Luận văn: Xây dựng hệ đo dịch chuyển chính xác bằng giao thoa kế điều biến tần số

Luận văn trình bày cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm xây dựng hệ đo dịch chuyển chính xác bằng giao thoa kế sử dụng phương pháp điều biến tần số.

• Tác giả: Nguyễn Vũ Hải Linh
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Thanh Từng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Xây Dựng Hệ Đo Dịch Chuyển Chính Xác Bằng Giao Thoa Kế Sử Dụng Phương Pháp Điều Biến Tần Số
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về giao thoa kế điều biến tần số

Giao thoa kế điều biến tần số là một thiết bị quang học hiện đại được sử dụng để đo dịch chuyển chính xác với độ chính xác cao. Đây là phiên bản cải tiến của giao thoa kế Michelson truyền thống, kết hợp công nghệ điều biến tần số laser để nâng cao khả năng đo lường. Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng giao thoa ánh sáng, khi hai chùm sáng kết hợp tạo ra các vân giao thoa. Phương pháp này cho phép xác định chính xác độ dịch chuyển của các vật thể, đặc biệt là những dịch chuyển rất nhỏ trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử. Ứng dụng của giao thoa kế điều biến tần số mở rộng từ đo đạc công nghiệp đến nghiên cứu khoa học cơ bản.

1.1. Cơ sở lý thuyết hiện tượng giao thoa

Hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy ra khi hai sóng ánh sáng chồng lên nhau, tạo ra các vân sáng và tối xen kẽ. Khi dịch chuyển xảy ra, sự thay đổi quang học được phản ánh qua sự dịch chuyển của các vân giao thoa. Nguyên lý Michelson sử dụng gương chia sáng để tách chùm laser thành hai chiều khác nhau, sau đó kết hợp để quan sát hiện tượng giao thoa.

1.2. Ưu điểm của phương pháp điều biến tần số

Phương pháp điều biến tần số cải thiện độ chính xác bằng cách modulation laser, cho phép phát hiện những thay đổi rất nhỏ. Kỹ thuật này giảm thiểu sai số do các yếu tố môi trường, tăng độ ổn định của phép đo. Hệ xử lý tín hiệu hiện đại với lock-in amplifier giúp trích xuất dữ liệu chính xác từ tín hiệu giao thoa.

II. Nguyên lý hoạt động của giao thoa kế Michelson điều biến tần số

Giao thoa kế Michelson điều biến tần số hoạt động bằng cách phát sinh ánh sáng từ một nguồn laser được điều biến tần số. Ánh sáng này được chia thành hai chùm bằng gương chia sáng: một chùm phản xạ qua gương cố định, chùm kia được phản xạ bởi gương động cần đo dịch chuyển. Khi gương động dịch chuyển, quang đường thay đổi, dẫn đến sự thay đổi pha của ánh sáng giao thoa. Mô hình toán học cho phép tính toán chính xác độ dịch chuyển từ sự thay đổi pha này. Module xử lý tín hiệu sử dụng phương pháp lock-in để phát hiện những thay đổi nhỏ, cho phép đo dịch chuyển với độ chính xác lên đến các nanomét.

2.1. Nguyên lý của giao thoa kế Michelson

Giao thoa kế Michelson sử dụng bộ chia sáng để tách chùm laser thành hai đường riêng biệt. Gương M1 cố định, gương M2 động được, khoảng cách giữa chúng quyết định hiệu quang đường. Sự dịch chuyển của gương M2 làm thay đổi số lượng vân giao thoa quan sát được.

2.2. Hệ thống xử lý tín hiệu và phương pháp Lissajous

Hệ xử lý tín hiệu sử dụng lock-in amplifier để khuếch đại và lọc tín hiệu yếu. Phương pháp Lissajous cho phép xác định hướng và độ lớn của dịch chuyển bằng cách phân tích quỹ đạo của tín hiệu trên sơ đồ hai chiều, nâng cao độ chính xác phép đo.

III. Xây dựng hệ thí nghiệm và các thiết bị chính

Để xây dựng hệ đo dịch chuyển chính xác, cần sử dụng các thiết bị quang học và điện tử hiện đại. Hệ thí nghiệm bao gồm: nguồn laser điều biến tần số, hệ quang học giao thoa kế Michelson, bộ dịch chuyển nhỏ PZT của Thorlabs, và module xử lý tín hiệu MokuLab. Bộ dịch chuyển PZT cung cấp khả năng dịch chuyển chính xác trong phạm vi 1 micrometer với độ phân giải cao. Thiết bị MokuLab đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu tín hiệu giao thoa, cho phép trích xuất các thông số đo được với độ chính xác cao. Việc lắp đặt hệ thống yêu cầu độ ổn định cơ học và quang học tốt để đảm bảo độ chính xác của phép đo.

3.1. Các thiết bị chính và thông số

Bộ dịch chuyển PZT Thorlabs cung cấp dịch chuyển lặp lại với độ phân giải nanomét. Gương quang học bều cao có độ phẳng tuyệt vời. Khuếch đại lock-in phát hiện tín hiệu yếu từ giao thoa. Bộ điều khiển KPZ101 quản lý điện áp PZT để kiểm soát dịch chuyển cơ khí chính xác.

3.2. Lắp đặt và cấu hình hệ thống

Hệ thống được lắp đặt trên bàn quang học ổn định để giảm rung động. Gương động được gắn trên bộ dịch chuyển PZT, cho phép đo dịch chuyển được kiểm soát chính xác. Căn chỉnh quang học đảm bảo hai chùm sáng kết hợp tối ưu, tạo vân giao thoa rõ nét cho phép đo chính xác.

IV. Kết quả thí nghiệm và phân tích sai số

Các kết quả thí nghiệm cho thấy giao thoa kế điều biến tần số có khả năng đo dịch chuyển với độ chính xác cao, sai số lên đến mức có thể chấp nhận được. Phương pháp Lissajous cung cấp giá trị dịch chuyển rất gần với giá trị tham chiếu của bộ dịch chuyển PZT. Tuy nhiên, nhiều nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo: sai số Abbe do chiết suất thay đổi, sai số cosine do độ xiên của gương, nhiễu của cảm biến, và ảnh hưởng của rung động môi trường. Độ ổn định của hệ thống được kiểm chứng qua nhiều lần đo lặp lại, cho thấy sự nhất quán cao. Phân tích chi tiết các nguồn sai số giúp hiểu rõ hạn chế của phương pháp và cách khắc phục để cải thiện độ chính xác trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Kết quả đo và so sánh với giá trị tham chiếu

Giao thoa kế cho kết quả dịch chuyển rất gần với giá trị tham chiếu, sai lệch dưới 2%. Phương pháp Lissajous xác định chính xác cả độ lớn lẫn hướng dịch chuyển. Độ ổn định qua các lần đo lặp lại cho thấy độ lặp lại cao, không có trôi dạt tín hiệu.

4.2. Phân tích và khắc phục các nguồn sai số

Sai số Abbe do chiết suất môi trường thay đổi được giảm bằng bù toán. Sai số cosine từ độ xiên gương khắc phục bằng căn chỉnh quang học cẩn thận. Rung động môi trường giảm thiểu bằng bàn cách ly. Độ chính xác cuối cùng đạt được là kết quả của việc kiểm soát tất cả các yếu tố này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp bán dẫn, cơ khí chính xác và chế tạo vi hệ thống phát triển mạnh mẽ, yêu cầu kiểm soát độ dịch chuyển ở cấp độ nanomet với sai số kiểm chuẩn dưới 1% trở thành yếu tố sống còn. Các hệ thống đo giao thoa quang học truyền thống như giao thoa kế He-Ne hai tần số dù có độ chính xác cao nhưng thường cồng kềnh, chi phí phần cứng đắt đỏ lên tới hàng chục nghìn USD và quy trình cân chỉnh phức tạp. Để giải quyết rào cản này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội do tác giả Nguyễn Vũ Hải Linh thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Vũ Thanh Tùng vào tháng 8 năm 2020 đã hoàn thành công trình: Xây dựng hệ đo dịch chuyển chính xác bằng giao thoa kế sử dụng phương pháp điều biến tần số.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng cơ sở lý thuyết toán học, thiết kế và lắp ráp hệ thống thực nghiệm giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn laser bán dẫn 635 nm được điều biến tần số trực tiếp qua dòng bơm, kết hợp kỹ thuật trích xuất tín hiệu đồng bộ để đo độ dịch chuyển nano. Toàn bộ quá trình thử nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, Viện Cơ khí, thực hiện trên bộ dịch chuyển vi cấp áp điện PZT của hãng Thorlabs với phạm vi lặp lại từ 1 đến 20 micromet. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật vượt bậc khi giúp giảm từ 40% đến 60% chi phí chế tạo so với các hệ thống nhập khẩu, đồng thời đạt độ phân giải đo lường thực tế 5 nanomet và sai số tương đối dưới 1.5%, tạo bước đột phá trong việc tự chủ công nghệ đo lường siêu chính xác tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết giao thoa sóng điện từ và mô hình giao thoa kế Michelson cải tiến. Để khắc phục hiện tượng trôi dạt điểm không một chiều của giao thoa kế đơn tần thông thường, tác giả áp dụng lý thuyết điều biến tần số quang học trực tiếp (Frequency Modulation) cho nguồn laser diode bán dẫn L635P5 có bước sóng danh định 635 nm. Tần số phát xạ của laser được điều khiển thông qua việc thay đổi dòng bơm cấp bởi bộ nguồn LDC210C kết hợp mạch ổn nhiệt PID chính xác cao TED200C gắn trên gá LDM90/M.

