Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser michelson372

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN1.Tính cấp thiết của đề tài luận án Thiết bị đo và phân tích bằng phổ bức xạ hồng ngoại là một phương tiện đo hiện đại, sử dụng trong phân tích thành phần chất hóa học

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1.Tính cấp thiết của đề tài luận án

Thiết bị đo và phân tích bằng phổ bức xạ hồng ngoại là một phương tiện đo hiện đại, sử dụng trong phân tích thành phần chất hóa học hoặc giám sát khí thải của các nhà máy công nghiệp hay các vụ

nổ hóa chất Trong thiết bị này kết hợp giữa kỹ thuật quang học, cơ khí và xử lý tín hiệu bằng máy tính Hiện nay, trên thế giới có một số phương pháp đo bức xạ này như đo trực tiếp, đo hệ số hấp thụ qua mẫu… Phương pháp đo phổ hồng ngoại bức xạ có nhiều ưu điểm như không tiếp xúc, không cần lấy mẫu và xử lý mẫu trước khi đo Trong lĩnh vực an ninh và quân sự, các thiết bị này được trang bị để đảm bảo phát hiện sớm và cảnh báo các nguy cơ có thể sử dụng khủng bố bằng hóa chất hay qu n địch có sử âdụng vũ khí hóa học Để nghiên cứu ứng dụng công nghệ này, trong luận án sẽ nghiên cứu làm rõ cơ sở khoa học của hệ thống đo, xác định những giải pháp nâng cao độ ổn định của tín hiệu và kết quả đo tính toán thiết kế và chế tạo mô hình thử nghiệm

2 Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích của đề tài: Đề tài nghiên cứu tìm hiểu phương pháp đo phổ bức xạ hồng ngoại bằng giao

thoa kế laser Michelson dựa trên nguyên lý đo bức xạ Trên cơ sở đó đề xuất các giải pháp để nâng cao độ phân giải của phép đo, tính toán lựa chọn các thiết bị của hệ thống quang học và cơ khí Lựa chọn một số thiết bị xây dựng hệ thống đo phù hợp với điều kiện tại Việt Nam

2.2 Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu trên cơ sở giao thoa kế Michelson, nghiên

cứu các kỹ thuật cơ khí để xây dựng hệ thống đo phổ bức xạ hồng ngoại Tiến hành đo khảo sát nguồn hồng ngoại MIR trong dải bước sóng = (2÷ 15) m  Khảo sát, kiểm tra thử nghiệm của một số nguồn bức xạ nhiệt một số chất hóa học có nhóm ch và phát xạ trong vùng bước sóng này., ất

2.3 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm và kiểm chứng Trên cơ sở tính toán thông số, tiến hành thử nghiệm kiểm tra các thông số, đánh giá và phân tích các số liệu đo được Kiểm tra hiệu chỉnh và lựa chọn các thông số tối ưu cho hệ thống

2.4 Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu thử nghiệm các giải pháp dịch chuyển gương động, khảo sát tính hiệu giao thoa khi thay đổi hiệu quang lộ, tính toán mô tả các tín hiệu giao thoa của nguồn bức xạ nhiệt, các giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu và giảm tác động của nhiễu do dao dộng bên ngoài

Khảo sát hoạt động của hệ thống với một số nguồn hồng ngoại trong phạm vi =(2 ÷ 15) µ m

3 Nội dung nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết các vấn đề khoa học sau:

- Phân tích đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp đo phổ hiện có, lựa chọn và thiết

kế sơ đồ phương pháp đo theo mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu tính toán các thông số và yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ thống và các giải pháp nâng cao độ chính xác của phép đo

- Nghiên cứu và làm rõ nguyên lý ứng dụng kỹ thuật điều biến pha trong hệ thống đo

- Xây dựng mô hình thực nghiệm, kiểm tra nguyên lý hoạt động của hệ thống đo bức xạ hồng ngoại

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Luận án đã đề xuất sử dụng nguyên lý giao thoa kế Michelson để đo bức xạ hồng ngoại, trên cơ

sở đo đã kết hợp sử dụng nguồn sáng laser và phân tách thành 2 tín hiệu lấy mẫu đồng bộ Kết quả này cho phép tăng độ phân giải của phép đo gấp 4 lần, đây cũng là kỹ thuật mới có thể áp dụng cho các hệ

đo quang học bằng phương pháp giao thoa Luận án cũng đã đề xuất được giải pháp kỹ thuật điều biến pha để nâng cao chất lượng tín hiệu Trong quá trình thực hiện đã sử dụng kỹ thuật giảm chấn bằng bàn giảm chấn 2 cấp cho hiệu quả giảm chấn cao, loại bỏ 90% lực kích động bên ngoài

Nội dung nghiên cứu luận án đã đề cập đến vấn đề đo và phát hiện các bức xạ hồng ngoại, đây

là một nội dung nghiên cứu khó khăn Hiện nay hầu hết các kỹ thuật và thiết bị nghiên cứu về hồng ngoại đang được phát triển đặc biệt là các bức xạ trong vùng hồng ngoại trung bước sóng =(3÷25)µm Đây là vùng bước sóng cho thông tin về đối tượng đo như nhiệt độ làm việc của các hệ thống máy móc, trang thiết bị vũ khí và một số bức xạ của các chất hóa học Do vậy, nội dung nghiên cứu của luận án đã góp phần và việc tìm hiểu, khai thác làm chủ kỹ thuật trang thiết bị và khả năng chế tạo thiết bị trong o điều kiện tại Việt Nam

Những nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1:Tổng quan về nguồn bức xạ hồng ngoại và phương pháp đo phổ hồng ngoại

Chương 2: Phương pháp đo phổ bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa kế Michelson.

Chương 3: Kỹ thuật điều biến pha trong phương pháp đo phổ hồng ngoại

Chương 4: Chế tạo mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả.

5 Những kết quả của luận án

- Luận án đã nghiên cứu đề xuất sơ đồ đo phổ bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa laser

- Xây dựng công thức tính toán các thông số của hệ thống đo phổ hồng ngoại

- Thiết kế chế tạo bàn giảm chấn làm giảm các lực kích động ảnh hưởng đến tín hiệu đo

- Chế tạo thành công thiết bị đo phổ bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson

- Với nghiên cứu trên, luận án đã thực hiện các nội dung của phương pháp đo Đây là phương pháp đo mới, hiện tại trên thế giới chỉ có 1 số rất ít các nước nghiên cứu và phát triển Nghiên cứu này mở ra những khả năng ứng dụng và chế tạo phù hợp với điều kiện tại Việt Nam

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI VÀ THIẾT BỊ ĐO

BỨC XẠ HỒNG NGOẠI

1.1.Đặt vấn đề

Trên cơ sở mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án, trong chương này các tính chất cơ bản

và ứng dụng của bức xạ hồng ngoại sẽ được tác giả trình bày

1.2 Nguồn bức xạ hồng ngoại

Bức xạ hồng ngoại là một loại bức xạ điện từ (Electric Magnetic Radiation, EMR) với bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy do đó không nhìn thấy được, nó còn được gọi là ánh sáng hồng

ngoại Dải bước sóng từ = 0,78 µm đến  =1000 µm, tần số phát ra từ 300 GHz đến f= f=430 THz Dựa vào dải bước sóng và có các phân loại vùng như sau:

Bảng 1.1 Phân vùng bước sóng hồng ngoại

Do tính chất của bức xạ điện từ nên tất cả các tia hồng ngoại tuân theo định luật bức xạ Plank Mọi vật khi nung nóng sẽ bức xạ sóng điện từ, nhiệt độ vật càng cao thì bước sóng bức xạ phát ra càng ngắn 1.3 Thiết bị đo phổ hồng ngoại

Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại được xây dựng

và phát triển từ những năm 1940 Giao thoa kế được

sử dụng để đo bức xạ từ các thiên thể và các nhà khoa

học tạo ra phổ bằng biến đổi Fourier lần đầu vào năm

1949 Trong thời gian này nhiều loại giao thoa kế

được sử dụng như giao thoa kế Michelson, Fabry

thoa kế Fabry-Perot1.4 Ứng dụng hồng ngoại trong phân tích phát hiện các chất hóa học

Một số vật chất tồn tại những tính chất

riêng biệt như phát xạ, bức xạ ra những dao động

với các tần số khác nhau thể hiện ở các liên kết

hóa học của chúng Vì vậy, lợi dụng tính chất này

mà người ta có thể phát hiện ra chúng thuộc loại

nào hay có thể tính toán được nồng độ của chúng,

thông qua việc đo và phân tích bằng phổ hồng

ngoại

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên máy hồng ngoại

phương pháp hấp thụ Phương pháp đo phổ bức xạ hồng ngoại Một trong những ứng

dụng khác người ta có thể tiến hành đo và phân tích phổ của một vật ở vị

trí xa Thiết bị đo phổ hồng ngoại được bố trí ở cách vị trí cần đo xa trong

không gian và tiến hành đo, nếu có một bức xạ nào đó phát ra mà nhiệt độ

của chúng lớn hơn nhiệt độ nền của môi trường thì tín hiệu này sẽ được

thu nhận về máy và tiến hành phân tích và nhận dạng dưới dạng phổ bước

sóng Nếu phát hiện có các phổ trùng với bước sóng có trong thư viện phổ

cho trước thì máy sẽ phát ra tín hiệu cảnh báo Trên hình, thiết bị đo này

được sử dụng cho các lực lượng làm nhiệm vụ trinh sát hoặc cơ động

trên các thực địa

Hình 1.3: Giám sát các mục tiêu cố định

1.5 Một số sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại

Với sơ đồ trên máy đo hãng Thermo hình

1.4 nguồn sáng chủ động là nguồn IR đi qua hệ

giao thoa qua mẫu đo tới detector Nguồn laser là

nguồn song song với nguồn IR, cách bố trí này

cũng cho thấy phần giao thoa cũng được bố trí cách

biệt với mẫu đo Tuy nhiên tín hiệu sau giao thoa

được chiếu qua mẫu đo và đầu thu được đặt đối

xứng Nguyên lý này đo theo nguyên lý hấp thụ

bước sóng

Trên hình 1.5 sơ đồ máy đo hãng Shimadzu

cũng cho thấy hệ giao thoa cũng được bố trí riêng

biệt Gương động dịch chuyển thẳng, Detector đặt

sau mẫu đo

Cũng tương tự như các sơ đồ trên, nguồn

một nguồn sáng chủ động được phát ra ngay trong

hệ quang, do vậy hoàn toàn có thể kiểm soát được

các thông số đo của hệ thống như sơ đồ hãng Jasco

và Oriel-Newport, hình 1.6 và hình 1.7

Qua khảo sát một số nguyên lý đo nhận

thấy, phương pháp đo chung là sử dụng giao thoa

kế Michelson với gương động dịch chuyển thẳng

làm thay đổi quang lộ Với sơ đồ đo hãng Thermo

và Shimadzu sử dụng gương phản xạ trong giao

thoa là gương phẳng, Hãng Jasco và Oriel sử dụng

gương góc Việc sử dụng gương phẳng hay gương

góc đều có các ưu nhược điểm Với gương phẳng,

chế tạo dễ dàng, các gương này thường được phủ

lớp phản xạ ngay trên mặt cho hệ số phản xạ lớn

Với nguyên lý này thông thường chỉ sử

dụng một nhánh laser để hiệu chỉnh hệ quang và

sử dụng lấy mẫu khi đo Tuy nhiên độ phân giải

của phương pháp đo và độ chính xác của thiết bị

còn phụ thuộc vào nhiều các yếu tố khác như: Độ

chính xác các kết cấu cơ khí, độ chính xác của các

linh kiện quang học, độ chính xác của hệ thống xử

lý tín hiệu…

Hình 1.4: Sơ đồ máy đổ hồng ngoại hãng

Thermo

Hình 1.5: Sơ đồ máy đổ hồng ngoại hãng

Shimadzu

Hình 1.6: Sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại hãng

Jasco

Hình 1.7: Sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại hãng

Oriel-Newport

1.6 Kỹ thuật dịch chuyển thay đổi quang lộ trong hệ giao thoa

Với các hệ đo này, tín hiệu đo được thu nhận trong hệ giao thoa là do sự thay đổi hiệu quang lộ giữa hai nhánh, bao gồm tia đo và tia tham chiếu Chính vì vậy để tạo ra sự thay đổi này thông thường người ta cho dịch chuyển gương động, hình 1.13

Hình 1.8: Sơ đồ kỹ thuật dịch chuyển gương động thay đổi quang lộ

Kỹ thuật này sử dụng các cơ cấu cơ khí để làm dịch chuyển gương động thay đổi quang lộ theo đường thẳng Các cơ cấu này có thể sử dụng như: biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Ngoài ra, còn có thể sử dụng các loại truyền động khác như động cơ cuộn cảm voice coil, hoặc động cơ PZT

Yêu cầu chính trong kỹ thuật sử dụng quay gương phản xạ là các gương phản xạ sử dụng phải là gương góc vì khi quay gương làm lệch hướng của tia tới, do đó, yêu cầu sử dụng gương góc để tia phản

xạ và tia tới luôn song song với nhau

a- K thuỹ ật quay gương b- K thu t t o d ch chuy n th ng ỹ ậ ạ ị ể ẳ

Hình 1.9: Kỹ thuật dịch chuyển gương động 1.7 Ưu điểm của máy đo phổ FT IR sử dụng giao thoa kế Michelson-

1.7.1 Độ phân giải và độ chính xác cao

Máy phân tích phổ hồng ngoại xác định bước sóng cần đo bằng cách so sánh trực tiếp với bước sóng laser He-Ne Tất cả các bước sóng cần xác định được tính toán từ bước sóng đã biết của He-Ne laser (0,632 μm) bởi vì trục số sóng (nghịch đảo của bước sóng), đồ thị giao thoa được biểu diễn theo bước sóng của laser Bước sóng He-Ne hoàn toàn xác định với độ chính xác cao cũng như có độ ổn định cao

1.7.2 Đa bước sóng

Đa bước sóng là ưu điểm vượt trội của máy phân tích phổ hồng ngoại Mỗi điểm trên đồ thị giao thoa chứa thông tin của tất cả bước sóng của bức xạ cần đo Nói cách khác, nếu 1000 điểm dữ liệu được lấy trên đồ thị giao thoa được thì mỗi bước sóng được lấy mẫu 1000

Gương tĩnh

Cơ cấu dịch chuyển Gương động

1.7.3 Năng lượng truyền qua lớn

Hầu kết các kỹ thuật phân tích phổ đều bị giới hạn bởi năng lượng bức xạ đi vào hệ thống

đo Máy đo phổ hồng ngoại yêu cầu năng lượng đi vào hệ thống lớn bởi vì ảnh hưởng từ nhiễu của môi trường và nhiễu cảm biến lớn

1.8 Kỹ thuật thu nhận và xử lý số liệu đo

Trong tất cả các thiết bị, ngoài việc xây dựng thiết bị và thiết kế hệ thống, một yêu cầu quan trọng là việc thu nhận và xử lý tín hiệu đo Trong các phương pháp và kỹ thuật xử lý tín hiệu, thông thường nếu tín hiệu đủ lớn đến ngưỡng tối thiểu phát hiện của các detector thì việc xử lý khá thuận lợi cho quá trình lấy ra tín hiệu

1.9 Các giải pháp ổn định về rung động và chống nhiễu khi đo

Đối với các hệ đo quang học thông thường đều phải được bảo đảm để ổn định khi đo Các phương pháp hiện nay là sử dụng các kỹ thuật cách ly bằng việc khử các tần số rung động ảnh hưởng đến tín hiệu đo

