Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (tt)

Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (LÀ tiến sĩ)

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết đề tài luận án Trên giới nay, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hồng ngoại nghiên cứu phát triển Trong công nghiệp, người ta dùng cảm biến hồng ngoại để thực phép đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc hay phân tích q trình thay đổi nhiệt độ chi tiết máy chúng trạng thái hoạt động Đặc biệt phương pháp đo phổ hồng ngoại để phân tích nhận biết thành phần chất hóa học Phương pháp thường sử dụng phương pháp đo hệ số hấp thụ qua mẫu… gọi phương pháp hấp thụ Trong phương pháp sử dụng nguồn hồng ngoại dải rộng để so quét dao động phong phạm vị đo hau gọi đo xạ Phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại thụ động có nhiều ưu điểm khơng tiếp xúc, không cần lấy mẫu xử lý mẫu trước đo Đây xu nghiên cứu phát triển tương lai đo khơng tiếp xúc đo từ xa mang lại nhiều ưu điểm 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 Mặt khác, lĩnh vực bảo vệ môi trường thiết bị sử dụng để quan sát cảnh báo nguy gây an tồn nhiễm mơi trường nhà máy hóa chất, khu cơng nghiệp mục tiêu quan trọng 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 Đo khảo sát với số nguồn phát xạ hồng ngoại phạm vi hồng ngoại trung Mục đích, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích đề tài: Đề tài nghiên cứu xây dựng sơ đồ nguyên lý tìm hiểu phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa kế laser Michelson dựa nguyên lý đo thụ động Trên sở đề tài tính toán chế tạo 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 đối tượng cần đo nguồn hồng ngoại MIR dải bước sóng =2 ÷ 15 m) Tiến hành đo 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 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 đo xạ phạm vi =2 ÷ 15 m với khoảng cách l=500 ÷ 2000 mm 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 thông 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 - Thiết kế chế tạo mơ hình thực nghiệm, kiểm tra ngun lý hoạt động hệ thống đo xạ hồng ngoại 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 phương pháp đo phổ hồng ngoại từ xa - Xây dựng cơng thức tính tốn thông số hệ thống - Thiết kế chế tạo bàn giảm chấn làm giảm nhiễu tác động đến tín hiệu đo - Chế tạo thành cơng thiết bị đo phổ xạ hồng ngoại giao thoa kế laser Michelson CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.1 Đặt vấn đề Trên sở mục tiêu đối tượng nghiên cứu luận án, tính chất ứng dụng xạ hồng ngoại tác giả trình bày Các ứng dụng thiết bị phân tích phổ hồng ngoại phân tích cụ thể đánh giá ưu nhược điểm loại thiết bị yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống 1.2 Bức xạ hồng ngoại Hình 1.1: Mơ tả sóng điện từ khơng gian 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 1.3 Bức xạ chất tự nhiên Tia hồng ngoại phát hấp thụ phân tử chúng thay đổi chuyển động quay-rung chúng Nó kích thích chế độ rung động phân tử qua thay đổi moment lưỡng cực, làm cho phát dải tần số dao động Khi kéo dãn AB nén AB có thay đổi r cân AB trạng thái bình thường Sự chênh lệch r gọi r Lúc xuất lực F kéo AB vị trí cân a- Các trạng thái dao động b-Trạng thái liên kết phân tử Hình 1.2: Trạng thái dao động phân tử 1.4 Thiết bị đo phân tích phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourie Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại có vai trò quan trọng việc phát phân tích tính chất vật liệu hay hợp chất Ứng dụng phổ biến thiết