Chương 2 CƠ SỞ Lí THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THễNG SỐ QUANG
3.3. Thiết kế quả cầu tớch phõn
Để thuận tiện cho việc thiết kế quả cầu tớch phõn phự hợp với phộp ủo, tỏc giả túm tắt những ủặc ủiểm chớnh của quả cầu tớch phõn như sau [52]:
1. Thành bờn trong của quả cầu tớch phõn ủược phủ một lớp phản xạ Lambertian, cú ủặc ủiểm phản xạ ủều theo mọi hướng;
2. Quả cầu tớch phõn cú ủộ bức xạ càng lớn nếu ủường kớnh quả cầu càng nhỏ và hệ số nhõn của quả cầu càng lớn ( M
A L
S i
S = πφ );
3. Quả cầu tớch phõn cú hệ số nhõn càng lớn nếu hệ số phản xạ mặt trong càng lớn và tỷ lệ diện tớch khe càng bộ ( ) 1 ( 1 f M − − = ρ ρ );
4. Thụng thường, quả cầu tớch phõn ủược sử dụng trong trạng thỏi ổn ủịnh. Cú nghĩa là quả cầu tớch phõn cú hằng số thời gian ủủ nhỏ ủể cú thể bỏ qua thời kỳ quỏ ủộ. Quả cầu tớch phõn cú hằng số thời gian τ càng bộ nếu ủường kớnh quả cầu càng nhỏ và hệ số phản xạ trung bỡnh càng lớn ( ρ τ ln 1 3 2 c DS − = ).
Trong cỏc phộp ủo, người ta luụn mong muốn quả cầu tớch phõn cú ủộ bức xạ cao. Hay núi cỏch khỏc, quả cầu tớch phõn cú hệ số nhõn cao và tỷ lệ diện tớch khe bộ (ủặc ủiểm 3). Để cú tỷ lệ diện tớch khe bộ, chỳng ta hoặc là tăng ủường kớnh quả cầu hoặc là giảm kớch thước cỏc khe. Trờn thực tế, quả cầu tớch phõn luụn gắn với
cỏc nguồn sỏng tại khe vào, cỏc ủầu thu tại khe ra. Do ủú, chỳng ta khụng thể giảm kớch thước của cỏc khe một cỏch tuỳ ý mà phải dựa trờn kớch thước của cỏc ủầu thu, của nguồn sỏng và của cỏc linh kiện cú liờn quan trực tiếp khỏc. Nếu chỳng ta tăng ủường kớnh quả cầu ủể thoả món ủiều kiện tỷ lệ diện tớch khe bộ thỡ lại mõu thuẫn với ủặc ủiểm 2 và ủặc ủiểm 4. Do vậy, trong quỏ trỡnh thiết kế và lựa chọn cỏc thụng số quả cầu tớch phõn, tỏc giả ủó tiến hành theo trỡnh tự sau:
1. Vẽ ủồ thị mụ tả sự phụ thuộc của hệ số nhõn vào hệ số phản xạ mặt trong và vào tỷ lệ diện tớch khe;
2. Lựa chọn cỏc thụng số về hệ số phản xạ mặt trong và tỷ lệ diện tớch khe phự hợp. Theo khuyến cỏo của cỏc nhà sản xuất, trong cỏc phộp ủo quang, quả cầu tớch phõn cú hệ số nhõn nằm trong khoảng 10<M <30 [53]. Trong luận ỏn này, tỏc giả ủó lựa chọn quả cầu tớch phõn cú hệ số nhõn là 30;
3. Tỡm ra chất liệu phủ mặt trong quả cầu tớch phõn dựa trờn thụng số về hệ số phản xạ mặt trong ủó lựa chọn trong bước 2;
4. Tỡm kớch thước của cỏc khe vào, khe ra dựa trờn kớch thước của cỏc linh kiện gắn liền với quả cầu. Kết hợp cỏc thụng số này với tỷ lệ diện tớch khe ủó tỡm ủược trong bước 2, xỏc ủịnh ủường kớnh của quả cầu.
Hỡnh 3.3 gồm cú hai ủồ thị: (i) ủồ thị mụ tả sự phụ thuộc của hệ số nhõn vào hệ số phản xạ mặt trong và tỷ lệ diện tớch khe; (ii) ủồ thị với hệ số nhõn bằng 30. Giao tuyến của hai ủồ thị sẽ cho biết cỏc thụng số cần xỏc ủịnh.
Từ hỡnh 3.3, ta thấy ủể cú quả cầu tớch phõn với hệ số nhõn bằng 30, hệ số phản xạ mặt trong và tỷ lệ diện tớch khe phải thoả món ủiều kiện sau:
(3.45)
Trong quỏ trỡnh chế tạo quả cầu tớch phõn, ủể phủ một lớp phản xạ Lambertian, người ta cú thể sử dụng nhiều chất liệu khỏc nhau. Hệ số phản xạ phụ thuộc vào chất liệu lớp phủ và vào bước súng làm việc [53] (hỡnh 3.4).
Hỡnh 3.4. Hệ số phản xạ phụ thuộc vào chất liệu lớp phủ và bước súng làm việc
Hỡnh 3.4 cho thấy, ủể thoả món ủiều kiện (3.45) về hệ số phản xạ tại bước súng 820 nm, chất liệu ủược chọn ủể phủ bờn trong quả cầu là Spectralon (ρ=0,98).
