Đồ án thiết kế hệ thống đo lường cơ khí GTK Heterodyne - Bách Khoa HN

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu Bản thuyết minh đồ án thiết kế hệ thống đo lường cơ khí đề tài gtk heterodyne, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả

• Tác giả: Phạm Tuấn Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Cao Xuân Bình
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí Chính Xác & Quang Học
• Đề tài: Thiết kế hệ thống đo lường cơ khí GTK Heterodyne
• Loại tài liệu: Đồ án
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
• 1.1. Khái niệm và ứng dụng
• 1.2. Giao thoa ánh sáng
• 1.2.1. Khái niệm
• 1.3. Giao thoa kế
• 1.3.1. Khái niệm
• 1.4. Các loại giao thoa kế và ứng dụng thực tế
• 1.4.1. Giao thoa kế homodyne
• 2. CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG
• 2.1. Nguồn laser
• 2.2. Bộ tách chùm tia (Beam splitter)
• 2.3. Gương phản xạ
• 2.4. Tấm ¼ bước sóng
• 2.5. Tấm lọc phân cực
• 2.6. Bàn dịch chuyển PZT
• 2.7. Máy đo pha/ đếm xung
• 2.8. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO THOA KẾ
• 2.9. Thiết kế hệ thống giao thoa kế
• 2.10. Cấu trúc hệ GTK.
• 2.11. Tính toán và lựa chọn thiết bị
• 2.12. Bộ tách chùm
• 2.13. Gương phản xạ.
• 2.14. Tấm ¼ bước sóng WPQ10E-633
• 2.15. Tấm lọc cường độ tia ND filter ND09A
• 2.16. Tấm phân cực
• 2.17. Cảm biến quang học
• 2.18. bàn dịch chuyển PZT
• 2.19. Máy đo pha / đếm xung
• 2.20. Thiết bị xử lý
• 2.21. Quy trình đo
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• 4.1. Đánh giá sai số
• 4.2. Sai số Abbe. Sai số Cosine
• 4.3. Sai số biên dạng bề mặt
• 4.4. Sai số do môi trường

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Đo Lường Cơ Khí GTK Heterodyne

Phát triển công nghiệp đòi hỏi độ phân giải và độ chính xác cao trong đo lường cơ học. Cùng với xu hướng thu nhỏ, nhu cầu đo lường dưới nanomet tăng nhanh. Giao thoa kế laser là hệ thống đo lường phổ biến cho vùng micromet và nanomet, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất mạch tích hợp và các viện đo lường quốc gia. Laser, với độ đơn sắc, độ kết hợp cao, mật độ năng lượng lớn và độ định hướng cao, được ứng dụng trong đo lường, gia công, y học, và thông tin. Trong đo lường, laser được dùng trong các phép đo dịch chuyển, vị trí, và chất lượng bề mặt, đạt độ chính xác cấp nanomet. Các mô hình và thiết lập đo lường mới được phát triển để đo các tính chất phân cực của laser homodyne trong hệ giao thoa kế, giúp xác định sai lệch nhỏ. Đồ án "Tìm hiểu về GTK heterodyne" nhằm mục đích nghiên cứu, thực hành và hiểu biết thêm về đo lường bằng laser trong cơ khí, ứng dụng trong đo dịch chuyển, vị trí với độ chính xác cấp nanomet. Giao thoa ánh sáng là hiện tượng khi hai hay nhiều chùm ánh sáng gặp nhau và chồng lên nhau, tạo ra các vạch sáng hoặc tối xen kẽ. Hiện tượng giao thoa là sự chồng chập của hai hoặc nhiều nguồn sóng, tạo thành một nguồn sóng mới, là đặc tính tiêu biểu của tính chất sóng. Hai chùm sáng kết hợp có cùng tần số và pha, hoặc độ lệch pha không đổi theo thời gian. Giao thoa kế là dụng cụ quang học dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng, dùng để đo bước sóng, nghiên cứu cấu trúc, đo tính không đồng nhất chiết suất, khuyết tật bề mặt, độ dài, kích thước góc của sao, và vận tốc ánh sáng. Giao thoa kế chiều dài, được Albert Michelson giới thiệu, là công cụ đo lường với độ chính xác cao. Interfometry là phương pháp đo không tiếp xúc, với độ chính xác phụ thuộc vào bước sóng nguồn và môi trường đo.