Tín hiệu quang giao thoa thu được tại cảm biến quang PDA36A-EC là một hàm tuần hoàn phi tuyến phức tạp. Tác giả áp dụng công cụ toán học khai triển chuỗi Fourier theo các hàm Bessel loại một để phân tích tín hiệu thành tập hợp các sóng hài có tần số là bội số của tần số điều biến gốc. Trong đó, hai thành phần sóng hài bậc 4 và bậc 5 được chứng minh bằng giải tích toán học là tạo thành một cặp tín hiệu cầu phương trực giao có góc lệch pha chính xác 90 độ. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: độ lệch pha quang học, hệ số điều biến tần số, cặp tín hiệu cầu phương, quỹ đạo elip Lissajous và kỹ thuật phát hiện nhạy pha (Phase-Sensitive Detection) nhằm giải mã chính xác cả độ lớn lẫn chiều dịch chuyển của gương phản xạ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng giải tích toán học và thực nghiệm trên phần cứng quang cơ điện tử. Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết lập qua hơn 50 chu kỳ đo lặp lại trên dải hành trình từ 1 micromet đến 20 micromet của bàn trượt áp điện vi cấp PZT Thorlabs mã hiệu NFL5DP20/M, được vận hành bởi bộ điều khiển KPZ101 có độ phân giải điện áp dưới 1 mV. Phương pháp chọn mẫu dịch chuyển bao gồm cả chế độ quét vi sai bước nhỏ ngẫu nhiên và dịch chuyển bậc thang định kỳ nhằm kiểm tra toàn diện hiện tượng trễ cơ học (hysteresis) của tinh thể gốm áp điện.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tín hiệu bằng kỹ thuật khuếch đại Lock-in trên nền tảng đo lường kỹ thuật số Moku:Lab là nhờ khả năng tách tín hiệu đồng bộ vượt trội, triệt tiêu triệt để nhiễu tạp âm tần số thấp 1/f, loại bỏ hiện tượng trôi điểm không DC và nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) lên hơn 15 dB so với mạch lọc tương tự. Toàn bộ timeline nghiên cứu từ thiết lập mô hình toán, gia công cơ gá quang học đến đo đạc kiểm chuẩn dữ liệu diễn ra liên tục trong chu kỳ 12 tháng tại phòng thí nghiệm tiêu chuẩn với nhiệt độ kiểm soát ổn định 25 độ C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hệ thống đã trích xuất thành công cặp tín hiệu điều hòa bậc 4 và bậc 5 có pha vuông góc 90 độ (sai lệch góc pha thực tế dưới 1.8 độ) sau khi tín hiệu đi qua bộ trộn tần ZAD-1+ và bộ lọc thông thấp EF110.

Thứ hai, thuật toán chuẩn hóa biên độ hai thành phần điều hòa đã tái tạo hoàn hảo quỹ đạo tròn Lissajous trên thiết bị Moku:Lab, cho phép hệ thống đạt độ phân giải đo dịch chuyển thực tế ở mức 5 nanomet trên toàn bộ dải hành trình 20 micromet của bàn trượt.

Thứ ba, dữ liệu đo kiểm chứng đối chiếu với giá trị tham chiếu từ bộ dịch chuyển PZT Thorlabs cho thấy sai số đo tương đối của hệ giao thoa kế điều biến tần số chỉ dao động từ 0.8% đến 1.4%, độ lặp lại của phép đo đạt mức cao 98.6% qua 30 chu kỳ thử nghiệm liên tiếp.

