.2.3 Tính toán thiết kế bộ truyền đai ngoài 64

2.2 Nguồn sáng tham chiếu Laser 67

2.3 Sensor thu nhận tín hiệu giao thoa Laser 67

2.4 Bộ chuyển đổi ADC 68

2.5 Bộ biến đổi xung và đếm Counter 68

2.6 Gương phản xạ 69

2.7 Bộ tách tia 70

Chương 3: Điều khiển điện và phần mềm 71

3.1 Sơ đồ điều khiển 71

3.2 Các linh kiện sử dụng 71

3.2.1 Vi điều khiển pic 16F877A 71

3.2.3 Driver điều khiển TB6560 81

3.2.4 Kết nối RS232 83

3.3 Xây dựng phần mềm 87

3.3.1 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển CCS 87

3.3.2 Phần mềm lập trình MATLAB 87

3.4 Các thuật toán sử dụng trong phần mềm 89

3.4.1 Thuật toán điều khiển 89

3.4.2 Thuật toán hiệu chỉnh tự động 90

3.4.3 Sơ đồ mạch điện 91

3.4.4 Giao diện điều khiển 92

Chương 4: Thực nghiệm 93

4.1 Sơ đồ kết nối thu tín hiệu bước sóng 93

4.2 Vận hành hệ thống đo phổ bức xạ hồng ngoại 93

4.3 Kết quả thu tín hiệu và xử lý tín hiệu đo dao động 96

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lí giao thoa kế Mai-ken-sơn 13

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = 0 15

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí tạo vân khi d = λ/2 16

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = λ 16

Hình 1.5 Ảnh của vân giao thoa 17

Hình 1.6 Mô tả sóng giao động sau khi giao thoa 18

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ 19

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại từ xa 20

Hình 1.9 Sơ đô hệ thống đo bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa laser 21

Hình 1.10 Sơ đồ tạo dao động bằng Voice coil 23

Hình 1.11 Thiết bị tạo dao động dạng voice coil 24

Hình 1.12 Vật liệu áp điện PZT 25

Hình 1.13 Hình dạng và động cơ kiểu PZT 26

Hình 1.14 Sơ đồ tạo dịch chuyển bằng PZT 27

Hình 1.15 Sơ đồ tự động điều chỉnh ảnh giao thoa 28

Hình 1.16 Sơ đồ thiết kế hệ quang làm giảm các sai số cơ khí 29

Hình 1.17 Mô tả tín hiệu được lấy mẫu 30

Hình 1.18 Tín hiệu sau khi lấy mẫu 31

Hình 1.19 Sơ đồ lấy mẫu tín hiệu đo hồng ngoại 32

Hình 1.20 Mô phỏng tín hiệu không có giao động và kết quả biến đổi FT 36

Hình 1.21 Mô phỏng tín hiệu giao động tuần hoàn và kết quả biến đổi FT 37

Hình 1.22 Mô tả tín hiệu rời rạc không tuần hoàn theo thời gian 37

Hình 1.23 Mô tả tín hiệu biến đổi FT của tín hiệu không tuần hoàn 37

Hình 1.24 Sơ đồ thuật toán sử lí tín hiệu bước sóng cần đo 39

Hình 2.1 Các thành phần chính trong giao thoa Mai-ken-sơn 40

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí điều chỉnh gương tĩnh 40

Hình 2.3 Cơ chế điều chỉnh Kinematic 41

Hình 2.5 Cơ cấu Gimbal 43

Hình 2.6 Cơ cấu Flexure 44

Hình 2.7 Cơ cấu điều chỉnh bằng vít lục giác 45

Hình 2.8 Cơ cấu điều chỉnh sủ dụng tay nắm 46

Hình 2.9 Cơ cấu điều chỉnh sử dụng động cơ 47

Hình 2.10 Nguyên tắc 3 điểm 49

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lí dịch chuyển gương động 54

Hình 2.12 Cấu tạo của bộ phận sống trượt dùng ma sát lăn 56

Hình 2.13: Cơ cấu vít me bi 56

Hình 2.14 Thông sô kĩ thuật của trục dẫn hướng 58

Hình 2.11 Hệ số phản xạ của gương khi phủ lớp phản xạ bằng Bạc 70

Hình 2.15 Gương phản xạ dạng phi cầu 70

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển cơ cấu gá gương tĩnh 71

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo của vi điều khiển PIC16F877A 72

Hình 3.3 Vi điều khiển 16F877A 73

Hình 3.4 Sơ đồ các chân của vi điều khiển 16F877A 73

Hình 3.5 Một số loại động cơ bước 76

Hình 3.6 Sơ đồ dây động cơ bước 77

Hình 3.7 Cấu tạo động cơ bước đơn cực 4 dây 77

Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển một pha 78

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển hai pha 79

Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển phối hợp hai pha và một pha 80

Hình 3.11 Driver TB6560 81

Bảng 3.1 Bảng điều khiển Driver TB6560 82

Hình 3.12 Sơ đồ kết chân kết nối của driver TB6560 83

Hình 3.13 Sơ đồ chân của DB9 85

Hình3.14 Mạch nguyên lý giao tiếp với máy tính 86

Hình 3.16 Thuật toán điều khiển 89

Hình 3.17 Thuật toán điều chỉnh tự động 90

Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển 91

Hình 3.19 Giao diện hiệu chỉnh gương tĩnh 92

Hình 4.1 Sơ đồ kết nối thu tín hiệu bước sóng 93

Hình 4.2 Giao diện chương trình đo 94

Hình 4.3 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính 94

Hình 4.4 Đặt tần số dao động của gương 95

Hình 4.5 Nhập số lượng lấy mẫu tín hiệu 95

Hình 4.6 Giao diện hoạt động của chương trình đo 96

Hình 4.7 Phổ biến độ dao động tần số f=40Hz, N=512 97

Hình 4.8 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=500 Hz 97

Hình 4.9 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=1000Hz 98

Hình 4.10 Phổ biến độ dao động tần số f =40Hz, N=1024 98

Hình 4.11 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=500Hz 99

Hình 4.12 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=1000Hz 99

Hình 4.13 Phổ biến độ dao động tần số f =40Hz, N=2048 100

Hình 4.14 Phổ tần số sau khi biến đổi FT với tấn số lấy mẫu f=500Hz 100

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Quan hệ hình dạng và thay đổi hình dạng của vật liệu PZT 25

Bảng 1.2 Các thông số của vật liệu áp điên PZT 26

Bảng 2.1 Thông số vật liệu 48

Bảng 2.2 Kích thước của trục dẫn hướng 59

Bảng 2.3 Bảng thông số trục vít me – đai ốc bi 63

Bảng 2.4 Thông số ổ bi 64

Bảng 2.5 Thông số nguồn phát laser 67

Bảng 2.6 Thông số của sensor laser 68

Bảng 2.7 Thông số bộ chuyển đổi ADC 68

Bảng 2.8 Thông số bộ chuyển đổi xung và đếm Counter 69

Bảng 3.2 Chức năng các chân chủa RS232 84

LỜI MỞ ĐẦU

Giao thoa kế là một trong những thiết bị quan trọng trong kỹ thuật quang phổ Nhờ có giao

thoa kế mà chúng ta có thể các định được bước sóng ánh sáng, phổ cường độ Ngoài ra, có thể

xác định được độ phân cực của ánh sáng

Khi nghiên cứu hiện tượng giao thoa ánh sáng, ta nghiên cứu hiện tượng giao thoa ánh

sáng với nguồn sáng điểm, nguồn sáng rộng, giao thoa của nhiều chùm tia sáng…Hiện tượng

giao thoa ánh sáng có nhiều ứng dụng trong thực tế Một trong những ứng dụng điển hình là

sự dụng giao thoa kế Milchelson để đo bước sóng laser, ánh sáng, đo chiết suất của bản

mỏng,…

Hiện nay giao thoa kế được ứng dụng nhiều trong việc đo lường các đại lương vật lí có độ

chính xác cao Vì vậy em chọn đề tài “Đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế

Mai-ken-sơn” cho đồ án tốt nghiệp của mình

Chương 1: Đo bước sóng bằng giao thoa kế

1.1 Giao thoa kế Mai-ken-sơn

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa Mai-ken-sơn

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lí giao thoa kế Mai-ken-sơn

5- Lt : Chiều dài quang lộ từ bộ tách tia đến gương tĩnh

6- Lđ : Chiều dài quang lộ từ bộ tách tia đến gương động

7- T : Màn thu ảnh giao thoa

Hoạt động của hệ giao thoa

- Tia sáng từ nguồn sáng S đến bộ tách tia được tách làm hai tia sáng OS1 và OS2 Hai tia này có cùng bước sóng nhưng biên độ của mỗi tia giảm đi 1/2 so với biên độ sóng ban đầu

- Tia OS1 đi thẳng đến gương động Gđ và bị phản xạ lại về bộ tách tia và khúc xạ thành tia OR1

- Tia OS2 đi đến gương tĩnh Gt và bị phản xạ lại về bộ tách tia và khúc xạ thành tia OR2

- Hai tia phản xạ OR1 và OR2 là 2 tia kết hợp chồng lên nhau gặp nhau và giao thoa quan sát bằng màn ảnh T

1.1.2 Sự thay đổi thành phần pha của hệ giao thoa

Điều kiện để sẩy ra hiện tượng giao thoa là luôn tồn tại một hiệu quang lộ giữa gương tĩnh và gương động bằng số lần bước sóng

Lt - Lđ = k ( k=0,1,2,3 ) (1.1) Hiệu pha của hai chùm là 2Lcos với L là khoảng cách giữa gương tĩnh Gt và gương động Gđ, gọi  là góc giữa bộ thu và trục quang Hiệu pha giữa các chùm là

 = 2 ( 2L cos / ) (1.2) Việc tạo nên vân giao thoa là bản chất sóng của ánh sáng Sóng ánh sáng lan truyền theo trục Z có thể được mô tả bằng công thức

U (z,t) = a exp i ( kz + t +  ) (1.3)

a là biên độ sóng của nguồn sáng, k = 2/

Gọi  đặc trưng cho pha của sóng và thường phụ thuộc vào toạ độ không gian và thời gian Có thể coi rằng đối với bức xạ laser đơn sắc và kết hợp cao thì  không đổi

Cường độ nhận được do sự kết hợp 2 chùm được xác định bằng biểu thức

Hay I = a1 + a2 + 2a1a2 sin  (1.5)

Biểu thức trên là hàm bậc hai, kết quả ảnh giao thoa là sự phân bố cường độ ánh sáng

mà bộ thu nhận có thể ghi nhận Vân giao thoa tương ứng với cường độ phông sáng không đổi

là a1 + a2 và tín hiệu biến điệu theo qui luật sin

Nếu a1 = a2 = a thì I = 2a2(1+ sin)