bị phân tích phổ hồng ngoại phân tích nhận dạng vật liệu vơ cơ, hữu hay vật liệu sinh học nghiên cứu khả dẫn điện vật liệu Có nhiều kỹ thuật phân tích phổ hồng ngoại sử dụng lăng kính phân tích hay cách tử Hình 1.3: Nguyên lý đo cách tử 1.5 Tổng quan thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier Ở Việt Nam máy phân tích phổ hồng ngoại trang bị nhiều phòng thí nghiệm viện nghiên cứu, trường đại học Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đầy đủ thiết kế chế tạo thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourie Do nghiên cứu giúp cho khả khai thác làm chủ thiết 1.6 Ứng dụng hồng ngoại phân tích phát chất hóa học Có hai phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại Phương pháp đo phổ hồng ngoại hấp thụ với sơ đồ nguyên lý sau: b-Thiết bị đo phổ hấp thụ a-Sơ đồ nguyên lý đo hấp thụ [8] Hình 1.4: Sơ đồ nguyên máy hồng ngoại phương pháp hấp thụ Phương pháp đo phổ xạ hồng ngoại từ xa: Phương pháp tiến hành đo phân tích phổ vật vị trí xa Nếu có phát có phổ trùng với cho trước máy phát tín hiệu cảnh báo, phổ cho trước lấy từ mẫu chất chuẩn lưu thành thư viện phổ, cài đặt máy tính kèm Trong an ninh quân người ta sử dụng thiết bị để trinh sát bảo vệ mục tiêu cố định chống phát sử dụng hóa chất vật liệu gây nguy hiểm nguy khủng bố 1.7 Một số kỹ thuật dịch chuyển gương động giao thoa kế Michelson 1.7.1 Kỹ thuật dịch chuyển thẳng Gương tĩnh BSGương động Nguồn sáng Cơ cấu dịch chuyển Hình 1.5: Sơ đồ dịch chuyển gương động thẳng Kỹ thuật sử dụng cấu khí để làm dịch chuyển gương động theo đường thẳng Các cấu sử dụng như: biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Ngồi sử dụng loại truyền động khác động cuộn cảm voice coil, động PZT 1.7.2 Kỹ thuật quay gương 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 yêu cầu sử dụng gương góc để tia phản xạ tia tới song song với 1.7.3 Kỹ thuật sử dụng kiểu quay đàn hồi Nguyên lý sử dụng kỹ thuật chủ yếu nguyên lý dịch chuyển gương thay đổi góc liên kết dạng khớp xoay a- Lắc khung kiểu khớp quay b- Lắc khung kiểu đàn hồi Hình 1.6: Kỹ thuật dịch chuyển kiểu lắc khung 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 thành tín hiệu đo Những phương pháp thực chất làm thay đổi tín hiệu đầu vào việc bổ sung thêm đại lượng để nhận dạng tín hiệu Các phương pháp thường sử dụng kỹ thuật điều biến biên độ, điều biến tần số điều biến pha Phương pháp điều biến biên độ, điều biến tần số điều biến pha Tất phương pháp nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu hệ thống đo Các nghiên cứu liên quan đến hệ thống nhu nhận tín hiệu phân tích làm rõ nội dung 1.9 Các giải pháp ổn định rung động chống nhiễu đo Phương pháp chống rung đệm cao su: Đây ứng dụng phổ biến đơn giản nhiên lại có hiệu cao nững hệ thống có tải trọng lớn Do tính chất vật liệu mà cao su dùng để chống rung đàn hồi trụ cầu đế máy thiết bị phòng thí nghiệm Bàn giảm chấn sử dụng đệm cao su Bàn giảm chấn sử dụng đệmlò xo Bàn cách ly đệm khí Hình 1.7: Các dạng bàn cách ly rung động Phương pháp chống rung lò xo: Phương pháp thường áp dụng cho thiết bị bị ảnh hưởng rung động có tần số lớn biên độ lớn Phương pháp đệm khí: Đây phương pháp sử dụng khí nén, thiết bị cách ly với lớp khí Tuy nhiên phương pháp ứng dụng cho dao động biên độ nhỏ 1.10 Kết luận Trên sở nghiên cứu tổng quan thiết bị đo phổ hồng ngoại, luân án khảo sát số thiết bị 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 Hiện sở nước chủ yếu khai thác sử dụng loại thiết bị Phần lớn tất thiết bị máy đo theo phổ hấp thụ phòng