Luận văn thạc sĩ về nghiên cứu chế tạo cảm biến thủy âm quang sợi sonar

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Cảm Biến Thủy Âm Quang Sợi
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUANG SỢI
• 1.1. Phân loại cảm biến quang sợi
• 1.2. Cảm biến quang sợi dựa vào phổ
• 1.3. Cảm biến quang sợi dựa vào pha
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN THỦY ÂM QUANG SỢI GIAO THOA
• 2.1. Tổng quan về âm thanh
• 2.2. Các đại lượng vật lý đặc trưng của âm
• 2.3. Các đơn vị cơ bản đo âm thanh theo hệ thập phân
• 2.4. Các đơn vị đo âm thanh theo thang lôgarít
• 2.5. Các đặc trưng sinh lý của âm thanh
• 2.6. Cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ THẢO LUẬN VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG
• 3.1. Quá trình xây dựng hệ thống cảm biến quang sợi
• 3.2. Kết quả thu được và thảo luận
• 3.2.1. Ống nhôm mỏng
• 3.3. Hướng ứng dụng của cảm biến quang sợi đo thủy âm
• Tài liệu tham khảo

I. Tổng quan về cảm biến quang sợi

Cảm biến quang sợi là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghệ quang học. Các cảm biến này được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cách thức điều chế và ứng dụng. Cảm biến quang sợi có thể được chia thành cảm biến nội sinh và ngoại sinh. Cảm biến nội sinh sử dụng các thuộc tính của chính sợi quang để biến đổi các thay đổi môi trường thành tín hiệu quang, trong khi cảm biến ngoại sinh thu nhận thông tin từ môi trường bên ngoài. Các loại cảm biến này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ đo nhiệt độ đến phân tích hóa học. Đặc biệt, cảm biến quang sợi có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, độ nhạy cao và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

1.1 Phân loại cảm biến quang sợi

Cảm biến quang sợi có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Một trong những cách phân loại phổ biến là dựa vào quá trình điều chế và giải điều chế. Các cảm biến có thể được chia thành cảm biến cường độ, cảm biến pha, cảm biến tần số và cảm biến phân cực. Cảm biến quang sợi cũng có thể được phân loại theo ứng dụng, bao gồm cảm biến vật lý, hóa học và y sinh. Đặc biệt, cảm biến quang sợi nội sinh và ngoại sinh là hai loại quan trọng, với cảm biến nội sinh có khả năng biến đổi các thay đổi môi trường thành tín hiệu quang trong khi cảm biến ngoại sinh thu nhận thông tin từ môi trường bên ngoài.

1.2 Cảm biến quang sợi dựa vào phổ

Cảm biến quang sợi dựa vào phổ hoạt động dựa trên sự thay đổi bước sóng của chùm sáng khi có tác động từ môi trường. Các cảm biến này có thể được sử dụng để đo nhiệt độ, áp suất và nhiều thông số khác. Một ví dụ điển hình là cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang, cho phép phản xạ tại bước sóng cụ thể. Khi có sự thay đổi trong môi trường, chu kỳ cách tử sẽ thay đổi, dẫn đến sự dịch chuyển bước sóng Bragg. Điều này cho phép các kỹ sư theo dõi và phân tích các thay đổi trong kết cấu của các công trình như cầu, máy bay, và nhiều ứng dụng khác.

II. Nghiên cứu cảm biến thủy âm quang sợi giao thoa

Cảm biến thủy âm quang sợi giao thoa sử dụng cấu hình giao thoa kế Mach-Zehnder để đo các thông số âm thanh trong môi trường nước. Cấu hình này cho phép đo đạc chính xác các thay đổi áp suất âm, nhờ vào khả năng nhạy bén của nó trong việc phát hiện các biến đổi nhỏ trong pha quang. Việc sử dụng cảm biến này trong nghiên cứu thủy âm có thể giúp thu thập dữ liệu quan trọng cho các ứng dụng trong hải dương học, như đo vẽ bản đồ biển và phát hiện các mục tiêu dưới nước. Cảm biến này không chỉ có độ nhạy cao mà còn có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, điều này làm cho nó trở thành một công cụ hữu ích trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

2.1 Tổng quan về âm thanh

Âm thanh là một dạng sóng cơ học lan truyền qua môi trường, và có thể được đặc trưng bởi nhiều đại lượng vật lý như tần số, biên độ và pha. Các đơn vị đo âm thanh thường được sử dụng bao gồm decibel (dB) và hertz (Hz). Hiểu rõ về các đặc trưng của âm thanh là rất quan trọng trong việc phát triển các cảm biến thủy âm, vì chúng cần phải có khả năng phát hiện và phân tích các tín hiệu âm thanh trong môi trường nước. Các nghiên cứu về âm thanh cũng đã chỉ ra rằng, việc thu thập dữ liệu âm thanh có thể cung cấp thông tin quý giá cho nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu sinh thái đến an ninh quốc phòng.