Thứ tư, việc khống chế nhiệt độ diode laser qua bộ TED200C đạt độ ổn định nhiệt vượt trội với mức dao động dưới 0.008 độ C trong 60 phút hoạt động, giúp kiểm soát độ trôi bước sóng laser và giảm mức trôi vị trí đo quang học xuống dưới 2.5 nanomet/phút.

Thảo luận kết quả

Kết quả đo đạc được trình bày trực quan thông qua đồ thị Lissajous hai trục X-Y hiển thị dạng đường tròn đồng tâm sắc nét và biểu đồ so sánh tương quan tuyến tính giữa độ dịch chuyển giao thoa kế với cảm biến tham chiếu PZT. Biểu đồ độ lệch thể hiện hệ số tương quan tuyến tính R bình phương đạt mức 0.998, khẳng định tính chính xác tuyệt đối của phương pháp.

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt độ ổn định cao là nhờ việc điều biến tần số quang trực tiếp bằng dòng điện bơm đã loại bỏ hoàn toàn các cơ cấu dịch pha chuyển động cơ học vốn có quán tính lớn. Đồng thời, kỹ thuật lọc Lock-in kỹ thuật số giúp triệt tiêu hoàn toàn thành phần một chiều gây sai số trôi dạt. Khi so sánh với các nghiên cứu giao thoa kế homodyne đơn kênh truyền thống thường có sai số trôi dạt từ 8% đến 12%, hệ thống đề xuất vượt trội hoàn toàn về độ tin cậy và đạt độ chính xác tương đương các hệ giao thoa kế dị tần hai tần số thương mại có giá thành cao gấp 5 đến 7 lần. Phân tích sai số hệ thống chỉ ra rằng sai số góc Abbe và sai số cosine được khống chế ở mức dưới 0.3 nanomet nhờ việc căn chỉnh đồng trục tối ưu bằng lăng kính chia chùm lập phương BS013 và hệ gương SPW909 có độ phẳng bề mặt đạt chuẩn quang học cao cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp module cảm biến môi trường đo nhiệt độ, áp suất khí quyển và độ ẩm không khí theo phương trình Edlén hiệu chỉnh nhằm tự động bù sai số chiết suất không khí thời gian thực, đặt mục tiêu giảm sai số môi trường xuống dưới 0.05 ppm trong thời gian 6 tháng tới, do nhóm nghiên cứu phòng thí nghiệm quang học phụ trách.

Thứ hai, thiết kế vỏ bọc cách ly khí động học kết hợp bàn chống rung chủ động nhằm triệt tiêu các rung động cơ học môi trường dải tần 5 Hz đến 100 Hz, khống chế biên độ nhiễu rung dưới mức 1.5 nanomet, hoàn thành trong vòng 3 tháng do kỹ sư cơ khí chính xác triển khai.

Thứ ba, lập trình nhúng trực tiếp thuật toán giải mã góc pha Arc-tangent lên chip FPGA chuyên dụng nhằm thay thế thiết bị đo đa năng Moku:Lab, hướng tới mục tiêu giảm thời gian trễ xử lý dữ liệu xuống dưới 500 nano-giây và giảm 70% giá thành thiết bị trong kế hoạch 12 tháng, do chuyên viên kỹ thuật cơ điện tử đảm nhiệm.

Thứ tư, nâng cấp nguồn phát quang sang dòng laser diode có khoang cộng hưởng ngoài (ECDL) với chiều dài kết hợp vượt trên 2 mét, mở rộng dải đo từ 20 micromet lên 500 milimet để ứng dụng kiểm chuẩn máy công cụ CNC siêu chính xác trước quý 4 năm 2025, do viện nghiên cứu phối hợp với doanh nghiệp chế tạo máy thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư R&D trong ngành Cơ điện tử và Cơ khí chính xác: Tài liệu cung cấp bản vẽ thiết kế phần cứng, sơ đồ khối quang điện tử và phương pháp tích hợp hệ đo dịch chuyển nano không tiếp xúc phục vụ các hệ thống định vị vi bước.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Quang học ứng dụng và Kỹ thuật đo lường: Luận văn là nguồn tư liệu học thuật giá trị về mô hình hóa chuỗi Bessel, kỹ thuật khuếch đại khóa pha Lock-in và quy trình định lượng chuỗi sai số đo lường thực nghiệm.

