4. Các kết quả mới của luận án
2.2.2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan Micrometer
Cảm biến LSM cấu tạo có 2 bộ phận chính:
- Bộ phận tạo ra tín hiệu đo: Gồm có hệ quang (Gương, thấu kính, laser) và mạch tạo xung đo trên cơ sở các cảm nhận từ chi tiết đo.
- Bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo: Gồm có bộ xử lý và chuyển đổi xung đếm thành kết quả đo kết hợp với hệ thống CPU chuyển đổi các dữ liệu đo sang các giao diện khác như: màn chỉ thị, bàn phím, máy in, chuyển đổi D/A....
Sơ đồ khối chức năng:
Hình 2. 11: Mô hình chức năng của cảm biến LSM
Hình 2. 12: Mô hình các bộ phận của cảm biến LSM [70].
- Đầu phát laser: laser được tạo ra từ một đầu phát laser khí He-Ne. Ánh sáng đỏ bước sóng 650 nm.
- Bộ phận tạo laser quét:
Có nhiều phương pháp tạo laser quét như các phương pháp gương đa giác quay, gương điện kế, gương dao động ... nhưng với ưu điểm là đơn giản và cho tốc độ quét cao nên phương pháp gương đa giác quay được sử dụng phổ biến nhất trong cảm biến quét laser.
34
Hệ quang tạo quét laser bằng phương pháp đa giác quay như hình 2.13 và hình 2.14. Khi sử dụng phương pháp này, cứ một vòng quay của gương sẽ tạo ra s chu kỳ quét của tia phản xạ (s là số cạnh của đa giác) do đó có thể cho vận tốc quét và tần số đo lớn.
Hình 2. 13: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay.
Hình 2. 14: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay.
- Bộ phận trực chuẩn tia quét:
35
Các tia laser phản xạ từ gương đa giác quay sẽ lập thành một chùm tia quét góc. Tuy nhiên khi xác định đường kính D các chi tiết ta phải quét lên hai đường sinh đối tâm do đó bắt buộc chùm tia quét phải là song song. Như vậy cần thiết phải có sự trực chuẩn chùm tia quét góc thành chùm tia quét song song. Để thực hiện điều này người ta đặt điểm "hội tụ" của chùm tia quét góc tại tiêu điểm của một thấu kính chuẩn trực TK1 (Hình 2.14).
Ngoài chức năng chuẩn trực chùm tia quét thì thấu kính chuẩn trực còn có chức năng rất quan trọng sau: Tia quét laser góc cũng như tia laser từ nguồn phát nó có độ song song rất cao vì vậy sau khi qua TK1 thì nó sẽ hội tụ tại tiêu diện sau của TK1. Như vậy, so với đường kính chùm tia phát thì đường kính của tia quét tại tiêu diện của TK1 nó đã giảm được nhiều lần (Hình 2.15). Nhờ sự giảm đường kính của tia quét này mà khả năng phân giải khi nhận cạnh vật đo của tia quét được tăng lên tức là tăng độ chính xác của phép đo.
- Bộ phận cảm nhận chùm tia quét laser và tạo tín hiệu đo:
Trong quá trình quét sẽ có một khoảng thời gian tia laser bị che khuất bởi chính vật đo. Để chuyển đổi sự không liên tục này thành tín hiệu đo ở bộ phận cảm nhận người ta thường chuyển đổi nó thành tín hiệu xung điện như sau:
Hình 2. 16: Mô hình bộ phận tạo xung đo.
Tia quét laser sau khi qua vật đo sẽ được hội tụ nhờ một kính hội tụ TK2, tại tiêu điểm của kính hội tụ ta đặt một tế bào quang điện, như vậy với sự không liên tục của chùm quét laser đến kính hội tụ, do sự che khuất của vật thì sau khi khuyếch đại tín hiệu điện của tế bào quang điện kết hợp mạch chuyển đổi thích hợp ta sẽ được một tín hiệu dạng xung ở đầu ra (Hình 2.16).
Thông qua độ rộng t của đoạn xung mức "0" ứng với thời gian không có tín hiệu điện của tế bào quang điện ta hoàn toàn có thể xác định được kích thước của chi tiết.
- Bộ phận xử lý tín hiệu:
Để chuyển đổi thời gian t ở mức "0" của xung tế bào quang điện thành kết quả đo người ta thiết kế bộ xử lý tín hiệu gồm các bộ phận như sau:
+ Mạch tạo xung nhịp thời gian: Để tạo ra các xung nhịp có tần số cao và ổn định thường sử dụng mạch tạo dao động dùng tinh thể thạch anh.
+ Bộ so sánh tín hiệu xung: Tín hiệu xung từ đầu ra của tế bào quang điện và thiết bị tạo xung nhịp sẽ cùng đi vào bộ so sánh tín hiệu. Bộ so sánh sẽ làm công việc đếm số xung N phát ra từ thiết bị tạo xung nhịp thời gian trong khoảng thời gian bằng độ rộng t ở mức "0" của xung tế bào quang điện.
+ Bộ xử lý tín hiệu đo: Sau khi so sánh tín hiệu xung bộ xử lý tín hiệu có nhiệm vụ chuyển đổi số xung đếm N thành tín hiệu số cho bộ hiển thị kết quả đo.
36
Ngoài ra bộ xử lý tín hiệu còn có chức năng xử lý và hiệu chỉnh các yếu tố khác ảnh hưởng đến kết quả đo.
- Bộ phận hiển thị kết quả đo:
Từ số xung đếm N qua bộ xử lý ta có thể hiển thị số trực tiếp kết đo theo kiểu hệ LED 7 thanh. Tuy nhiên, hiện nay với phát triển của máy tính điện tử người ta có thể kết nối bộ xử lý xung đếm với CPU và thông qua một phần mềm tương thích để đưa kết quả đo cũng như các thông số kỹ thuật cần thiết có liên quan đến quá trình đo ra màn hình máy tính.
Hình 2. 17: Chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian.