CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO THOA KẾ
3.2.5. Tấm lọc cường độ tia ND filter ND09A
- thông số kỹ thuật
3.2.6. Cảm biến quang học
Với nguồn laser lựa chọn, theo thiết kế đặt ra, hệ quang học cần có cảm biến thu với bước sóng ≈ 633nm. Hệ giao thoa kế heterodyne được thiết kế đo tín hiệu quang học theo phương pháp đo pha và đo theo sự chênh lệch tần số (beat-frequency) của tín hiệu giao thoa. Do đó, chúng ta cần chọn cảm biến có dải băng thơng thu ít nhất ≥ 1,5 lần beat- frequency. Theo nguồn lựa chọn ở mục 3.2.1, beat-frequency của nguồn là 3,6 0,3 MHz, dải băng thông (bandwidth) tối thiểu cần lựa chọn là:
B ≥ 1,5 x 3.6 = 5.4 (MHz)
Dựa theo tính tốn trên, để đảm bảo tín hiệu thu bởi cảm biến là tốt nhất thì bandwidth cảm biến quang nên bằng từ 2-4 lần tần số của tín hiệu thu. Vậy nên, theo thiết kế này, cảm biến PDA36A2 của Thorlabs được lựa chọn làm cảm biến thu tín hiệu quang. Cảm biến này có bandwidth DC là 12 MHz ( ≈ 3,3 lần beat-frequency) và bước sóng 633 nm nằm trong dải đo của cảm biến. Hình 3.4, 3.5, 3.6 và bảng 3.1 mơ tả hình ảnh, kích thước, thơng số kỹ thuật và đường cong phản hồi của cảm biến.
Hình 0.2 Cảm biến quang Thorlabs PDA36A2
Bảng 0.2 Thơng số kỹ thuật cảm biến quang Thorlabs PDA36A2 Thông số Loại cảm biến Vùng làm việc Dải bước sóng Bước sóng đỉnh Trở kháng đầu ra Dịng điện ra tối đa Điện áp ra
Độ khuếch đại
3.2.7. bàn dịch chuyển PZT
Bộ điều khiển PZT controller KPZ101 Thông số kỹ thuật :
Để cấp tín hiệu điện hình sin, thiết kế đề xuất sử dụng bộ tạo sóng (function generator) HM8030-5.
Bộ tạo sóng Function generator HM8030-5 Bảng 0.3 Thơng số bộ tạo sóng HM8030-5 Thơng số Khoảng tần số Điện áp ra Offset Loại tín hiệu
3.2.9. Thiết bị xử lý
Một ứng dụng chính của máy đo pha là trong giao thoa kế heterodyne, trong đó thơng tin dịch chuyển được lưu trữ trong pha của tín hiệu beat-frequency được tạo ra bằng cách giao thoa hai điện trường có tần số hơi khác nhau tại một cảm biến quang học. Giao thoa kế heterodyne bằng laser thường được sử dụng để đo các dịch chuyển cực nhỏ theo bậc của một phần nhỏ bước sóng laser. Moku: Lab là một nền tảng phần cứng có cấu hình kết hợp sức mạnh xử lý tín hiệu kỹ thuật số của FPGA với các đầu vào và đầu ra tương tự linh hoạt. Điều này giúp đơn giản hóa quy trình làm việc của bạn bằng cách cấp cho bạn quyền truy cập vào 12 chức năng hiệu suất cao cho phép đo lường đa dạng. Moku: Lab’s Phasemeter đo pha bằng cách sử dụng vịng lặp khóa pha được triển khai kỹ thuật số, sử dụng điều khiển phản hồi để liên tục cập nhật pha của bộ dao động cục bộ cho bằng với pha của tín hiệu đầu vào. Lỗi pha tức thời giữa tín hiệu đầu vào và bộ dao động cục bộ được phát hiện thông qua giải điều chế sử dụng bộ nhân kỹ thuật số và low-pass filter, về nguyên tắc gần như giống hệt với lock-in amplifier. Lỗi pha được phát hiện sau đó được chuyển qua bộ điều khiển PID để tạo ra tín hiệu điều khiển phản hồi nhằm cập nhật liên tục pha của bộ dao động cục bộ. Pha của tín hiệu đầu vào so với bộ dao động cục bộ được đo bằng cách ghi lại mọi thay đổi được thực hiện đối với pha của bộ dao động cục bộ. Nguyên lý, thông số kỹ thuật và giao diện của chức năng phasemeter được thể hiện như hình 3.10a 3.10b và bảng 3.10.