Nhóm doanh nghiệp sản xuất thiết bị bán dẫn và máy công cụ CNC: Tham khảo giải pháp giao thoa kế điều biến tần số giá thành thấp để nghiên cứu tích hợp hệ thống phản hồi vị trí vòng kín với độ chính xác nanomet cho các máy gia công siêu chính xác.

Nhóm chuyên viên kiểm chuẩn tại các Viện Đo lường và Trung tâm Tiêu chuẩn Chất lượng: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo phương pháp luận xử lý sai số Abbe, sai số cosine và kỹ thuật chuẩn hóa quỹ đạo Lissajous trong kiểm chuẩn chiều dài.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm nổi bật của phương pháp điều biến tần số laser so với giao thoa kế truyền thống là gì? Phương pháp điều biến tần số trực tiếp qua dòng bơm laser giúp loại bỏ hoàn toàn các bộ dịch pha cơ học dễ rung động và hao mòn. Kỹ thuật này tạo ra chuỗi sóng hài Bessel trực giao, cho phép trích xuất cặp tín hiệu sin-cos vuông pha với độ ổn định cao, triệt tiêu nhiễu tần số thấp và giảm chi phí phần cứng quang học tới 50%.

Tại sao luận văn lại lựa chọn thành phần điều hòa bậc 4 và bậc 5 để trích xuất tín hiệu? Theo lý thuyết hàm Bessel loại một, hai thành phần điều hòa bậc 4 và bậc 5 có quan hệ lệch pha trực giao tự nhiên đúng 90 độ. Sự lựa chọn này đảm bảo biên độ tín hiệu sau lọc thông thấp EF110 đủ lớn, tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao và tái tạo đường tròn Lissajous hoàn hảo để tính toán dịch chuyển.

Thiết bị Moku:Lab đóng vai trò gì trong hệ thống đo thực nghiệm? Moku:Lab là nền tảng đo lường kỹ thuật số dựa trên kiến trúc FPGA tốc độ cao. Thiết bị đảm nhận đồng thời chức năng khóa pha Lock-in hai kênh để tách sóng hài bậc 4 và bậc 5, ghi dữ liệu dịch chuyển liên tục và hiển thị đồ thị Lissajous phục vụ tính toán độ dịch chuyển với độ phân giải 5 nanomet.

Những nguồn sai số chính ảnh hưởng đến hệ thống giao thoa kế và cách khắc phục là gì? Các nguồn sai số chính gồm trôi nhiệt độ laser, thay đổi chiết suất không khí và rung động môi trường. Nghiên cứu đã khống chế nhiệt độ diode bằng bộ TED200C với độ ổn định 0.008 độ C, áp dụng công thức Edlén bù chiết suất và sử dụng gá chống rung để giảm tổng sai số đo xuống dưới 1.5%.

Hệ đo giao thoa kế Michelson điều biến tần số có khả năng thương mại hóa trong công nghiệp không? Hệ thống có tiềm năng thương mại hóa rất cao nhờ sử dụng laser bán dẫn L635P5 giá rẻ và kết cấu quang học nhỏ gọn. Khi được đóng gói buồng kín chống nhiễu và tích hợp mạch xử lý FPGA độc lập, hệ thống có thể tích hợp trực tiếp vào bàn máy khắc vi mạch hoặc máy đo tọa độ CMM.

Kết luận

• Hoàn thành xuất sắc cơ sở lý thuyết và mô hình toán học giải tích cho hệ giao thoa kế Michelson điều biến tần số quang dựa trên chuỗi hàm Bessel loại một.
• Thiết kế và lắp đặt thành công hệ thực nghiệm quang điện tử hoàn chỉnh với nguồn laser bán dẫn 635 nm và bộ xử lý tín hiệu Lock-in số trên thiết bị Moku:Lab.
• Đạt độ phân giải đo lường 5 nanomet, độ lặp lại 98.6% và sai số tương đối kiểm chuẩn dưới 1.5% trên dải đo vi cấp 20 micromet của bộ dịch chuyển PZT Thorlabs.
• Định lượng và đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa khống chế triệt để các nguồn sai số quang học, sai số góc Abbe và biến thiên nhiệt độ môi trường.
• Xây dựng giải pháp công nghệ đo lường nano với chi phí phần cứng thấp hơn 40% đến 60% so với các hệ thống nhập khẩu thương mại cùng cấp chính xác.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là làm chủ phương pháp điều biến tần số trực tiếp và kỹ thuật xử lý tín hiệu trực giao không tiếp xúc, đặt nền móng vững chắc cho công nghệ chế tạo thiết bị đo lường siêu chính xác tại Việt Nam.

Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, nhóm nghiên cứu hướng tới mục tiêu tối ưu hóa thuật toán trên vi mạch FPGA chuyên dụng và thử nghiệm thực địa trên các máy công cụ CNC chính xác cao.

Quý độc giả, chuyên gia và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp đo lường nano có thể liên hệ ngay với tác giả và Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để trao đổi học thuật và hợp tác phát triển công nghệ!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TONG QUAN VE SU PHAT TRIEN CUA GIAO THOA KE wed 1.1 Cơ sứ oán học oủa hiện tượng giao thoa.2 Đo độ dịch chuyển bằng giao thoa kế 5 1.1 Giao thoa ké Michelson.2 Giao thoa ké 2 tin s6 oe B 1.3 Giao thoa kế diễu biến pha --.12 CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA GIAO THOA KÉ MICHELSON DIEU BIEN TAN SỐ 2.1 Nguyên lý của giao thoa kế 2.2 Nguyên lý của module xử lý tín hiệt CHƯƠNG HI: XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM VÀ KÉT QUÁ.1 Các thiết bị chính và lắp đặt hệ thí nghiệm 3.1 Các thiết bị chính. 3123 y đựng hệ thí nghiêm 3.2 Kết quả thỉ nghiệm.3 Các nguồn sai số và tính toán sai số 3.1 Sai số do chiết suất thay đối 3.2 Sai số đo bước sóng thay đổi 3.3 Sai số đo nhiễu của cảm biền.4 Sai số đo hệ quang không được hiệu chỉnh chính xác.5 Ảnh hưởng từ rung động môi trường .6 Sai số trong phép đo bằng giao thoa kể.4 Kết Tuận và hướng phát triển Tài liệu tham khảo. TOM TAT NOI DUNG LUAN Luan vẫn được viết nhằm thực hiện, làm rõ những nội dung sau © Mục đích nghiên cứu: Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình thực nghiệm đo độ dịch chuyển chỉnh xác của giao thoa kế điều biển tần số « lrên cơ sở dữ liệu đo được. đánh giá độ chính xác, độ ỗn định khi đo của giao thoa kế « _ Dối tượng đo: Gương địch chuyển trên bộ địch chuyển nhỏ bằng PZT của hang Thorlabs với phạm vi dịch chuyển lặp lại 1.

* Phạm vi nphiên cứu: Đề tài sử dụng phương pháp diều biến tần số cho nguồn laser đi-ốt và sử dụng phương pháp trích xuất đồng bộ để thu đữ liệu. Qua những mục tiêu ở trên để tài được viết chia thành ba chương: Trong đó Chương ï: Tẵng quan về sự phát triển của giao thoa kế ‘Tac giả đã nều ra những kiến thức cơ bản của hiển tượng giao thoa ánh sảng và cơ sở toán học của nó cùng với sự phát triển của giao thoa kế trong lĩnh vực do độ dịch chuyển bao gồm : Giao thoa ké Michelson, giao thoa kế 2 tân số và giao thoa kế điều biển pha Ö Chương 1Ì: Nguyên tỷ và mỗ hình toàn của giao thoa kế Michelson diễu biển tẫm số TIệ đo giao thoa kế Michelson sử dụng phương pháp điều biến tần số đã được dé xuất. Tác giả đã thành công xây dựng sơ đỗ nguyên lý của hệ cũng như làm rõ mô hình toán của phương pháp đo mới qua phan 2.1 Nguyén bb của giao thoa kế điều biên lần só. Thêm vào đó việc sử dụng bộ khuốch đại Loek-in để thực hiện phương pháp trích xuất đồng bộ được ứng dụng vào bước xử lý tín hiệu giao thoa nhắm thu được cặp phần tử điều hòa có phá vuông góc dược giới thiệu ở phẩn 2.2 Nguyên lý của modile xử lý tín hiệu Luận văn kết thúc với Chương T11: Xây dựng bệ thí nghiệm và hết quả.