1.1. Giao Thoa Ánh Sáng Khái Niệm và Ứng Dụng Thực Tiễn

Giao thoa ánh sáng là hiện tượng vật lý quan trọng. Nó xảy ra khi hai hay nhiều chùm ánh sáng gặp nhau và chồng lên nhau, tạo ra những vạch sáng hoặc vạch tối xen kẽ. Các vạch này hình thành do sự tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau của các sóng ánh sáng. Giao thoa là một hiện tượng vật lý đặc trưng, thể hiện sự chồng chập của hai hoặc nhiều nguồn sóng khác nhau, tạo thành một nguồn sóng mới. Giao thoa chính là đặc tính tiêu biểu của tính chất sóng. Khi hai chùm sáng kết hợp gặp nhau, chúng sẽ giao thoa với nhau: Những chỗ 2 sóng gặp nhau mà cùng pha với nhau, chúng tăng cường lẫn nhau tạo thành các vân sáng. Những chỗ hai sóng gặp nhau mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu nhau tạo thành các vân tối. Hiện tượng giao thoa ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng. Điều này đã được tìm hiểu và phân tích được kết quả thông qua các thí nghiệm giao thoa ánh sáng. Ảnh giao thoa thu được là các vân sáng tối xen kẽ song song nhau. Các vạch sáng tương ứng với cực đại giao thoa (hai sóng tăng cường) là nơi thoa mãn điều kiện: d.sinØ = n λ. Còn các vân tối là nơi mà 2 sóng dập tắt lẫn nhau và phai thỏa mân điều kiện: d.sin Ø = (n + ½) λ. Trong đó: λ : bước sóng ánh sáng. d : khoảng cách giữa hai khe hẹp n : bậc giao thoa (n = 0 khi ở vân sáng trung tâm) x : khoảng cách từ vị tri vân sáng đến vân trung tâm.

1.2. Giao Thoa Kế Định Nghĩa Nguyên Lý Hoạt Động và Phạm Vi Ứng Dụng

Giao thoa kế là dụng cụ quang học dựa trên nguyên lí giao thoa ánh sáng. Dùng để đo bước sóng của các vạch phổ và nghiên cứu cấu trúc của chúng, đo tính không đồng nhất về chiết suất của các môi trường trong suốt, khuyết tật của các bề mặt phản xạ, đo các độ dài tuyệt đối và tương đối với độ chính xác rất cao, đo kích thước góc của sao và đo vận tốc của ánh sáng,đo dịch chuyển nhỏ, vv. Giao thoa kế chiều dài, được Albert Michelson giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1881, đã được phát triển thành một công cụ đo lường với độ chính xác cao. Vì giao thoa học dựa trên sự can thiệp của ánh sáng, nó là một phương pháp đo không tiếp xúc, trong đó độ chính xác bị ảnh hưởng bởi bước sóng của nguồn và môi trường mà phép đo diễn ra. Với sự phát triển trong ngành công nghiệp đang yêu cầu cải thiện độ phân giải và độ chính xác cao hơn trong đo lường cơ học, vấn đề về công nghệ nano công nghệ bán dẫn, công nghệ chế tạo và sản xuất chất bán dẫn, công nghệ chế tạo chính xác và siêu chính xác đòi hỏi cần phải chính xác và việc tích hợp hệ gia công và hệ đo cần phải cải thiện có độ phân giải và độ chính xác cỡ nano mét. => Sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc, encorder và giao thoa kế.