Tiếp ủến, chỳng ta xỏc ủịnh kớch thước của cỏc khe. Từ hỡnh 1.4, ta thấy:
• Quả cầu tớch phõn #1 cú 3 khe là: (i) khe vào, liờn quan ủến ủộ rộng của chựm sỏng ủưa vào trong quả cầu; (ii) khe ra #1 ủể ủún chựm sỏng chiếu vào mẫu liờn quan ủến kớch thước của cuvette; (iii) khe #2 ủể ủưa thành phần phản xạ khuếch tỏn Rd ủến ủầu thu PD1;
• Quả cầu tớch phõn #2: cú 3 khe là: (i) khe vào liờn quan ủến cuvette cú nhiệm vụ truyền chựm sỏng sau khi chiếu qua mẫu vào quả cầu tớch phõn #2; (ii) khe ra #1 ủể ủưa thành phần truyền qua khuếch tỏn Td ủến ủầu thu PD2; (iii) khe ra
#2 ủể ủưa thành phần ỏnh sỏng chuẩn trực Td ủến ủầu thu PD3.
Trong cỏc phộp ủo ủược thực hiện trong luận ỏn này, chựm sỏng chuẩn trực (phỏt ra từ laser diode sld102 của hóng Laser component và ủược hội tụ nhờ quang
1 977 , 0 <ρ ≤ 032 , 0 01 , 0 < f <
hệ) cú ủường kớnh vết là 1,5 mm. Khe vào của quả cầu tớch phõn #1 ủược chọn là 2 mm. Cỏc ủầu thu ủược sử dụng là OPT101 của hóng BURR-BROWN. với diện tớch cửa sổ làm việc là 5,07 mm2, ủường kớnh ủầu thu là 8,26 mm. Cỏc khe của quả cầu, liờn quan ủến cỏc ủầu thu ủược thiết kế với ủường kớnh 8,5 mm. Cuvette ủược sử dụng là Q46 của hóng Stanna cú kớch thước: dày 10 mm, rộng 10 mm, cao 125 mm. Cỏc khe liờn quan ủến cuvette ủược thiết kế với kớch thước 10 mm.
Tổng diện tớch cỏc khe vào, khe ra của từng quả cầu ủược tớnh theo cụng thức:
( 2) 3 2 2 2 1 1 r r r S =π + + (3.46)
trong ủú r1,r2,r3 lần lượt là bỏn kớnh của khe vào và cỏc khe ra. Tổng diện tớch cỏc khe của hai quả cầu sẽ là:
2 2
2
1 138mm ; S 192 mm
S = = (3.47)
Đường kớnh tương ứng nằm trong khoảng:
mm D mm mm D mm s 66 ; 44 s 78 37 < 1< < 2 < (3.48)
Theo hỡnh 1.4, cỏc thành phần Rd và Td ủược thu gom bởi hai quả cầu khỏc nhau. Để khả năng tớch hợp khụng gian và ủỏp ứng xung của chỳng ủược ủồng nhất, hai quả cầu ủược thiết kế cú ủường kớnh như nhau.
Vỡ giỏ thành của hai quả cầu tớch phõn chiếm một tỷ trọng lớn trong hệ ủo và tăng theo kớch thước, tỏc giả ủó lựa chọn quả cầu tớch phõn cú ủường kớnh nhỏ nhất sao cho vẫn thỏa món ủiều kiện (3.45). Với dung sai khoảng 5%, hai quả cầu tớch phõn cú ủường kớnh là Ds =50mm.
Với cỏc thụng số về ủường kớnh và hệ số phản xạ như trờn, hằng số thời gian
của quả cầu sẽ là: ns
c DS 35 , 7 ln 1 3 2 ≈ − = ρ τ (3.49)
Với hằng số thời gian này, quả cầu tớch phõn cú thể làm việc với tần số ủiều chế lờn tới 136 Mhz. Trong khi ủú, trong cỏc phộp ủo ủược thực hiện trong luận ỏn, tần số lấy mẫu tối ủa là 100 kHz. Như vậy, cỏc thụng số về ủường kớnh quả cầu cũng như về hệ số phản xạ ủó lựa chọn hồn tồn phự hợp với hệ ủo của ta. Cỏc thụng số thiết kế quả cầu tớch phõn ủược túm tắt lại trong bảng 3.1 dưới ủõy:
Bảng 3.1: Thụng số của quả cầu tớch phõn
STT Đề mục Thụng số kỹ thuật
1 Chất liệu phủ mặt trong quả cầu Spectralon 2 Hệ số phản xạ mặt trong, ρ 98,5%
3 Đường kớnh quả cầu, DS 50 mm
4 Khe vào quả cầu 1, Di1 2 mm 5 Khe ra thứ nhất quả cầu 1, De11 10 mm 6 Khe ra thứ hai quả cầu 1, De12 8,5 mm 7 Khe vào quả cầu 2, Di2 10 mm 8 Khe ra thứ nhất quả cầu 2, De21 8,5 mm 9 Khe ra thứ hai quả cầu 2, De22 8,5 mm
Sau khi ủó lựa chọn ủược cỏc thụng số kỹ thuật của hai quả cầu tớch phõn, tỏc giả ủó gửi yờu cầu sang hóng Labsphere, CHLB Đức ủể chế tạo. Hỡnh 3.5 mụ tả mặt cắt và hỡnh dỏng bờn ngoài của hai quả cầu tớch phõn sau khi chế tạo xong.
Hỡnh 3.5. Mặt cắt và hỡnh ảnh bờn ngoài của quả cầu tớch phõn kộp