Trong chương cuối này tác giả đã tiến hành thực nghiệm đựa trên sơ đồ TOM TAT LUAN YAN Luận văn đã thành công nghiên cứu, xây dung mô hình toán chơ phương pháp đo độ dịch chuyển bằng giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn laser bán dẫn được điều biến tần số. '[ần số của nguồn được điều biến trực tiếp qua dòng bơm cho laser. Tin hiệu giao tho được phân tích đưới dạng chuỗi cdc ham điều hỏa của tần số điều biển qua khai triển hàm Bessel loai 1. Cặp Lín hiệu có pha vuông góc bậc 4 và 5 được trích xuất qua bộ khuếch dai lock-in qua đó xây dựng biểu đỗ Lissajous và tính toán được độ địch chuyển cần đo.

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ đo hoạt déng Ổn dịnh, chỉnh xác và hoàn toàn có tiểm năng phát triển sâu hơn. Học viên Nguyễn Vũ Hải Linh nguyên lý đã nêu ra ở Chương II trước đó. Các thiết bị chính sử dụng trong hệ do và thông số của chủng cũng dã được giới thiệu. Sau khi thu dược dữ liệu qua bộ khuếch đại lock-in và chức năng data logger của máy đo da ning MokuLab.

Dữ liệu được sử dụng để xây đựng sơ đồ Lissajous qua đó xác định giá trị độ dich chuyển cũng như chiễu địch chuyến của gương động. Kết quã thu được được so sánh với giá trị dịch chuyển tham chiều của bộ dịch chuyển nhỏ PZT của Thorlabs dé danh giá độ Ổn định và độ chính xác của kết quả đo. Cuối cùng cách sai số ảnh hưởng tới hệ đo củng với cách khắc phục được nêu ra, tác giả dã dánh giá sơ bộ ánh hưởng của chúng tới kết quả là có thể chấp nhận được. Kết luận và hướng phát triển của để tài a ka pas cũng được việt ở phân này.18 Kích thước của EF110.19 Thiết bị MokuLab Hình 3.20 12 biểu tượng chức năng của Mokul.21 Nguyên lý hoạt động của P⁄2' Hinh 3.22 Tinh thể PZT của hing Thorlabs .23 Độ trễ của PA4FKW Hình 3.24 Độ trễ của PK4DMPI Hình 3.25 Bộ điều khién PZT KPZ101 Hình 3.26 Sơ đỗ công của KPZ101.27 Ban dich chuyển nhỏ NFLSDP20/M .28 Kích thước của NELSDP20/M Hinh 3.29 Hệ thống trong thực nghiệm Hình 3.30 Lhành phần điều hoà bậc 4 và 5.31 So dé Lissajous.32 Kết quả thínghiệm .33 Sai lệch của triáo thoa kẾ với giá trị tham e Hình 3.34 Sai số Abbe Hình 3.35 Sai số cosine.

TOM TAT NOI DUNG LUAN Luan vẫn được viết nhằm thực hiện, làm rõ những nội dung sau © Mục đích nghiên cứu: Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình thực nghiệm đo độ dịch chuyển chỉnh xác của giao thoa kế điều biển tần số « lrên cơ sở dữ liệu đo được. đánh giá độ chính xác, độ ỗn định khi đo của giao thoa kế « _ Dối tượng đo: Gương địch chuyển trên bộ địch chuyển nhỏ bằng PZT của hang Thorlabs với phạm vi dịch chuyển lặp lại 1. * Phạm vi nphiên cứu: Đề tài sử dụng phương pháp diều biến tần số cho nguồn laser đi-ốt và sử dụng phương pháp trích xuất đồng bộ để thu đữ liệu. Qua những mục tiêu ở trên để tài được viết chia thành ba chương: Trong đó Chương ï: Tẵng quan về sự phát triển của giao thoa kế ‘Tac giả đã nều ra những kiến thức cơ bản của hiển tượng giao thoa ánh sảng và cơ sở toán học của nó cùng với sự phát triển của giao thoa kế trong lĩnh vực do độ dịch chuyển bao gồm : Giao thoa ké Michelson, giao thoa kế 2 tân số và giao thoa kế điều biển pha Ö Chương 1Ì: Nguyên tỷ và mỗ hình toàn của giao thoa kế Michelson diễu biển tẫm số TIệ đo giao thoa kế Michelson sử dụng phương pháp điều biến tần số đã được dé xuất.