thí nghiệm lý hóa sinh học Đối với thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng để đo nguồn xạ hay gọi từ xa, có số nước giới nghiên cứu phát triển, mục đích để giám sát vụ cháy nổ mà đến gần phát vật chất gây nguy hiển từ xa, phục vụ an ninh quốc phòng 1.11 Hướng nghiên cứu luận án Luận án thực nghiên cứu theo phương pháp đo giao thoa Michelson Trên sở tính tốn thơng số hệ quang Tiến hành xây dựng mơ hình thực nghiệm, đo số mẫu thử đánh giá khảo sát hoạt động hệ thống đo Kiểm tra thử nghiệm với số nguồn phát xạ bước sóng hồng ngoại 2-15 micro CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI BẰNG GIAO THOA KẾ MICHELSON LASER 2.1 Đặt vấn đề Máy đo phổ hồng ngoại sử dụng nguyên lý tán sắc cách sử dụng lăng kính phân tích Đến năm 1960, cách tử dùng phổ biến để thay lăng kính phân tích mà công nghệ chế tạo phát triển cho phép gia cơng cách tử có độ xác cao 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 Gt S2 Lt Gđ S1 O S BS Lđ ZPD R R2 T Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson 2.2.2 Sự thay đổi cường độ ảnh giao thoa Khi hai sóng kết hợp lăng kính chia chùm, chúng lan truyền theo hướng có phân cực, điện trường tổng hợp điểm chồng chất lên là: (2.1) Trong trường hợp lý tưởng lăng kính chia chùm tia xạ ban đầu thành hai chùm tia có cường độ ; chiết suất khơng khí n=1, phương trình (2.6) rút gọn phương trình sau: (2.2) , 2.2.3 Sự thay đổi vân giao thoa Trong phương pháp giao thoa kết ảnh giao thoa cho ta biết tính chất nguồn sáng điều kiện để tạo nên ảnh Để khảo sát trình giao thoa thay đổi vân giao thoa, người ta sử dụng nguồn sáng Laser bán dẫn laser khí He Ne với bước sóng =628,3 Khi ta thu ảnh giao thoa có dạng sau: Vị trí đặt cảm biến quang điện Hình 2.2: Ảnh thu vân giao thoa vị trí cảm biến Trong khoảng thời gian t ta xác định số vân m (số lần thay đổi từ max sang min sang max), ta xác định quãng đường dịch chuyển gương động sau: d=m/2 Như quan hệ giao thoa cho ta thấy quan hệ quãng đường dịch chuyển gương động số vân giao thoa 2.2.4 Xác định tần số dịch chuyển gương động hệ giao thoa Và tần số gương động dịch chuyển sinh nguồn sáng giao thoa là: f gt  (2.3) 2V 2V  , f gt  T lr lr Trong :V vận tốc dịch chuyển gương động, lr bước sóng nguồn sáng laser Như tần số f gt hệ giao thoa phụ thuộc vào vận tốc V dịch chuyển gương động bước sóng tham chiếu 2.3 Máy phân tích 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 Khi gương động dịch chuyển, thành phần phương trình (2.4) số nên lọc khỏi tín hiệu giao thoa Do đó, thay đổi cường độ giao thoa tổng hợp tính thành phần thứ hai phương trình (2.4) (2.4) Phương trình (2.16) dạng cos biến đổi Fourie (2.16) viết lại phương trình sau: phương trình 2.4 Xây dựng sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại giao thoa Michelson 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý đo Dựa luận giải giao thoa Michelson phương pháp đo phổ hồng ngoại, nội dung luận án trình bày phương pháp đo phổ hồng ngoại theo nguyên lý hấp thụ, so đồ sau: M3 IR1' S11' M1 Khí nén S12 BS3 S11' IR2' S12' S12' IR2 V C P IR2' PD-1 S21' S21 G5 B R S22 S22' BS1 S LIA-1 IR1' G4 M2 Voice coil F G Laser MCT IR1 S11 Pr1 S21' S22' S1 AD-2  PBS2 G3 AD-1 PD-2 BS4 DAQ PD-3 AD-3 G6 Pr2 S2 G2 G1 PC F1 IR Hình 3: Sơ đồ máy phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ Ký hiệu Bảng 2.1 Các thành phần hệ thống đo phổ hồng ngoại Tên gọi S BS1 PBS2 BS3 M1 M2 M3 G1,G2,G3,G4,G5,G6 P MCT Pr1 Pr2 /4 PD-1, PD-2, PD-3 FG VC AD-1 AD-2 AD-3 LIA-1 DAQ PC IR