Các điều kiện này tương ứng với việc tạo nên các vân sáng và tối trong ảnh giao thoa Các vân giao thoa có dạng tròn, do vị trí hình học của các điểm với hiệu pha cho trước là đối xứng với tâm nằm trên đường xuất phát từ bộ thu theo hướng pháp tuyến đối với gương Khoảng cách giữa các vân giảm tuỳ theo mức độ tăng của khoảng cách bán kính vân

Khi Gđ dịch chuyển các vân dịch chuyển đối với tâm theo hướng phụ thuộc vào hướng dịch chuyển của gương Sự thay đổi khoảng cách gương làm xuất hiện trong tâm một vân giao thoa mới Nói cách khác khi khoảng cách Gt và Gđ thay đổi thì cường độ tại tâm thay đổi từ max sang min sang max Khi đặt điafram và bộ thu quang điện tại tâm ta sẽ nhận được sự thay đổi cường

độ này

1.1.3 Sự thay đổi của vân giao thoa

Trong các phương pháp giao thoa thì kết quả của ảnh giao thoa sẽ cho ta biết các tính chất của nguồn sáng và các điều kiện để tạo nên ảnh Ảnh giao thoa này có các tính chất quan trọng trong việc tính toán và xác định các thông số hoạt động của hệ giao thoa; như quan hệ giữa số vân và bước sóng, hay quang đường dịch chuyển của gương động, các ứng dụng này được ứng dụng trong các kỹ thuật đo chiều dài hay phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

Để tiến hành đo đếm và thực hiện các ứng dụng ta sẽ khảo sát sự thay đổi của vân gioa thoa khi ta dịch chuyển gương động như sau:

Tại thời điểm T1 gương động đứng yên ở vị trí trùng pha so với gương tĩnh, ta gọi vị trí này là vị trí tương ứng với quãng đường dịch chuyển của gương động lad d=0 Lúc này sóng giao thoa là tổng biên độ sóng giữa gương động và gương tĩnh là biên độ cực đại, ảnh giao thoa thu được tương ứng là vân sáng

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = 0

Tại thời điểm T2 gương động dịch chuyển đi một quãng đường d = /2, lúc này sóng giao tho là hai sóng ngược pha nhau nên tổng biên độ thu được là triệt tiêu nhau, nên ảnh giao thoa thu được trên màn ảnh tương ứng là vân tối

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí tạo vân khi d = λ/2

Tại thời điểm T3 gương động dịch chuyển đi một quãng đường là d = , lúc này sóng giao thoa là hai sóng cùng pha nhau nên tông biên độ của hai sóng là cực đại, nên ảnh giao thoa thu được tương ứng là vân sáng

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d = λ

Vậy mỗi lần gương động dịch chuyển đi một quãng đường d = /2 thì sự thay đổi của vân giao thoa thu được sẽ là từ sáng sang tối hoặc từ tối sang sáng Nếu ta dịch gương động theo chiều xa dần từ tâm O ra ngoài tương ứng với hiệu quang lộ giữa gương động và gương tĩnh mang dấu ‘+” thì quan sát trên màn ảnh ta sẽ thu được sự thay đổi của vân sáng từ tâm lan ra ngoài Nếu dịch theo chiều ngược lại thì hiệu quang lộ giữa gương động và gương tĩnh mang dấu ‘-” ta sẽ quan sát trên màn ảnh thấy vân giao thoa thay đổi từ ngoài vào trong

Để khảo sát quá trình giao thoa và thay đổi của vân giao thoa người ta sử dụng nguồn sáng Laser bán dẫn hoặc laser khí HeNe với bước sóng =628,3 ta sẽ thu được ảnh giao thoa

có dạng như sau:

Hình 1.5 Ảnh của vân giao thoa

Nếu ta tiếp tục cho gương động dịch chuyển với vận tốc đều, bước dịch chuyển là thì ta sẽ thu được tín hiệu là một hàm sin hoặc cosin tương ứng với tần số dao động F, tần số này hoàn toàn phục thuộc vào vận tốc dịch chuyển của gương động nhanh hay chậm

Hình 1.6 Mô tả sóng giao động sau khi giao thoa

Trong khoảng thời gian t ta xác định được số vân m ( số lần thay đổi từ max sang min hoặc min sang max), ta sẽ xác định được quãng đường dịch chuyển của gương động như sau:

d=m/2 (1.6) Như vậy qua hệ giao thoa cho ta thấy quan hệ giữa quãng đường dịch chuyển của gương động và bước sóng

1.1.4 Xác định tần số dao động của hệ giao thoa

Nếu ta dùng một nguồn sáng đơn sắc như laser với bước sóng đỏ có =628,3nm thì sẽ thu được ảnh giao thoa rất rõ nét nên việc phát hiện thay đổi từ sáng sang tối ( max sang min)

là rất dễ dàng

Trong trường hợp ta dịch chuyển gương động với một vận tốc v đều không đổi tương ứng với thời gian thay đổi giữa các vân giao thoa là bằng nhau do đó sẽ tạo ra một dao động với chu kỳ không đổi

Như vậy vân giao thoa thay đổi từ max sang min sang max sẽ đi hết 1 chu kỳ /2 và dao động với vận tốc là V

Mặt khác ta có quan hệ d=V*t Nếu quãng đường dịch chuyển trong một đơn vị thời gian là /2 thì /2=V*t

T V

  (1.7)

Trong đó : V là vận tốc dịch chuyển gương động, lr là bước sóng của nguồn sáng laser

Như vậy tần số của hệ giao thoa phụ thuộc vào vận tốc V dịch chuyển của gương động