1.3. Phân Loại Giao Thoa Kế và Ứng Dụng Cụ Thể Trong Đo Lường

Giao thoa kế homodyne: Với đo lường độ dài, dịch chuyển nhiều năm qua, một số phương pháp xử lý tín hiệu giao thoa đã được đề xuất trong đó các giao thoa thoa kế sử dụng nguồn một tần số được phát triển trước tiên. Sơ đồ nguyên lí của giao thoa kế 1 tần số được thể hiện trong hình 1. Một chùm tia từ nguồn laser được chia thành hai chùm tia với lệ bằng nhau nhờ lăng kính chia chùm, một chùm tia phản xạ bởi lăng kính và chùm còn lại đi qua lăng kính. Cả hai chùm tia sau đó bị phản xạ bởi các gương đặt vuông góc với phương lan truyền của bức xạ laser và kết hợp lại tại lăng kính chia chùm. Tại đây chúng giao thoa với nhau và tín hiệu giao thoa này được thu nhận nhờ cảm biến quang biến quang. Một gương trong giao thoa kế có thể dịch chuyển chính xác dọc theo phương lan truyền ánh sáng và do đó có thể thay đổi quãng đường quang học giữa nó và lăng kính. Khi gương động dịch chuyển, cường độ của tín hiệu giao thoa thu bởi cảm biến cũng thay đổi theo. Sự thay đổi cường độ tín hiệu giao thoa theo vị trí của gương hay hiệu quang lộ giữa hai nhánh của giao thoa kế là cơ sở cho phép đo dịch chuyển sử dụng giao thoa kế Michelson. Ưu điểm : giao thoa kế một tần số là thiết kế đơn giản, sử dụng các nguồn laser thông thường. Hơn nữa giao thoa kế một tần số có tốc độ đo cao bởi vì sự thay đổi pha của tín hiệu giao thoa, gây ra bởi dịch chuyển của đối tượng đo, được chuyển đổi trực tiếp thành sự thay đổi cường độ thu được nhờ cảm biến. Nhược điểm : gioa thoa kế một tần số thông thường là yêu cầu độ ổn định cường độ cao đối với nguồn laser cũng như độ ổn định của hệ hệ quang và môi trường.

II. Các Thành Phần Cơ Bản Của Hệ Thống GTK Heterodyne

Hệ thống đo lường cơ khí GTK Heterodyne bao gồm nhiều thành phần quan trọng, mỗi thành phần đóng một vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của phép đo. Nguồn laser, bộ tách chùm tia (Beam splitter), gương phản xạ, tấm ¼ bước sóng, tấm lọc phân cực, bàn dịch chuyển PZT và máy đo pha/ đếm xung là các bộ phận không thể thiếu. Nguồn laser cung cấp ánh sáng có độ đơn sắc cao, độ kết hợp cao về không gian và thời gian, độ định hướng cao và khả năng đạt được mật độ công suất cao. Bộ tách chùm tia (Beam splitter) dùng để phản xạ lại một phần chùm tia sáng, đồng thời cho phép phần còn lại tiếp tục đi theo đường thẳng. Gương phản xạ được sử dụng nhằm mục đích làm lệch chùm sáng, xoay chiều ảnh và đảo hệ toạ độ ảnh so với toạ độ vật, phân chia chùm sáng. Tấm ¼ bước sóng là thiết bị quang học được sử dụng để tạo chùm sáng phân cực toàn phần từ chùm sáng chưa phân cực. Tấm lọc phân cực là một bộ lọc quang học cho ánh sáng có phân cực nhất định đi qua và ngăn chặn ánh sáng có phân cực khác. Bàn dịch chuyển PZT được sử dụng trong các ứng dụng dịch chuyển micro hoặc nanomet vì chúng có thể đạt được mức độ chính xác đó. Máy đo pha/ đếm xung cho phép đo trực tiếp sự thay đổi tần số gây ra bởi hiệu ứng Doppler thay vì đo sự thay đổi cường độ tín hiệu giao thoa.

2.1. Nguồn Laser Tính Năng Phân Loại và Ứng Dụng Trong GTK Heterodyne

Nguồn laser là một nguồn sáng đặc biệt so với tất cả các nguồn sáng khác. Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh , và có nghĩa là " khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích”. (Năm 1959 , Gordon Gould đã công bố tại hội thảo thuật ngữ LASER). Nguồn sáng Laser có thể trong vùng cực tím ( tử ngoại ) , vùng ánh sáng nhìn thấy được và vùng hồng ngoại. Hoạt động của một nguồn laser được mô phỏng như hình 2. Theo đó, buồng cộng hưởng (resonator) chứa hoạt chất laser có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này nó đánh bật 1 photon khác bay cùng hướng. Photon bay tới gương phản xạ toàn phần (HR mirror) khi bay tới 2 đầu chắn của buồng cộng hưởng. Các photon phản xạ liên tục và chạm vào hoạt chất laser làm cho mật độ photon lớn. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất kích hoạt. Sau đó đi qua gương cho phép 1 phần chùm tia đi qua (OC mirror) và tạo thành laser phát ra ngoài.