Tác giả đã thành công xây dựng sơ đỗ nguyên lý của hệ cũng như làm rõ mô hình toán của phương pháp đo mới qua phan 2.1 Nguyén bb của giao thoa kế điều biên lần só. Thêm vào đó việc sử dụng bộ khuốch đại Loek-in để thực hiện phương pháp trích xuất đồng bộ được ứng dụng vào bước xử lý tín hiệu giao thoa nhắm thu được cặp phần tử điều hòa có phá vuông góc dược giới thiệu ở phẩn 2.2 Nguyên lý của modile xử lý tín hiệu Luận văn kết thúc với Chương T11: Xây dựng bệ thí nghiệm và hết quả. Trong chương cuối này tác giả đã tiến hành thực nghiệm đựa trên sơ đồ Tỉnh 3.18 Kích thước của EF110.19 Thiết bị MokuLab Hình 3.20 12 biểu tượng chức năng của Mokul.21 Nguyên lý hoạt động của P⁄2' Hinh 3.22 Tinh thể PZT của hing Thorlabs .23 Độ trễ của PA4FKW Hình 3.24 Độ trễ của PK4DMPI Hình 3.25 Bộ điều khién PZT KPZ101 Hình 3.26 Sơ đỗ công của KPZ101.27 Ban dich chuyển nhỏ NFLSDP20/M .28 Kích thước của NELSDP20/M Hinh 3.29 Hệ thống trong thực nghiệm Hình 3.30 Lhành phần điều hoà bậc 4 và 5.31 So dé Lissajous.32 Kết quả thínghiệm .33 Sai lệch của triáo thoa kẾ với giá trị tham e Hình 3.34 Sai số Abbe Hình 3.35 Sai số cosine. TOM TAT LUAN YAN Luận văn đã thành công nghiên cứu, xây dung mô hình toán chơ phương pháp đo độ dịch chuyển bằng giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn laser bán dẫn được điều biến tần số.

'[ần số của nguồn được điều biến trực tiếp qua dòng bơm cho laser. Tin hiệu giao tho được phân tích đưới dạng chuỗi cdc ham điều hỏa của tần số điều biển qua khai triển hàm Bessel loai 1. Cặp Lín hiệu có pha vuông góc bậc 4 và 5 được trích xuất qua bộ khuếch dai lock-in qua đó xây dựng biểu đỗ Lissajous và tính toán được độ địch chuyển cần đo. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ đo hoạt déng Ổn dịnh, chỉnh xác và hoàn toàn có tiểm năng phát triển sâu hơn.

Học viên Nguyễn Vũ Hải Linh nguyên lý đã nêu ra ở Chương II trước đó. Các thiết bị chính sử dụng trong hệ do và thông số của chủng cũng dã được giới thiệu. Sau khi thu dược dữ liệu qua bộ khuếch đại lock-in và chức năng data logger của máy đo da ning MokuLab. Dữ liệu được sử dụng để xây đựng sơ đồ Lissajous qua đó xác định giá trị độ dich chuyển cũng như chiễu địch chuyến của gương động.

Kết quã thu được được so sánh với giá trị dịch chuyển tham chiều của bộ dịch chuyển nhỏ PZT của Thorlabs dé danh giá độ Ổn định và độ chính xác của kết quả đo. Cuối cùng cách sai số ảnh hưởng tới hệ đo củng với cách khắc phục được nêu ra, tác giả dã dánh giá sơ bộ ánh hưởng của chúng tới kết quả là có thể chấp nhận được. Kết luận và hướng phát triển của để tài a ka pas cũng được việt ở phân này. TOM TAT NOI DUNG LUAN Luan vẫn được viết nhằm thực hiện, làm rõ những nội dung sau © Mục đích nghiên cứu: Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình thực nghiệm đo độ dịch chuyển chỉnh xác của giao thoa kế điều biển tần số « lrên cơ sở dữ liệu đo được.

đánh giá độ chính xác, độ ỗn định khi đo của giao thoa kế « _ Dối tượng đo: Gương địch chuyển trên bộ địch chuyển nhỏ bằng PZT của hang Thorlabs với phạm vi dịch chuyển lặp lại 1. * Phạm vi nphiên cứu: Đề tài sử dụng phương pháp diều biến tần số cho nguồn laser đi-ốt và sử dụng phương pháp trích xuất đồng bộ để thu đữ liệu.