1.2 Phương pháp xác định bước sóng bằng giao thoa

1.2.1 Một số phương pháp đo bước sóng bằng giao thoa kế

Phương pháp đo bước sóng bức xạ hấp thụ biến đổi Fourier: Ở phương pháp này nguồn sáng hồng ngoại là chủ động, chiếu tia sáng xuyên qua mẫu đo theo nguyên lý sau:

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ

Phương pháp này sử dụng nguồn sáng hồng ngoại chủ động phát ra và chiếu qua mẫu

đo Cơ sở tính toán của phương pháp này xác định hệ số truyền qua T = I/I0 là xác định tỷ số năng lượng đầu ra I trên năng lượng nguồn I0

Phương pháp đo phổ từ xa: Phương pháp này còn được gọi là phổ hồng ngoại thụ động biến đổi Fourier Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại từ xa

Với sơ đồ nguyên lý máy đo phổ từ xa này, nguồn sáng hồng ngoại ngẫu nhiên đi vào

hệ giao thoa và hệ giao thoa này hoạt động như thế nào hiện nay chưa có tài liệu nào trình bày

cụ thể về phương pháp đo của thiết bị này Vì vậy cần tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nó 1.2.2 Sơ đồ nguyên lý đo bươc sóng bằng giao thoa Mai-ken-sơn động

Trong nguyên lý đo bước sóng ánh, hầu hết các hãng chỉ đưa ra sơ đồ nguyên lý chung nhưng không cung cấp đầy đủ thông tin về phương pháp đo cũng như cách xử lý tín hiệu và tính toán ra thông số đo Dựa trên sơ đồ nguyên lý chung ta sẽ xây dựng sơ đồ nguyên lý đo

và các phương pháp thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin như sau:

Hình 1.9 Sơ đô hệ thống đo bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa laser

1- S : Nguồn sáng Laser bước sóng =628,3nm

Hoạt động của hệ đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa

Tia sáng từ nguồn sáng laser qua bộ tách tia tạo thành 2 tia tới gương tĩnh Gt và gượng động Gđ, sau đó phản xạ và giao thoa cho ta vân giao thoa như đã trình bày ở trên Hệ giao thoa này gọi là hệ giao thoa laser Tín hiệu giao thoa này là các vân sáng thay đổi khi ta dịch

chuyển gương động Để nhận biết được các vân giao thoa thay đổi rõ nét người ta cho qua 1 thấu kính phần kỳ, đầu đo laser dạng photo diode để phát hiện sự thay đổi vân này Đầu đo này các tác dụng xác định tần số dao động của hệ dao thoa và là tần số lấy mẫu cho xử lý tín hiệu hồng ngoại Tín hiệu này thu được dưới dạng điện áp cỡ vài milivolte (mv) ở sạng xoay chiều, sau đó được khuếch đại và chuyển đổi thành dạng các xung vuông, với mức tín hiệu tương tích TTL để đưa đến bộ đếm và truyền vào máy tính

Tia sáng từ nguồn sáng đến cửa sổ, cửa sổ này các tác dụng lọc đi các tia bức xạ khác nằm ngoài vùng ánh sáng cần đo Tia sáng tiếp tục đi tiếp vào hệ giao thoa sau đó được hội tụ lại tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ Detector được đặt tại đây và thu lại tín hiệu giao thoa, tín hiệu này là cường độ năng lượng của nguồn sáng đến Đầu đo này là dạng nhiệt - điện (Pyroelectric), biến năng lượng nhiệt năng thành điện năng, tín hiệu này có dạng 1 chiều VDC, sau đó tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi ADC và truyền vào máy tính để xử lý

Máy tính thu nhận 2 nguồn tín hiệu và tiến hành biến đổi Fourier chuyển đổi từ tín hiệu

mô tả ở miền thời gian sang miền tần số và biến đổi thành phổ của bước sóng

1.2.3 Phương pháp xác định bước sóng của nguồn sáng

Trong trường hợp hệ đơn chỉ có 1 nguồn sáng đơn sắc thì ta có thể xác định được bước sóng dựa trên công thức (1.6)

Ta nhận thấy rằng các tia sáng hồng ngoại,tử ngoại và tia sáng nhìn thấy chúng đều có tính chất chung của qui luật ánh sáng là; truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ, giao thoa Trong hệ giao thoa này tính chất của tia sáng và tia laser là như nhau, như vậy ta sẽ có một hệ giao thoa kép với hai nguồn là tia laser và tia sáng đơn sắc

Ở đây ta xét mối liên hệ giữa hai sóng có bước sóng khác nhau trên cùng một hệ giao thoa Ta có thể nhận thấy rằng bước sóng của nguồn laser rất gần với bước sóng của nguốn sáng đang xét Với bước sóng laser He-Ne có  = 623,8 m thì bước sóng nguồn sáng là

=600 - 700 nm, như vậy sự khác biệt về bước sóng và bản chất của chúng làm cho hai nguồn sáng này độc lập với nhau Mặt khác trong hệ đo này ta sử dụng giao thoa kế Michelson có đặc điểm rất quan trọng là tất cả các tia tới sau khi qua tấm chia chùm đều phản xạ trên gương

số giao thoa của các tia sáng tương tự như tia laser Mặt khác nguồn sáng là một dải bước sóng, trong đó có các bước sóng thành phần nên khi giao thoa ta có thể viết dưới dạng tổng quát sau:

Fi = 2V/ i Như vậy kết hợp giữa hai nguồn sáng laser và hồng ngoại ta có công thức sau:

gt

i lr i

F F

   (1.9)