2.2. Bộ Tách Chùm Tia Beam Splitter Chức Năng Cấu Tạo và Phân Loại

Bộ tách chùm được dùng để phản xạ lại một phần chùm tia sáng, đồng thời cho phép phần còn lại tiếp tục đi theo đường thẳng. Bộ tách chùm có thể đơn giản là một bản thủy tinh hình vuông hoặc hình chữ nhật “khối lập phương hoặc tấm” tráng một chất phản xạ, hoặc chúng có thể tích hợp dạng lớp phủ bề mặt trong những cơ cấu quang nhiều thành phần phức tạp. Bộ tách chùm phổ biến nhất sử dụng hai lăng kính góc vuông tráng ở cạnh huyền, tạo ra một bề mặt bán phản xạ, và rồi hàn lại với nhau thành hình lập phương. Ngoài việc có thể chia chùm tia sáng thành hai thành phần, bộ tách chùm cũng có thể được dùng để kết hợp hai chùm tia sáng hoặc các ảnh tách rời thành một. Bộ tách chùm tia dạng tấm bao gồm một tấm thủy tinh mỏng, phẳng đã được phủ trên bề mặt đầu tiên của chất nền (hình 2. Hầu hết các bộ tách chùm tấm đều có lớp phủ chống phản xạ trên bề mặt thứ hai để loại bỏ phản xạ Fresnel không mong muốn.

2.3. Gương Phản Xạ Nguyên Lý Hoạt Động Vật Liệu Chế Tạo và Ứng Dụng Thực Tế

Gương phẳng là chi tiết quang gồm hai phần chính: đế gương và lớp phản xạ. Đế gương là bàn song song bằng thuỷ tinh quang học và được gia công với yêu cầu về độ sóng và độ nhám bề mặt cao. Khi lớp phản xạ ở mặt trên của đế, thì được gọi gương phản xạ mặt trên. Các tia sáng tới lớp phản xạ bị phản xạ trực tiếp ngay mà không vào đế gương. Gương phản xạ mặt trước có hệ số phản xạ cao hơn gương phản xạ mặt sau. Dù lớp phản xạ khó được bảo vệ dễ bị suy giảm tuổi thọ, song các dụng cụ quang chính xác thường dùng các gương phản xạ mặt trên. Khi lớp phản xạ mặt dưới của đế, ta gọi gương phản xạ mặt sau. Các tia sáng tới đế, phản xạ ở lớp phản xạ trở lại để một lần nữa rồi mới ra môi trường cũ. Trong trường hợp này, các lớp phản xạ dễ được bảo vệ, hệ số phản xạ ổn định hơn theo thời gian sử dụng. Tuy vậy chất lượng của đế gương ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng chùm sáng phản xạ. Do đó gương phản xạ mặt dưới được dùng trong các dụng cụ quang học thông dụng với chất lượng tạo ảnh trung bình.

III. Thiết Kế Hệ Thống Giao Thoa Kế GTK Heterodyne Chi Tiết

Thiết kế hệ thống giao thoa kế GTK Heterodyne đòi hỏi sự lựa chọn kỹ lưỡng các thành phần và cấu trúc hệ thống để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả đo lường. Cấu trúc hệ GTK cơ bản bao gồm: bộ tách chùm tia BS; Bộ tách chùm tia phân cực PBS; Tấm sóng phần tư QWP; FR và TR, cố định và mục tiêu hồi lưu phản xạ, tương ứng là bộ phân cực P1 và P2; Bộ tách sóng quang PD1 và PD2. Một laser He-Ne ổn định Zeeman phát ra hai chùm tia đồng trục tuyến tính phân cực trực giao với hai tần số hơi khác nhau (f1 và f2). Hai chùm tia riêng phần này được biểu thị dưới dạng sóng phẳng. Việc lựa chọn các thiết bị như nguồn laser, bộ tách chùm tia, gương phản xạ và cảm biến quang học phải dựa trên các thông số kỹ thuật và yêu cầu cụ thể của hệ thống. Cấu trúc hệ GTK đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định và chính xác của phép đo. Tính toán và lựa chọn thiết bị một cách cẩn thận là bước không thể thiếu để xây dựng một hệ thống đo lường hiệu quả.