Bảng 0.10 Một số thông số của Moku: Lab’s Phasemeter
Bản vẽ 3D 3.3. Quy trình đo
Quy trình thực hiện đo dịch chuyển của bàn PZT được thực hiện theo quy trình sau:
Bước 1: Gá đặt các chi tiết lên đồ gá phù hợp
Vệ sinh các chi tiết và đặt các chi tiết lên đồ gá phù hợp sao cho không làm hư hại, ảnh hưởng các chi tiết đặc biệt là các bề mặt quang học. Kiểm tra lại các thiết bị trước khi vào bước tiếp theo.
Bước 2: Lắp đặt hệ quang học
Lắp đặt hệ quang học lên bàn chuẩn theo như sơ đồ hình 3.1
Bước 3: Ghép nối với hệ đo và thiết bị cấp điện áp dịch chuyển
Sau khi xây dựng hệ quang theo sơ đồ hình 3.1, ta nối dây dẫn tín hiệu như sau
+ Cảm biến PD1 nối với cổng IN1 Moku:lab.
+ Cảm biến PD2 nối với cổng IN2 Moku:lab.
+ Nối HV Out của KPZ101 với PZT stage NFL5DP20/M.
Bước 4: Cấp điện cho PZT, tạo dịch chuyển
Khởi động được bộ dịch chuyển với DC Servo Driver Driver KPZ101 là trung gian kết nối. Sau khi kết nối, sống trượt được điều khiển tự động trên máy tính bằng phần mềm Kinesis Software
Các chức năng và kết nối trên Drive
Phần mềm Kinesis được khởi động lên có giao diện như Hình 3.3a. Chọn mục “Load”, tích vào ơ trống để chọn thiết bị kết nối rồi click vào ơ “Load” để xác nhận.
Hình 0.3a Giao diện phần mềm Kinesis Vào mục Setting để cài đặt các thông số cho bộ Drive
Bước 5: Khởi động cảm biến và thiết bị xử lý
Sau khi lắp đặt sơ đồ hệ đo theo nguyên lý đã nêu trên, kết nối dây nối để nhận tín hiệu từ cảm biến vào chức năng phasemeter của Moku:Lab. Ipad được kết nối với MokuLab qua wifi được phát từ MokuLab và giao diện được hiển thị qua app Moku:Lab, có trên app store apple. Sau khi được kết nối, đề tài sử dụng chức năng trong MokuLab là Phasemeter ngồi ra có thể sử dụng thêm chức năng khác để quan sát và đánh giá tín hiệu thu và hiệu chỉnh lại hệ quang hơn.
Hình 0.3c. Moku:Lab trên App Store
Bước 6: Bật nguồn, cấp điện và quan sát kết quả đo.
Sau khi thiết lập hệ đầy đủ, bật nguồn laser He-Ne, cảm biến PDA36A2, Moku:lab, drive KPZ101, function generator theo thứ tự và chuẩn bị đo. Tuy nhiên, để đảm bảo kết quả đo tốt nhất, nên bật nguồn trước khi đo khoảng 30 phút đến 1 giờ để nguồn ổn định tần số và bước sóng.
Ngồi ra, do PZT được cấp điện áp hình sin tạo từ funtion generator nên có thể PZT sẽ co dãn quanh một giá trí điện áp hiện tại. PZT co với điện áp âm có thể làm hỏng PZT nên không nên để PZT bắt đầu co dãn từ vị trí điện áp bằng 0. Do đó nên đặt trước cho PZT stage một điện áp offset trước khi cấp điện.
Khi nguồn đã ổn định, ta sử dụng các chức năng khác của Moku:lab như Spectrum Analyzer, … để đánh giá tín hiệu thu từ cảm biến quang học, nếu chưa tốt thì nên hiệu chuẩn lại giao thoa và thu tín hiệu ở hệ quang.
Nếu tín hiệu thu có cường độ và ổn định tốt, ta set up thông số ở funtion (2V- 5Hz) và kết nối đến PZT. Quan sát kết quả đo trên giao diện của Moku:lab và xuất kết quả đo qua chức năng Live Data với file .csv và xử lý qua các phần mềm xử lý như Excel, Origin, …
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
4.1. Đánh giá sai số 4.4.1. Sai số Abbe
Nguyên tắc Abbe nêu rõ khái niệm phương đo phải trùng với phương dịch chuyển. Sai số Abbe xảy ra khi mà phương đo không trùng với phương dịch chuyển. Trong hệ thống này, sai số Abbe xuất hiện khi trong quá trình đo phần chi tiết được đo không di chuyển hồn tồn được thẳng có xuất hiện chuyển động góc hay phương đo khơng trùng với phương dịch chuyển. Khi góc càng lớn thì khoảng cách giữa trục đo và trục dịch chuyển càng lớn, khoảng cách này gọi là khoảng lệch Abbe (Abbe offset)
Hình 0.1 Sai số Abbe
Sai số tỷ lệ tuyến tính với sự bù đắp mỗi lỗi góc nhất định trong phép đo.Từ đó cơng thức tính sai số Abbe:
EAbbe = Dm − D = h tan(θ)
trong đó: θ là góc lệch của bề mặt đo so với phương dịch chuyển.