Tuy nhiên trong quá trình giao thoa ta chỉ ghi nhận được 1 tần số duy nhất đó là tần số giao động của gương trên cơ sở nguồn sáng laser với tần số Fgt Nguồn sáng là đại diện cho một dải bước sóng nên tần số Fi sẽ được tính bằng cách lấy mẫu và biến đổi tín hiệu dựa trên bước sóng tham chiếu là nguồn sáng laser và phép biến đổi Fourier

1.3 Các phương pháp tạo tần số dịch chuyển gương động

1.3.1 Bộ tạo dịch chuyển gương động bằng cuộn dây Voice coil

Để tạo dịch chuyển cho gương động người ta sử dụng một bộ tạo dao động là 1 cuộn dây âm thanh (voice coil) Khi ta cấp cho hệ này 1 dao động điện với tần số nào đó thì cuôn dây này sẽ tạo ra dao động và truyền qua màng tạo âm thanh tạo thành dao động điều hòa với một tần số không đổi Khi ta thay đổi tân số phát thì có nghĩa là ta thay đổi tần số dao động của hệ giao thoa, như vậy ta hoàn toàn có thể chủ động kiểm soát được sự dịch chuyển của gương động Sơ đồ tạo dao động như sau:

Hình 1.10 Sơ đồ tạo dao động bằng Voice coil

Như vậy với dao động này ta sẽ dùng nguồn sáng laser để thu lại tín hiệu và đó chính

là tín hiệu lấy mẫu để tiến hành đo và phân tích bước sóng của nguồn sáng

Trong thực tế hiện nay chủ yếu là sử dụng voice coil có màng âm thanh dạng cao su hoặc vật liệu đàn hồi, nhưng với một số yêu cầu đặc biệt người ta sử dụng loại voice coil không có màng âm thanh mà người ta truyền sóng âm bàng cả dao động của môi trường cần truyền như mặt bàn, bức tường , điều này làm giảm quá trình giao thoa của sóng âm trong không gian

a- Voice coil có màng rung b- Voice coil không có màng rung

Hình 1.11 Thiết bị tạo dao động dạng voice coil

1.3.2 Bộ tạo dịch chuyển cho gương động bằng vật liệu áp điện PZT

Với sự phát triển của kỹ thuật vật liệu mới hiện nay thì người ta sử dụng các công nghệ hiện đại hơn trong điều khiển này, thay bằng các dao động kiểu cơ học thông dụng như động

cơ hay các chuyển động cơ khí mà thay vào đó người ta sử dụng một loại động cơ là PZT, động cơ áp điện

Lợi dụng tính chất đặc biệt của vật liệu này gọi là hiện tượng áp điện Khi ta cấp vào

nó một dòng điện làm cho các phân tử trong vật chất thay đổi và chuyển hướng làm cho biến dạng về kích thước theo các phương Trong trường hợp ta tác dụng một lực vào vật liệu thì chúng sẽ sinh ra dòng điện

Như vậy khi ta cần tạo ra một chuyển động ta sẽ cấp cho vật liệu một điện áp theo yêu cầu dịch chuyển

Dựa trên nguyên lý như vậy người ta thiết kế ra các kết cấu về thay đổi biến dạng của vật liệu này tùy theo mục đích sử dụng Sau đây là một dạng chuyển đổi của vật liệu PZT như sau:

Bảng 1.1 Quan hệ hình dạng và thay đổi hình dạng của vật liệu PZT

Hình dạng Hướng phân cực Tác động khi

áp điện

Chế độ dao động và dịch chuyển

wh

V w

V h



Theo hình dáng của mẫu vật liệu trên nếu ta cần tạo ra dịch chuyển theo chiều dài thì

sẽ xác định thông số L=d33*V, trong đó d33 gọi là hệ số co giãn của vật liệu Căn cứ và các

quan hệ này khi sản xuất người ta cung cấp các thông số hệ số co giãn và hướng co giãn để áp dụng tính toán Bảng sau cho biết các thông số của một loại vật liệu PZT

Bảng 1.2 Các thông số của vật liệu áp điên PZT

Như vậy căn cứ vào hình dáng và các thông số của vật liệu ta có thể tính toán được tần

số dao động và điện áp cấp theo quan hệ trên Thực tế tùy vào các ứng dụng khác nhau mà người ta có các hình dạng khác nhau như hình trụ, hình vành khăn, hay dạng tấm

Hình 1.13 Hình dạng và động cơ kiểu PZT

Trong ứng dụng tạo dao động giao thoa này người ta thường sử dụng loại hình khối hoặc hình trụ hoặc dạng tấm Sơ đồ điều khiển như sau:

Hình 1.14 Sơ đồ tạo dịch chuyển bằng PZT

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ đo

1.4.1 Ảnh hưởng của nhiễu và ồn

Có nhiều loại ồn nhiễu làm giới hạn độ phát hiện của detector Các loại cơ bản là: ồn thống kê, ồn tái hợp - phát sinh, ồn Johnson

Ồn thống kê (shot noise): loại ồn này có nguyên nhân là tính gián đoạn của bức xạ Bức

xạ gồm các photon đến detector một cách ngẫu nhiên về thời gian Các photon đợc hấp thụ tạo ra điện tử quang điện trong các khoảng thời gian ngẫu nhiên và sự biến thiên dòng điện này biểu hiện thành nhiễu Ồn nhiễu này có thể sinh ra bởi chính các photon tín hiệu cần đo hoặc bởi dòng photon nền trong các trờng hợp tín hiệu rất yếu và detector có ồn rất thấp Khi loại ồn này xuất hiện thì hệ đo được xem là đang hoạt động ở chế độ nền giới hạn