F1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Nguồn sáng laser Lăng kính chia chùm laser Lăng kính chia chùm – phân cực laser Tấm chia chùm hồng ngoại Gương động Gương tĩnh Gương tĩnh Gương phản xạ Gương Parabol hội tụ Detector hồng ngoại Tấm phân cực đặt xoay góc 00 Tấm phân cực đặt xoay góc 450 Tấm ¼ bước sóng Cảm biến laser Photodiode Máy phát tần số Động voice -coil 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 động M1 phản xạ chia chùm BS3 thành tia S11’ Tia S12 đến gương tĩnh M2 phản xạ thành tia S12’ Hai tia S11’ tia S12’ phản xạ chia chùm BS3 giao thoa với thành nguồn sáng I1 Nguồn sáng I1tới gương phản xạ G4 tới G5, sau khỏi G5 nguồn sáng thu Photodiode PD-1, khuếch đại AD-1 chuyển thành tín hiệu xung đưa vào DAQ chuyển vào máy tính Tín hiệu tín hiệu giao thoa nguồn laser với tia S1, hoạt động tính 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 phân cực PBS2 Tại đây, tia S2 tách thành tia S21 S22 Tia S21 tới gương động M1 phản xạ thành tia S21’ Tia S22 tới gương tĩnh M2 phản xạ thành tia S22’ Hai tia S21’ S22’ gặp chia chùm PBS2 tạo thành nguồn sáng I2 Trong thiết kế này, nguồn laser nguồn phân cực thẳng theo phương đứng, đến PBS hai tia S21 S22 tách thành tia có góc phân cực vng góc với phương thẳng đứng phương nằm ngang, qua /4 nguồn sáng biến đổi thành phân cực tròn giao thoa với Tiếp theo nguồn sáng I2 qua lăng kính chia chùm BS4, tách thành tia Tia thứ thẳng qua phân cực Pr1, phân cực đặt góc xoay 0 Tín hiệu thu nhận photodiode PD-2, qua chuyển đổi AD-2 tới DAQ đưa vào máy tính Tia thứ hai sau phản xạ gương G6 tới phân cực Pr2, phân cực đặt góc 45, tín hiệu thu nhận 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 động M1 phản xạ thành IR1’, chùm sáng IR2 tới gương tĩnh M3 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 tròn 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 Q 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: , (2.6) , (2.7 2.5 Thu nhận xử lý tín hiệu đo phổ xạ hồng ngoại Một yêu cầu quan trọng hệ thống đo thu nhận biến đổi tín hiệu đo thành số liệu Hiện hầu hết thiết bị sử dụng máy tính cho việc tính tốn số liệu đo, trước tiên để có số liệu, hệ thống cần có thiết lập thiết bị có liên kết với để thu thập số liệu cần thiết Khuếch đại, lọc tín hiệu Thu nhận Xử lý Biến đổi tín hiệu Hệ giao thoa Hình 2.4: Sơ đồ q trình xử lý tín hiệu đo 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” T1 T2 Hình 2.5: Sơ đồ lấy mẫu tín hiệu giao thoa hồng ngoại 2.7 Xử lý tín hiệu phép biến đổi Fourie-Transform Phương pháp đo phương pháp đo kiểu FT-IR, phổ hồng ngoại biến đổi Fourie cơng cụ biến đổi FT phân tích ứng dụng nội dung a- Tín hiệu giao thoa đèn nhiệt b- Phổ tần số sau biến đổi FT Hình 2.6 Tín hiệu giao thoa đèn nhiệt chuyển đổi sang tần số Quá trình đo phân tích thực hàng loạt bước lấy số liệu thu nhậ phổ đồ hình 2.6(a), tiếp đo thực bước chuyển đổi FT thành phổ đồ tần số, hình 2.6 (b), từ giá trị thực tính tốn thành đồ thị bước song, hình 2.7 Với số liệu thí nghiệm, Tần số hệ giao thoa gt=25 kHz (xung laser, lần thay đổi mức “0”) Bước sóng laser ls=630nm Tần số đặc trưng I = 4.96 Hz Áp dụng công thức 2.23 bước sóng tương ứng =3164 (nm) Hình 2.26: Đồ thị phổ bước sóng đèn nhiệt 2.8 Ưu điểm phương pháp phân tích phổ FT-IR sử dụng giao thoa kế Michelson - Độ phân giải độ xác cao - Đa bước sóng - Năng lượng truyền qua lớn 2.9 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 Thiết bị phân tích phổ sử dụng giao thoa kế Michelson có ưu điểm vượt trội so với thiết bị sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot hay cách tử Cường độ giao thoa nguồn đơn sắc nguồn dải phổ rộng sử dụng giao thoa kế Michelson phân tích chi tiết 10 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 toán tần số giao thoa, mối quan hệ tần số bước sóng hệ giao thoa Với tài liệu có, Luận án đưa mơ hình giao thoa kết hợp với He-Ne laser để nâng cao độ phân giải độ xác phép đo đề xuất Đồ thị giao thoa laser xây dựng cách thu nhận đồng thời cường độ giao thoa lệch pha /4 từ cảm biến Do độ phân giải hệ đo nâng cao Luận án phân tích chi tiết việc thu nhận, biến đổi xử lý tín hiệu thành số liệu đo Xây dựng sơ đồ giải thuật lấy mẫu tín hiệu tử phổ đồ giao thoa đồng với tín hiệu laser CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG PHỔ HỒNG NGOẠI BẰNG KỸ THUẬT ĐIỀU BIẾN PHA 3.1 Đặt vấn đề Phạm vi làm việc thiết bị phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ bị giới hạn độ lớn tín hiệu ảnh hưởng từ nhiễu mơi trường 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 3.2 Kỹ thuật trích xuất đồng khuếch đại Kỹ thuật trích xuất đồng khuếch đại (lock-in amplifie, LIA) cho phép xác định tín hiệu nhỏ thay đổi có quy luật theo thời gian bị vùi nhiễu Các LIA ngày cho phép đo tín hiệu nhiễu có biên độ lớn 1000 lần biên độ tín hiệu Tín hiệu đo LIA Tín hiệu Tín hiệu chuẩn Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý LIA (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 thể hình 3.3 Để phân tích khảo sát hoạt động LIA , tín hiệu nhiễu mơ tả sau: a- Mơ tả tín hiệu theo thời gian b- Tần số tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu Hình 3.2 Tín hiệu đo nằm nhiễu 11 3.3 Các kỹ thuật điều biến sử dụng phân tích phổ hồng ngoại 3.3.1 Kỹ thuật điều biến biên độ Trong phương pháp điều biến biên độ, cường độ của chùm xạ điều biến cách sử dụng choppe thiết bị điều biến quang học (electro-optics modulato, EOM) 3.3.2 Điều biến tần số Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại dạng xạ sử dụng kỹ thuật điều biến tần số đề xuất Julien Mandon đồng nghiệp Sơ đồ nguyên lí phương pháp thể sơ đồ hình 3.3 Hình 3.3: Phân tích phổ hồng ngoại sử dụng kỹ thuật điều biến tần số 3.3.3 Kỹ thuật điều biến pha Điều biến pha có ưu điểm vượt trội đơn giản, không cần sử dụng thiết bị điều biến quang học (EOM), độ phân giải cao Trong phương pháp độ nét tín hiệu giao thoa phụ thuộc vào tần số biên độ tín hiệu điều biến hay gọi số điều biến Cơ sở điều biến pha độ trễ thời gian hai nhánh giao thoa kế Michelson gây quang lộ khác nhánh bị điều biến thay đổi theo thời gian sau: (3.3) độ trễ thay đổi gương lại dịch chuyển, biên độ điều biến Cường độ giao thoa giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn đơn sắc biểu diễn sau: (3.4) 3.4 Xác dịnh 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 sine cho cấu cuộn cảm-đệm khí Dao động cấu sinh có nhiều ưu điểm đáp ứng nhanh, dải động lớn, độ phân giải lực hay momen mà cấu sinh phụ thuộc vào độ phân giải điện áp hay dòng điện cung cấp Tuy nhiên nhược điểm cấu phạm vi làm việc thông thường vài centimet , công thức , (3.5) cường độ lớn nhỏ vân giao thoa thu cảm biến 3.5 Kết luận chương Qua phân tích cho thấy kỹ thuật điều biến cần thiết cho thiết bị phân tích phổ biến đổi Fourie Các kỹ thuật điều biến biên độ, tần số hay pha nhằm mục đích lọc tín hiệu nhiễu cách biến đổi cường độ giao thoa xạ theo hàm điều biến Tín hiệu điều hòa thành phần sau xác định nhờ kỹ thuật trích xuất đồng khuếch đại (LIA) Phương pháp điều biến pha dễ thực phù hợp việc ứng dụng cho thiết bị đo phổ dạng