h là khoảng lệch Abbe. * Khắc phục: Giảm về trùng với phương đặt để giảm góc lệch 4.1.2. Sai số Cosine
sai số Abbe cần giảm khoảng lệch bằng cách đưa phương đo dịch chuyển và giảm khe hở khớp động hoặc giảm sai số gá θ.
Sai số Cosine có thể được gây ra từ sự sai lệch góc giữa hướng đo và đường chuyển động trung bình, hay nói cách khác khi phương đo khơng song song với
phương dịch chuyển. Ví dụ như trong hình, chùm tia laser khơng song song với trục dịch chuyển của máy, sẽ có sai số giữa khoảng cách thực và khoảng cách đo được. Vector ⃑⃑D xác định hướng chuyển động và vector đơn vị i xác
định hướng của ánh sáng tới, độ dịch chuyển:
⃑⃑
Dm = D. i = D cos(β)
Hình 0.2 Sai lệch góc giữa hướng đo và đường chuyển động với: Reflectors Dm: Khoảng đo thực
direction i : Hướng chùm tia
Machine’s movement axis ⃑⃑D : Phương dịch chuyển của máy
Actual displacement D: Độ dịch chuyển đo
Từ công thức (0.2), rõ ràng D ≥ Dm (do 1≥ cosβ ≥ -1), bỏ qua sự dịch chỉnh
Dm thì độ lệch trục:
uβ(D) = D. u
* Khắc Phục: Để giảm sai số cosin trong quá trình lắp đặt hệ quang cần kiểm tra,
căn chỉnh phương của chùm tia đo song song với phương của dịch chuyển.
4.1.3. Sai số biên dạng bề mặt
Trong q trình gia cơng khơng chỉ có kích thước mà hình dạng và vị trí các bề mặt của chi tiết cũng bị sai lệch. Sai lệch hình dạng và vị trí các bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến chức năng sử dụng của chi tiết máy và bộ phận máy. Vì vậy yêu cầu đặt
ra cần phải khảo sát và xác định một cách định tính, cũng như định lượng các thông số đo để chi tiết gia công đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Sai lệch độ phẳng - độ không phẳng. Sai lệch độ thẳng - độ không thẳng. Sai lệch độ trụ - độ không trụ. Sai lệch độ trịn- độ khơng trịn. Sai lệch profile trên tiết diện dọc
4.1.4. Sai số do môi trường4.1.4.1. Sai số do rung động 4.1.4.1. Sai số do rung động
Trong môi trường xung quang của chúng ta, các yếu tố môi trường như nhiệt độ, bụi bẩn,… là một phần ảnh hưởng trực tiếp tới các thiết bị đo tại xưởng hoặc trong phịng thí nghiệm gây ra các sai số đáng kể về đo đạc đặc biệt trong giao thoa kế cần độ chính xác rất cao. Do đó viêc khắc phục hoặc hạn chế bớt những ảnh hưởng của môi trường là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác tới kích thước cần đo.
Các rung động do mọi vật luôn chuyển động và tác động tương hỗ lẫn nhau. Các rung động này lan truyền trên mặt đất, trên nền nhà của các xưởng sản xuất và các phịng thí nghiệm. Các thiết bị đo trong xưởng hoặc phịng thí nghiệm sẽ bị ảnh hưởng rung động này. Các rung động này gây ra sai số về độ chính xác của phép đo và các ngun cơng cơng nghệ chính xác. Khi xảy ra các cộng hưởng cục bộ tại các bộ phận của dụng cụ đo gây nên các biến dạng và dịch chuyển vị trí lớn của các bộ phận, chi tiết thiết bị. Đặc biệt là khi đo các kích thước độ dài cần đạt độ chính xác cao đến cỡ micromet và nhỏ hơn thì rung động của mơi trường gây ra những sai số rất lớn.
* Khắc Phục:
Để giảm ảnh hưởng của rung động tới môi trường đến các thiết bị, thường sử dụng các biện pháp sau:
- Sử dụng các thiết bị giảm chấn trong mối liên kết giữa nền nhà và thân máy như sử dụng đêm cao su, đệm khí,… Thiết bị này sẽ triệt giảm năng lượng của rung động truyền đến máy.