Ồn tái hợp - phát sinh được quan sát thấy ở các detector quang dẫn, trong đó các photon

bị hấp thụ làm sinh ra các hạt tải điện cả dương và âm Một số hạt tải điện tự do có thể bị tái hợp trớc khi thu được Ngoài ra, sự kích thích nhiệt có thể làm phát sinh các hạt tải điện thêm vào Cả hai hiện tượng này xảy ra ngẫu nhiên dẫn đến một ồn thăng giáng trong dòng điện ở lối ra

Ồn Johnson hay là ồn nhiệt gây ra bởi chuyển động ngẫu nhiên của các hạt tải trong vật dẫn Kết quả dẫn đến sự thăng giáng điện trở nội của detector hoặc trong các điện trở nối tiếp với đầu ra của detectot

Ồn đọc là đặc trưng của các detector và liên quan đến tính bất ổn định khi chuyển điện tích giữa các bộ lưu trữ

Ngoài các loại ồn nhiễu kể trên tín hiệu thu còn chịu tác động của ồn microphon gây bởi các dao động hoặc sốc chấn động và ồn nhiệt độ gây bởi thăng giáng nhiệt độ của detector 1.4.2 Ảnh hưởng của các chi tiết quang học và hệ thống cơ khí

Trong phương pháp đo này thì các chi tiết quang học có vai trò quan trọng hơn cả vì nguyên lý đo chính ở đây là hệ giao thao, các chi tiết quang này phải làm việc với cả hai nguồn sáng là laser và hồng ngoại nên yêu cầu các chi tiết phải có các hệ số quang học chính xác để không làm sai lệch mất tín hiệu đo Mặt khác hệ thống gá lắp và điều chỉnh các chi tiết bằng

cơ khí cũng góp phần làm ảnh hưởng đến kết quả đo, trong các thiết bị hiện đại người ta sử dụng luôn tín hiệu giao thoa của nguồn laser để hiệu chỉnh lại hệ giao thoa như điều chỉnh gương tĩnh để làm sao luôn thu được tín hiệu giao thoa là tốt nhất

Hình 1.15 Sơ đồ tự động điều chỉnh ảnh giao thoa

Processing

Để đạt được các thông số đo tốt nhất trước hết người ta nghiên cứu thiết kế hệ quang học, sao cho mọi phần tử quang học làm việc tốt nhất, năng lượng của nguồn vào ít bị hấp thụ bởi các vật liệu làm chi tiết quang học Mặt khác khi thiết kế hệ quang học sao cho đường đi của tia sáng ít phải đi qua các chi tiết quang học để làm giảm hệ số hấp thụ

Đối với phương pháp này sử dụng hệ giao thoa kế Michelson, trong sơ đồ nguyên lý chính tắc thì gương động luôn được bố trí đối diện với nguồn sáng và đao động dọc theo hướng quang trục, nên việc chế tạo các chi tiết cơ khí này phải rất chính xác Để khắc phục hiện tượng tia sáng bị lệch khi giao thoa người ta thay gương phản bằng 2 gương góc và bố trí trên

1 khớp quay như hình sau:

Hình 1.16 Sơ đồ thiết kế hệ quang làm giảm các sai số cơ khí

Trên hình ta thấy hai gương phản xạ được thiết kế với vai trò như nhau, nên khi thay đổi góc quay có nghĩa là hiệu quang lộ thay đổi nên tạo ra vân giao thoa, mặt khác 2 gương này dùng gương góc nên tia sáng sau khi thay đổi góc thì tia phản xạ vẫn luôn trở lại nguồn

và hai tia phản xạ này luôn hợp với nhau vì vậy chúng giao thoa với nhau và cho ảnh tốt nhất Các phương pháp bước sóng này để cho ra kết quả sau cùng sau khi ta thu được số liệu và phân tích phổ xác định bước sóng

2.5 Lấy mẫu tín hiệu

Trong xử lý tín hiệu, lấy mẫu là chuyển đổi một tín hiệu liên tục thành một tín hiệu rời rạc Một cí dụ phổ biến là việc chuyển đổi một sóng âm thanh (một tín hiệu liên tục) thành một chuỗi các mẫu (một tín hiệu thời gian rời rạc) Một mẫu chứa một giá trị hoặc tập hợp các giá trị tại một điểm trên trục thời gian

Hình 1.17 Mô tả tín hiệu được lấy mẫu

Trên hình ta nhận thấy hàm mô tả tín hiệu S(t) sẽ được rời rạc hóa và lấy mẫu tại các thời điểm t

Định lý lấy mẫu Nyquist – Shannon là một định lý được sử dụng trong lĩnh vực lí thuyết thông tin, đặc biệt là trong viễn thông và xử lý tín hiệu do Harry Nyquist và Claude Shannon phát minh Lấy mẫu là quá trình chuyển đổi một tín hiệu thành một chuỗi số

Định lý lấy mẫu được phát biểu như sau:

Một hàm số tín hiệu x(t) không chứa bất kỳ thành phần tần số nào lớn hơn hoặc bàng một giá trị fm có thể biểu diễn chính xác bằng tập các giá trị của nó với chu kỳ lấy mẫu

Như vậy, tần số lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện

fs > 2fm Tần số giới hạn fs/2 này được gọi là tần số Nyquist và khoảng (-fs/2 ;fs/2) gọi là khoảng Nyquist Thực tế, tín hiệu trước khi lấy mẫu sẽ bị giới hạn bằng một bộ lọc để tần số tín hiệu nằm trong khoang Nyquist Đối với các tín hiệu khác nhau theo thời gian, ví dụ S(t)

là một tín hiệu liên tục được lấy mẫu, và việc lấy mẫu được thực hiện bằng cách đo các giá

trị của tín hiệu liên tục ở thời điểm mỗi giây T, T được gọi là khoảng thời gian lấy mẫu Như vậy, tín hiệu sau khi được lấy mẫu Xn được tạo bởi:

