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.

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.