- Thiết kế máy và bệ máy có khả năng chịu ảnh hưởng ít nhất của rung động như tăng khối lượng bệ máy hoặc thân máy để tăng lưc quán tính chống lại được rung động ở tần số cao và tăng độ cứng của thân máy để giảm biến dạng và ảnh hưởng của rung động ở tần số thấp.
- Sử dụng các chất hấp thụ năng lượng rung động bằng ma sát nội như chất dẻo
lịng nhớt hoặc dầu có độ nhớt cao, các vật liệu hạt rời như cát.
4.1.4.2. Sai số do nhiệt độ, độ ẩm, áp suất
Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất là các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới kết quả đo. Trong các phịng thí nghiệm hoặc các xưởng thì nhiệt độ tăng từ dưới lên trên và nó đang thay đổi mọi lúc. Vì vậy mỗi thay đổi nhỏ khác nhau đều sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo. Kiểm sốt các yếu tố này khơng hợp lí có thể dẫn đến nhiệt độ trong nhà khơng ổn định dẫn tới máy ở trạng thái không ổn định, độ chính xác đo sẽ rất thấp.
* Khắc Phục:
- Trong phần mềm đo chúng ta điều chỉnh ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, áp
suất bằng cách hiệu chỉnh tuyến tính và hiệu chỉnh nhiệt độ, độ ẩm.
- Thiết bị điện, máy tính và các nguồn nhiệt khác nên giữ một khoảng cách với
máy đo.
- Thiết bị hoạt động tốt hơn nếu phịng được bố trí lắp đặt điều hịa có vị trí hợp
lý. Gió từ điều kiện khơng khí thổi trực tiếp vào máy đo, vì có sự khác biệt nhiệt độ trên và dưới chúng ta nên làm hướng khơng khí lên cao tạo thành chu trình lớn, duy trì sự cân bằng ổn định nhiệt độ, độ ẩm trong phịng.
- Phải kiểm sốt nhiệt trong phịng đo. Cửa phịng và của sổ phải đóng lại, tránh
- Cần có hộp, vỏ bảo quản. Chỉ bật máy khi sử dụng và tắt đi khi không cần thiết.
4.1.4.3. Sai số do bụi bẩn
Các thiết bị sau khi để một thời gian dài khơng bảo dưỡng, lau chùi thì bám dính lên bên ngồi các thiết bị đo hay may móc. Bụi bẩn là nguyên nhân gây ra cho việc siết chặt các thiết bị không được chặt. Các thiết bị đồ gá khi không được siết chặt sẽ gây ra rung lắc gây ra những sai số lớn đặc biệt trong quá trình đo bằng giao thoa kế cần chính xác cao thì việc sai số lớn do việc siết chặt ảnh hưởng tới kết quả đo đáng kể. Do đó việc kiểm tra thiết bị lau chùi sửa chửa để đảm bảo sự an tồn, ổn định cho máy là vơ cùng cần thiết, tránh gây ra những sai số quá lớn trong quá trình đo đạc.
* Khắc Phục:
- Lau chùi sạch sẽ các thiết bị đo và đồ gá một cách thường xuyên.
- Kiểm tra định kỳ siết chặt các khớp nối, vít, đai ốc,… để các thiết bị đo tránh
gây rung lắc và bị lỏng khi trong quá trình đo đạc.
- Kiểm tra, bảo dưỡng và vệ sinh thường xuyên như bôi trơn bằng dầu nhớt cho
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. EDU-MINT1 EDU-MINT1/M Michelson Interferometer Kit User Guide Nguồn : Thor lab.
[2].. LIGO: The Laser lnterferometer Gravi tational-Wave Observatory.
Tác giả : Alex Abramovici, William E. Althouse, Ronald W. P. Drever, Yekta Gursel, Seiji Kawamura, Frederick J. Raab, David Shoemaker, Lisa Sievers, Robert E. Spero, Kip S. Thorne, Rochus E. Vogt, Rainer Weiss, Stanley E. Whitcomb, Michael E. Zucker.
[3].A Scanning Michelson Interferometer for the Measurement of the Concentration and Temperature Derivative of the Refractive Index of Liquids.
Tác giả : A. Becker, W. Kohler, and B. Miiller Max.
[4]. Scanning Michelson interferometer for imaging surface acoustic wave fields. Tác giả : J. V. Knuuttila, P. T. Tikka and M. M. Salomaa.
[5]. Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface. Tác giả : L. M. Barker and R. E. Hollenbach.
[6]. A homodyne Michelson interferometer with sub-picometer resolution. Tác giả : Marco Pisani.
[7]. Optical methods for distance and displacement measurements. Tác giả : Garry Berkovic and Ehud Shafir.
[8].Absolute displacement measurements using modulation of the spectrum of white