Định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon cung cấp điều kiện đủ (nhưng không phải lúc nào cũng cần thiết), theo đo có thể tái lại hoàn toàn tín hiệu Định lý đảm bảo rằng các tín hiệu có tần số giới hạn có thể được tái tạo hoàn toàn tín hiệu từ phiên bản mẫu của nó, nếu

tỷ lệ lấy mẫu lớn hơn gấp đôi tần số tối đa (f s >2f max)

1.5 Thu nhận và xử lý tín hiệu của hệ giao thoa đo phổ hồng ngoại

Trong hệ đo này ta thu được 2 nguồn tín hiệu, tín hiệu đo là tín hiệu hồng ngoại, tín hiệu mang thông tin của các bước sóng Tín hiệu laser trong hệ đo này đóng vai trò là tín hiệu lấy mẫu để thực hiện biến đổi tín hiệu Mặt khác nguồn laser còn có nhiệm vụ căn chỉnh hệ thống quang học

Hình 1.19 Sơ đồ lấy mẫu tín hiệu đo hồng ngoại

Các tia hồng ngoại đi từ nguồn bên ngoài vào hệ giao thoa, đây là một chùm tia của nhiều bước sóng khác nhau và được thể hiện trên hình 1.19-a, các tia hồng ngoại này sau khi giao thoa thì ta sẽ thu được một dao động với biên độ dao động là tổng biên độ của các sóng thành phần, kết quả thu được như hình 1.19-b

Tín hiệu laser là một nguồn sáng đơn sắc và bước sóng không đổi nên khi giao thoa và cho gương động dịch chuyển đều thì ta luôn thu được một dao động với biên độ sóng là biên

độ của nguồn sáng như hình 1.19-c

Trong khoảng thời gian t0 đến ti tín hiệu giao thoa laser cho ta tần số lấy mẫu, như vậy tín hiệu X(n) đã được lượng tử hóa và lấy mẫu thành tín hiệu X(t) thông qua tín hiệu L(t) như hình 1.19d

Trong trường hợp này nếu áp đụng theo định lý lấy mẫu thì tần số lấy mẫu có nghĩa là tần số của dao động L(t) phải lớn hơn 2 lần tần số của tín hiệu X(n) Đó là điều kiện như đã

( tín hiệu cần xử lý) Nếu tần số này càng lớn thì tín hiệu cần xử lý sẽ được mô tả chính xác hơn, điều này có nghĩa là độ phân dải cao hơn, đây cũng chính là độ phân dải của phép đo này

Như vậy tín hiệu giao thoa hồng ngoại X(n) đã được rời rạc hóa thành tín hiệu số X(t), tín hiệu này là một tập hợp dãy số mang thông tin của tín hiệu nguồn X(n) Trên cơ sở thông tin là các số liệu này ta sẽ dùng phương pháp biến đổi Fourier để tính toán và tìm phổ bức xạ của nguồn hồng ngoại

1.6 Xử lý tín hiệu bằng phép biến đổi Fourie

Trong hệ thống xử lý tín hiệu số (DSP) là sử dụng các công cụ toán học để biến đổi nhằm mục đích chuyển đổi các tín hiệu từ các dạng mang các thông tin chuyển đổi thành các

số liệu đo Thông thường người ta sử dụng các phép biến đổi Laplace, biến đổi Z và phép biến đổi Fourie

Đối với hệ đo này ta sử dụng phép biến đổi Fourier để biến đổi tín hiệu mang thông tin

là các sóng đã được thu nhận và biến đổi theo thời gian sang miền tần số Tín hiệu sau khi

đã được lấy mẫu và rời rạc hóa vậy là các tín hiệu liên tục đã được rời rạc hóa thành dãy số Mỗi phần tử trong dãy số này là một giá trị của tín hiệu đầu vào Như vậy ta cần áp dụng phép biến đổi Fourier rời rạc cho hệ xử lý này

1.6.1 Biến đổi Fourier rời rạc DFT

Đối với tín hiệu đầu vào có thể là tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn, ở đây

ta áp dụng trường hợp xử lý tín hiệu không tuần hoàn và cặp biến đổi Fourier rời rạc của dãy không tuần hoàn có độ dài hữu hạn x(n)L rời rạc như sau:

Trong đó và thừa số được gọi là hệ số pha

(

N

L N

n

n jk

e n x

1 ) (

N

N L

k

n jk

e n

Biến đổi Fourier rời rạc thuận của dãy có độ dài hữu hạn x(n)N được viết tắt là DFT và ký hiệu như sau :

Dãy độ lớn có thể nhận giá trị dương hoặc âm và :

Dạng mô đun và argumen : (1.22)

còn được gọi là dãy biên độ tần số, hay dãy phổ biên độ rời rạc

Dãy còn được gọi là dãy pha tần số, hay dãy phổ pha rời rạc

Theo lý thuyết hàm phức, là dãy chẵn và đối xứng qua trục tung, còn là

] ) ( [ )

) ( )

(

N

N N

) ( )

(

N

N N

n

) (

)()

(k N A k N e j k

N

N X k k

) ()()

(k N X k N e j k

N N

k X k

R

I arctg

)(

)()

Hay :