2.2 Cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach Zehnder

Cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay. Cấu hình này cho phép đo đạc chính xác các thay đổi trong pha quang, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu cường độ quang có thể thu nhận dễ dàng. Việc sử dụng cảm biến này trong nghiên cứu thủy âm không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong việc đo đạc mà còn giảm thiểu chi phí so với các thiết bị truyền thống. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực hải dương học, đặc biệt là trong việc phát hiện và phân tích các tín hiệu âm thanh dưới nước.

III. Thực nghiệm kết quả thảo luận và hướng ứng dụng

Quá trình thực nghiệm trong nghiên cứu chế tạo cảm biến thủy âm quang sợi đã cho thấy những kết quả khả quan. Các thông số kỹ thuật như độ nhạy, đáp ứng tần số và độ suy hao của cảm biến đã được khảo sát và đánh giá. Kết quả cho thấy cảm biến có khả năng hoạt động ổn định và chính xác trong môi trường nước, điều này mở ra nhiều hướng ứng dụng trong thực tiễn. Các ứng dụng này không chỉ giới hạn trong lĩnh vực hải dương học mà còn có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như an ninh quốc phòng và nghiên cứu môi trường. Việc phát triển và ứng dụng cảm biến thủy âm quang sợi sẽ góp phần nâng cao tiềm lực khoa học công nghệ trong nước.

3.1 Kết quả thu được và thảo luận

Kết quả thu được từ quá trình thực nghiệm cho thấy cảm biến thủy âm quang sợi có độ nhạy cao và khả năng đáp ứng tần số tốt. Các thông số như độ suy hao và độ ổn định của cảm biến cũng được đánh giá cao. Những kết quả này cho thấy rằng cảm biến có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện thực tế, từ đó mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ thủy âm. Việc thảo luận về các kết quả này cũng giúp xác định các yếu tố cần cải thiện trong tương lai để nâng cao hiệu suất của cảm biến.

3.2 Hướng ứng dụng của cảm biến quang sợi đo thủy âm

Hướng ứng dụng của cảm biến quang sợi đo thủy âm rất đa dạng. Cảm biến có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về hải dương học, giúp thu thập dữ liệu về âm thanh dưới nước, từ đó phục vụ cho các nghiên cứu sinh thái và bảo tồn. Ngoài ra, cảm biến cũng có thể được áp dụng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, giúp phát hiện các mục tiêu phát ra âm thanh dưới nước. Việc phát triển và ứng dụng cảm biến thủy âm quang sợi không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp quang điện tử và công nghệ thông tin quang, cảm biến quang sợi đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm với nhiều ưu điểm vượt trội như kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ, băng thông rộng, độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu điện từ tốt. Đặc biệt, cảm biến thủy âm quang sợi (SONAR quang sợi) được xem là giải pháp tiềm năng thay thế các thiết bị cảm biến truyền thống trong việc đo đạc và phân tích tín hiệu âm dưới nước. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và chế tạo cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder, khảo sát các thông số kỹ thuật như độ nhạy, đáp ứng tần số và độ suy hao, đồng thời đề xuất hướng ứng dụng phù hợp trong điều kiện Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cảm biến trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2011 tại Đại học Quốc gia Hà Nội, với các thử nghiệm thực hiện trong môi trường trên cạn và dưới nước. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một giải pháp cảm biến thủy âm có chi phí thấp, độ nhạy cao, góp phần xây dựng tiềm lực khoa học công nghệ phục vụ an ninh quốc phòng và phát triển kinh tế biển, đặc biệt trong chương trình quốc gia về biển Đông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết cảm biến quang sợi và lý thuyết âm thanh thủy âm.

1. Lý thuyết cảm biến quang sợi: Cảm biến quang sợi được phân loại theo cơ chế điều chế quang như cảm biến dựa vào cường độ, pha, tần số và phân cực. Trong đó, cảm biến dựa vào pha sử dụng kỹ thuật giao thoa quang học để chuyển đổi sự thay đổi pha ánh sáng thành tín hiệu cường độ dễ đo đạc. Giao thoa kế Mach-Zehnder được lựa chọn do cấu trúc đơn giản, không yêu cầu gương phản xạ chất lượng cao và khả năng ứng dụng rộng rãi. Các khái niệm chính bao gồm: độ nhạy pha, sự điều chế pha quang, hiệu ứng đàn hồi quang học, và các thông số vật liệu như hệ số Young, hệ số khối và hệ số Poisson ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến.