hấp thụ mà dải tần nguồn xạ vào hệ thống chưa biết Do đó, kỹ thuật điều biến pha sử dụng nghiên cứu để tăng độ nhạy phạm vi đo thiết bị phân tích phổ hồng ngoại Tần số biên độ điều biến tối ưu 8Hz 6V phù hợp với hệ thống tác giả nghiên cứu thực 12 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 luận án tập trung xây dựng hệ thống thiết bị phân tích phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế Michelson; Phân tích lựa chọn linh kiện thiết bị cho việc đánh giá thử nghiệm thông số phân tử quang học 4.2 Xác định lựa chọn thông số thiết bị hệ thống Căn vào mục tiêu đề tài luận án sơ đồ phương pháp đo thiết kế hình 2.13, hệ thống thực sau: 4.2.1 Hệ thống khí Đây phần quan trọng, tất linh kiện gá lắp để tạo nên thiết bị Do vậy, yêu cầu độ cứng vững độ xác để hoạt động nguyên lý Hình 4.1 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, 7-Gương parabol, 8- Cảm biến hồng ngoại, 9-Nguồn laser, 10- Tấm đế 4.2.2 Đệm khí cho gương động Đệm khí sử dụng cho dịch chuyển gương động để tạo dịch chuyển thẳng gương yêu cầu độ xác gương phẳng độ dịch chuyển phải đảm bảo song song Chính vậy, gương động phải ln ln vng góc với quang trục Điều ghi nhận tín hiệu đầu hệ giao thoa lớn Trong trường hợp gương bị nghiêng tạo nhiễu tín hiệu Yêu cầu độ ổn định đệm khí quan trọng Điều làm nâng độ phân giải cao thiết bị 10 M3 MCT Khí nén M1 BS3 Voice coil GP IR a-Nguyên lý làm việc ổ khí b-Cấu tạo ổ khí Hình 4.2 Ngun lý dịch chuyển đệm khí gương động 13 4.2.3 Đơng voice coil - VC Động cuộn cảm bao gồm cuộn dây lõi thép từ tính hoạt động nhờ lực Lorentz Động cuộn cảm kết hợp với sống trượt đệm khí cho phép dịch chuyển với tốc độ gia tốc cao Tốc độ hướng dịch chuyển phụ thuộc vào thơng lượng từ trường dòng điện chạy qua cuộn dây điều khiển giá trị chiều dòng điện cấp cho cuộn dây Hệ thống đệm khí giúp trì độ ổn định khe hở khớp động nhỏ 1m b- Động a- Nguyên lý cấu tạo Voice coil Hình 4.3: Động voice coil - VC Với bảng thông số trên, yêu cầu quan trọng cho ứng dụng tần số đáp cao thời gian ngắt điện nhở Tuy nhiên yêu cầu phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo 4.3 Tích hợp máy đo giao thoa Trên sở lựa chon 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 11 Hình 4.5: Thiết kế mô thiết bị 1- Động VC, 2-Trục dẫn động, 3- ổ đệm khí, 4- Gương động, 5- Tấm chi a chùm, 6Gương tĩnh, 7-Gương parabol, 8- Cảm biến hồng ngoại, 9- Nguồn vào hồng ngoại, 10Nguồn laser, 11- Tấm đế 14 4.4 Bàn giảm chấn Từ yêu cầu cụ thể, luận án chế tạo thành công hệ thống giảm chấn cấp cho kết giảm chấn cao Tuy nhiên tùy vào tải trọng mức độ ảnh hưởng rung động z2 m2 c2 k2 z1 m1 k1 c1 z0 a Sơ đồ nguyên lý cách ly rung động b Sơ đồ thiết kế bàn cách ly Hình 4.6.Bàn cách ly rung động cấp Với hệ thống giảm chấn xung động khoảng 0-10Hz hệ số giảm chấn lực kích động truyền qua đạt đến 90% 4.5 Hệ giao thoa laser Trong thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourie, laser He-Ne đóng vai trò thước chuẩn để tính tốn bước sóng xạ hồng ngoại đồng trình lấy mẫu thiết lập chỉnh hệ thống 4.5.1 Nguồn phát laser Nguồn laser He-Ne lựa chon 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 HeNe có độ ổn định cao thay đổi tác động mơi trường Trong nghiên cứu He-Ne laser (Melles Griot IDEX CorpHình 4.15 Laser khí He-Ne) Hình 4.15 Laser khí He-Ne Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật nguồn He-Ne laser Bước sóng 632.8 nm Cơng suất nguồn thơng thường 1mW Độ ổn định bước sóng 0,02 ppm Tính phân cực Phân cực thẳng Đường kính chùm tia 3-5 mm Góc phân kỳ