Quá trình rời rạc hóa biến tần số liên tục được gọi là lấy mẫu tần số Nếu x(n)N là tín hiệu số thì dãy X(k)N là phổ rời rạc, nó nhận được bằng cách lấy mẫu tần số phổ liên tục X(ej) Nếu h(n) là đặc tính xung của hệ xử lý số, thì H(k)N là đặc tính tần số rời rạc của hệ

xử lý số, nó nhận được bằng cách lấy mẫu tần số đặc tính tần số liên tục H(ej)

Như vậy, DFT chính là lấy mẫu tần số, và để việc lấy mẫu tần số không làm biến dạng dãy gốc trong miền thời gian, thì phải không để xảy ra hiện tượng trùm thời gian do đó điều kiện để có thể khôi phục được hàm tần số liên tục X(ej) từ hàm tần số rời rạc X(k)N là: Dãy gốc phải có độ dài L hữu hạn và độ dài N tính DFT phải không nhỏ hơn độ dài của dãy gốc theo điều kiện sau: N  L Tuy nhiên, khi độ dài N tính DFT bằng độ dài của dãy gốc x(n), thì sai khác giữa dãy tần số rời rạc X(k)N và hàm tần số liên tục X(ej) còn rất lớn, khi độ dài

N tính DFT càng lớn thì sự sai khác giữa X(k)N và X(ej) càng giảm, và khi N   thì X(k)N  X(ej)

Với L = N thì :

Với L > N thì :

1.6.2 Biến đổi Fourier nhanh FFT

Thuật toán biến đổi Fourier nhanh có ưu điểm là số lượng phép tính rút gọn nhiều lần

so với phép biến đổi Fourier thông thường Số lượng phép tính toán chỉ còn N.log2(N) so với N*N lần của biến đổi DFT thông thường

1

1 1

1

1

1 ]

[

1

0 1

0

).

( )

n

n jk

n

n jk

e

e e

e n rect n

rect

L L

N

L N

) (

)

2 1

1 ] [

N N

N

L N L

N L N

N

L N N

L

jk jk

jk

jk jk

jk

jk jk

e e e

e e

e e

e n

k j

e n

rect

N k

N L k DFT

) 1 (

sin

sin )

k j e n

rect

N k

N L k DFT

k X

) 1 (sin

sin)

()

Số lượng mẫu đầu vào N phải là số mũ nguyên của 2 N = 2p Trước khi tiến hành tính toán cần phải tiến hành đảo thứ tự của giá trị mẫu trong mảng cho phù hợp với phép biến đổi của Danielson-Lanzcos bằng cách tiến hành đảo bít như sau:

Bước 2: Phép biến đổi Danielson-Lanzcos

1

2 / 0

i

n ikj nf n

k j

Hình 1.20 Mô phỏng tín hiệu không có giao động và kết quả biến đổi FT

Trên đồ thi ta thấy nếu tín hiệu không có dao động thì kết quả của phép biến đổi chứng minh rằng cho ta tần số luôn ở vị trí 0

n k

k

F

Hình 1.21 Mô phỏng tín hiệu giao động tuần hoàn và kết quả biến đổi FT

Trên hình vẽ ta nhận thấy nếu tín hiệu là dao động tuần hoàn với tần số F, sau khi biến đổi ta sẽ thu được phổ là một giá trị tần số

Đối với tín hiệu không tuần hoàn thì sau khi biến đổi ta sẽ thu được một dải tần số, ứng với các dao động thành phần trong tín hiệu gốc, mô ta tín hiệu bằng phần mềm Matlab như sau:

Hình 1.22 Mô tả tín hiệu rời rạc không tuần hoàn theo thời gian

Hình 1.23 Mô tả tín hiệu biến đổi FT của tín hiệu không tuần hoàn

Trên hình 1.22 ta nhận thấy với khoảng thời gian t=50ms ta thu được một tín hiệu dao động không tuần hoàn, sau khi biến đổi FT trên hình 1.23 và phân tích phổ tần số ta nhận thấy tín hiệu dao động đặc trưng nhất ở 2 khoảng tần số 50 và 120

1.7 Biến đổi tín hiệu phổ hồng ngoại bằng chuyển đổi Fourier

kỹ thuật FFT thì độ dài này phải là số mũ nguyên của cơ số 2 tức 2N

Bước 2: Tính giá trị mũ arg  ej*2* * / n N

Bước 3: Thực hiện tạo vòng lặp cho j chạy từ 0 đến N-1 để tính tổng cho x(n), tại mỗi giá trị

Thực hiện vòng lặp, tính các giá trị tổng sẽ bằng tổng các giá trị ứng với k = 0 đến

N-1 Sau khi lấy trung bình cộng thì sẽ tìm ra được giá trị tại tần số X(k)

(

N

L N

n

n jk

e n x

Hình 1.24 Sơ đồ thuật toán sử lí tín hiệu bước sóng cần đo

Chương 2: Thiết kế cơ khí – quang hệ giao thoa Mai-ken-sơn động

Giao thoa kế Mai-ken-sơn động bao gồm các thành phần chính sau

Hình 2.1 Các thành phần chính trong giao thoa Mai-ken-sơn

1-Bộ điều chỉnh gương động, 2-Bộ tạo dich chuyển gương dạng voice coil, 3-Gương động, 4-Bộ điều chỉnh gương tĩnh, 5-gương phản xạ, 6-Nguồn sáng cần đo, 7-Nguồn laser He-Ne, 8-Bộ tách tia, 9-Thấu kính hội tụ, 10-Detector, 11-Thấu kính phân kì, 12-Phôt diode

2.1 Thiết kế cơ cấu gá gương tĩnh

2.1.1 Nguyên lí hoạt động của cơ câu điều chỉnh gương tĩnh

Nguyên lí hoạt động