2. Lý thuyết âm thanh thủy âm: Âm thanh là dao động sóng trong môi trường đàn hồi, với các đại lượng vật lý đặc trưng như tần số, bước sóng, vận tốc truyền âm, áp suất âm và cường độ âm. Đặc biệt, vận tốc truyền âm trong nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và áp suất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy và đáp ứng tần số của cảm biến thủy âm. Các đơn vị đo âm thanh theo thang lôgarít như mức cường độ âm (dB) cũng được áp dụng để đánh giá tín hiệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết.

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thử nghiệm chế tạo cảm biến thủy âm quang sợi tại phòng thí nghiệm, sử dụng sợi quang đơn mode SMF-28, nguồn laser bán dẫn DFB bước sóng 1552 nm, bộ ghép/tách quang, ống cảm biến làm từ các vật liệu khác nhau (nhôm mỏng, sứ, polimer), bộ thu và xử lý tín hiệu quang, máy dao động ký và phần mềm phân tích phổ WaveSurfer 1.

• Phương pháp phân tích: Đo lường độ nhạy, đáp ứng tần số và độ suy hao của cảm biến qua các tín hiệu âm thanh có tần số từ 150 Hz đến 8 kHz. Phân tích tín hiệu thu được trên dao động ký và phần mềm phổ để đánh giá sự tương đồng với tín hiệu đầu vào, đồng thời so sánh hiệu quả của các vật liệu làm ống cảm biến.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2010-2011, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và phân tích kết quả, với các báo cáo khoa học được trình bày tại các hội thảo quốc gia và quốc tế trong cùng thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ nhạy và đáp ứng tần số của cảm biến phụ thuộc vật liệu ống cảm biến: Ống polimer cho độ nhạy cao nhất với tín hiệu thu được có biên độ lớn hơn nhiều so với ống nhôm mỏng và ống sứ. Ví dụ, tại tần số 714 Hz, cảm biến sử dụng ống polimer thu được tín hiệu rõ ràng với biên độ cao, trong khi ống nhôm và ống sứ chỉ thu được tín hiệu biên độ thấp, gần mức nền nhiễu.

2. Đáp ứng tần số của cảm biến trong dải 150 Hz đến 8 kHz: Cảm biến với ống polimer duy trì độ nhạy tốt trong toàn bộ dải tần này, phù hợp với các ứng dụng thủy âm phổ biến. Tần số giới hạn của cảm biến được xác định theo công thức liên quan đến hệ số Young và hệ số khối của vật liệu, cho thấy vật liệu có hệ số Young cao và hệ số khối thấp sẽ nâng cao tần số giới hạn.

3. Tín hiệu thu được có dạng sóng sin tương đồng với tín hiệu đầu vào: Dù tín hiệu đầu vào là xung vuông, quá trình truyền âm và cơ học làm tín hiệu thu được biến đổi thành dạng sin với cùng tần số, có trễ pha nhất định. Điều này được xác nhận qua phân tích phổ Fourier trên phần mềm WaveSurfer 1.

4. Nhiễu nền và ảnh hưởng môi trường: Nền nhiễu tín hiệu khi không có tín hiệu âm đầu vào vẫn tồn tại do nhiễu điện từ, rung động cơ học và nhiệt độ môi trường. Tuy nhiên, sự khác biệt rõ rệt giữa tín hiệu thu được khi có và không có tín hiệu âm cho thấy cảm biến có khả năng phát hiện tín hiệu thủy âm hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến ống polimer có độ nhạy cao hơn là do hệ số Poisson và hệ số đàn hồi phù hợp, cho phép truyền áp suất âm hiệu quả lên sợi quang, làm thay đổi pha ánh sáng rõ rệt. Ống nhôm mỏng và ống sứ có hệ số đàn hồi thấp hoặc hệ số Poisson không phù hợp nên khả năng truyền áp suất kém, dẫn đến tín hiệu thu được yếu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng vật liệu đến độ nhạy cảm biến quang sợi. Việc sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder giúp đơn giản hóa cấu trúc thiết bị, giảm chi phí và vẫn đảm bảo độ nhạy cao, phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng tần số của từng loại ống cảm biến, bảng so sánh biên độ tín hiệu thu được tại các tần số khác nhau, và hình ảnh dạng sóng tín hiệu thu trên dao động ký để minh họa sự tương đồng với tín hiệu đầu vào.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ưu tiên sử dụng vật liệu polimer cho ống cảm biến nhằm tối ưu độ nhạy và đáp ứng tần số, nâng cao hiệu quả cảm biến thủy âm. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn thiết kế và chế tạo mẫu tiếp theo. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

2. Tăng cường ổn định nhiệt độ nguồn laser và bộ thu tín hiệu để giảm nhiễu nền và tăng độ chính xác đo đạc. Có thể áp dụng hệ thống ổn nhiệt Peltier cho laser DFB và cải tiến mạch khuếch đại tín hiệu. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: kỹ sư điện tử và nhóm nghiên cứu.