3.1. Cấu Trúc Hệ GTK Heterodyne Sơ Đồ Nguyên Lý và Các Thành Phần

Hình 3. Sơ đồ của một giao thoa kế dị năng cơ bản. Trong đó gồm: bộ tách chùm tia BS; Bộ tách chùm tia phân cực PBS; Tấm sóng phần tư QWP; FR và TR, cố định và mục tiêu hồi lưu phản xạ, tương ứng là bộ phân cực P1 và P2; Bộ tách sóng quang PD1 và PD2. Cấu hình cơ bản của giao thoa kế heterodyne được trình bày trong Hình 1.4 Một laser He-Ne ổn định Zeeman phát ra hai chùm tia đồng trục tuyến tính phân cực trực giao với hai tần số hơi khác nhau (f1 và f2). Hai chùm tia riêng phần này được biểu thị dưới dạng sóng phẳng. E1 = E01 cos (2πf1t) , E2 = E02 cos (2πf2t). Một bộ tách chùm (BS) chia chùm tia tới thành hai phần (phần phản xạ và phần truyền qua). Phần phản xạ đi qua bộ phân cực (P1) và đến bộ tách sóng quang (PD1). Vì trục phân cực của P1 được định hướng bằng 45 so với trục phân cực của hai chùm tia nên thành phần phân cực có tần số f1 và f2 trong trục này giao thoa với nhau. Tại PD1, tín hiệu nhiễu được tạo ra.

3.2. Tính Toán và Lựa Chọn Thiết Bị Nguồn Laser Bộ Tách Chùm Gương Phản Xạ

Với hệ quang học đặc biệt là hệ quang sử dụng laser để đo lường, nguồn laser là chi tiết quan trọng cần được lựa chọn và chỉ định đầu tiên trước khi lựa chọn các thiết bị khác. Với yêu cầu của hệ giao thoa kế heterodyne sử dụng nguồn ổn định tần số, nguồn laser He-Ne là loại nguồn ổn định, phù hợp để sử dụng theo yêu cầu đặt ra. Trong thiết kế này, nguồn laser He-Ne Zygo ZMI 7705 được lựa chọn và sử dụng làm nguồn phát cho hệ giao thoa. 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 thông thu ít nhất ≥ 1,5 lần beat- frequency.

IV. Quy Trình Đo Dịch Chuyển Với Hệ Thống GTK Heterodyne

Quy trình đo dịch chuyển bằng hệ thống GTK Heterodyne bao gồm các bước: Gá đặt chi tiết lên đồ gá, lắp đặt hệ quang học, ghép nối với hệ đo và thiết bị cấp điện áp dịch chuyển. Sau khi lắp đặt hệ quang theo sơ đồ, 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 đầu ra Function generator với cổng EXT IN của drive KPZ101 và nối HV Out của KPZ101 với PZT stage NFL5DP20/M. Khởi động 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. Quy trình đo phải được thực hiện cẩn thận để đảm bảo kết quả chính xác và tin cậy. Kết nối các thiết bị đúng cách là yếu tố then chốt trong quy trình này.

4.1. Chuẩn Bị Gá Đặt Chi Tiết Lắp Đặt Hệ Quang Học và Kết Nối Thiết Bị

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 đầu ra Function generator với cổng EXT IN của drive KPZ101.

4.2. Thực Hiện Đo Cấp Điện Áp Tạo Dịch Chuyển và Thu Thập Dữ Liệu

• 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. Chọn mục “Load”, tích vào ô trống để chọn thiết bị kết nối rồi click vào ô “Load” để xác nhận.