3. Phát triển hệ thống đóng gói chống thấm nước và chống rung động cơ học cho cảm biến nhằm đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường biển thực tế. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: nhóm thiết kế cơ khí và kỹ thuật vật liệu.

4. Mở rộng nghiên cứu khảo sát các thông số môi trường ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến như nhiệt độ, độ mặn, áp suất nước biển để xây dựng mô hình hiệu chỉnh tín hiệu chính xác. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: nhóm nghiên cứu hải dương học và kỹ thuật cảm biến.

5. Ứng dụng cảm biến trong các lĩnh vực đo vẽ bản đồ biển, dò phá mìn, phát hiện mục tiêu dưới nước với chi phí thấp và hiệu quả cao, góp phần phát triển công nghệ quốc gia về biển Đông. Chủ thể: các viện nghiên cứu, quân đội và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, quang học: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về cảm biến quang sợi, giao thoa kế Mach-Zehnder và ứng dụng trong thủy âm.

2. Chuyên gia hải dương học và công nghệ biển: Áp dụng cảm biến thủy âm quang sợi để thu thập dữ liệu môi trường biển, phục vụ nghiên cứu và dự báo thủy âm.

3. Doanh nghiệp công nghệ và sản xuất thiết bị cảm biến: Tham khảo quy trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cảm biến thủy âm quang sợi để phát triển sản phẩm mới, giảm chi phí nhập khẩu.

4. Cơ quan quốc phòng và an ninh biển: Ứng dụng cảm biến trong các hệ thống dò tìm, giám sát mục tiêu dưới nước, nâng cao năng lực bảo vệ chủ quyền biển đảo.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến thủy âm quang sợi hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Cảm biến sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder để chuyển đổi sự thay đổi pha ánh sáng do áp suất âm tác động lên sợi quang thành tín hiệu cường độ quang, dễ dàng đo đạc bằng photodiode. Ví dụ, áp suất thủy âm làm thay đổi chiều dài sợi quang, dẫn đến dịch pha quang và thay đổi cường độ tín hiệu thu.

2. Tại sao chọn giao thoa kế Mach-Zehnder thay vì Michelson hay Fabry-Perot?
   Mach-Zehnder có cấu trúc đơn giản, không cần gương phản xạ chất lượng cao, giảm chi phí và dễ chế tạo. Trong khi đó, Michelson yêu cầu gương phản xạ chất lượng cao và có thể gây phản xạ ngược ảnh hưởng đến nguồn laser.

3. Vật liệu ống cảm biến ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất cảm biến?
   Vật liệu có hệ số Young cao và hệ số khối thấp giúp truyền áp suất âm hiệu quả lên sợi quang, tăng độ nhạy. Ống polimer với hệ số Poisson phù hợp cho kết quả tốt hơn so với ống nhôm mỏng hay ống sứ.

4. Phạm vi tần số đáp ứng của cảm biến là bao nhiêu?
   Cảm biến thủy âm quang sợi nghiên cứu có đáp ứng tần số từ khoảng 150 Hz đến 8 kHz, phù hợp với nhiều ứng dụng thủy âm phổ biến như dò tìm mục tiêu và phân tích tín hiệu dưới nước.

5. Làm thế nào để giảm nhiễu nền trong hệ thống cảm biến?
   Ổn định nhiệt độ nguồn laser, cải tiến mạch khuếch đại và lọc tín hiệu, đóng gói chống rung và chống thấm nước là các biện pháp hiệu quả để giảm nhiễu nền và nâng cao độ chính xác đo đạc.

Kết luận

• Đã nghiên cứu và chế tạo thành công cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder với độ nhạy cao và đáp ứng tần số rộng từ 150 Hz đến 8 kHz.
• Ống polimer được xác định là vật liệu tối ưu cho ống cảm biến nhờ đặc tính cơ học phù hợp, nâng cao hiệu suất cảm biến.
• Hệ thống cảm biến có khả năng thu tín hiệu thủy âm rõ ràng, tín hiệu thu được tương đồng với tín hiệu đầu vào, phù hợp ứng dụng trong môi trường biển Việt Nam.
• Kết quả nghiên cứu góp phần xây dựng tiềm lực khoa học công nghệ trong lĩnh vực cảm biến thủy âm, hỗ trợ các chương trình quốc gia về biển Đông.
• Đề xuất các giải pháp cải tiến và ứng dụng thực tế nhằm phát triển công nghệ cảm biến thủy âm quang sợi trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Tiếp tục hoàn thiện thiết kế, mở rộng thử nghiệm trong môi trường biển thực tế và phát triển sản phẩm thương mại. Đề nghị các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ này.