Hình 1.18: Bàn cách ly

bằng đệm cao su

Hình 1.19: Bàn cách ly bằng đệm lò xo

Hình 1.20 Bàn cách ly bằng đệm khí1.10 Kết luận

Trên cơ sở nghiên c u t ng quan v thi t b ứ ổ ề ế ị đo phổ ồ h ng ngo i, luạ ận án đã khảo sát m t s các thi t ộ ố ế

b hi n có t i Viị ệ ạ ệt Nam cũng như việc phát tri n thi t b này trên th ể ế ị ếgiới Máy phân tích ph h ng ngoổ ồ ại cho thấy đây là một công c h u ích và ph c v nhi u mụ ữ ụ ụ ề ục đích khác nhau

1.11 Hướng nghiên cứu của luận án

Luận án thực hiện nghiên cứu theo phương pháp đo bằng giao thoa Michelson Trên cơ sở tính toán lựa chọn các thông số của hệ quang Nghiên cứu lập sơ đồ hệ thống đo, mô phỏng tính toán và lựa chọn các thông số cho hệ đo Lựa chọn các giải pháp thu điều khiển dịch chuyển gương động và thu nhận tín hiệu Tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm, đo và khảo sát trên một số mẫu thử và đánh giá khảo sát hoạt động hệ thống đo Kiểm tra thử nghiệm với một số nguồn phát xạ bước sóng hồng ngoại trong vùng =(2÷15) µm

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÁY ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI

BẰNG GIAO THOA KẾ MICHELSON LASER 2.1 Đặt vấn đề

Trong chương này, luận án tập trung phân tích làm rõ nguyên lý làm việc cũng như ưu nhược điểm của máy đo phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế Michelson

2.2 Giao thoa kế Michelson

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa Michelson

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson2.2.2 Sự thay đổi của cường độ của ảnh giao thoa

Cường độ điện trường của bức xạ điện từ trường đơn sắc lan truyền trong không gian được biểu diễn như sau:

Trong đó: là tần số của bức xạ, là vector vị trí, r c=3.108 m/s là vận tốc của bức xạ lan truyền trong không gian Khi bức xạ đơn sắc được chuẩn trực và đi vào giao thoa kế Michelson, điện trường của bức xạ lan truyền trong hai nhánh của giao thoa kế được biểu diễn như sau:

2.3 Máy phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ sử dụng giao thoa kế Michelson

Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của

máy đo phổ ồ h ng ngo i h p th s d ng ạ ấ ụ ử ụ

giao thoa k Michelson Trong giao thoa k ế ế

Michelson s d ng nguử ụ ồn đơn sắc, cường

độ ủ c a tín hiệu giao thoa thay đổi theo hàm

Sin c a hi u quang l ủ ệ ộ giữa hai nhánh

Đồ thị giao thoa là sự chồng chất của hai

sóng dạng Cos trong miền không gian và do

đó biến đổi Fourier cho phép xác định hai

thành phần này là hai vạch trong miền tần

số Khi nguồn bức xạ phát ra một dải bước

sóng, đồ thị giao thoa là chồng chất của rất

nhiều sóng dạng Cos và do đó hình bao của

đồ thị giao thoa có dạng hàm mũ của cơ số

tự nhiên Khi phổ bức xạ của nguồn càng

rộng (nhiều bước sóng) thì độ rộng của

đường bao đồ thị giao thoa càng hẹp và

ngược lại (hình 2.2) Hình 2.2 Biến đổi Fourier từ đồ thị giao thoa của nguồn bức xạ

2.4 Xây dựng sơ đồ đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa Michelson

PD-1, PD-2, PD-3 : Cảm biến laser Photodiode

LIA-1 : Bộ trích xuất đồng bộ và khuếch đại

M3

Voice coil

M2 BS3

S11 S11'

S11' S12'

IR1 IR1'

IR1' IR2'

G3

PC

S22 S22' S21'S22'

S21 S21'

IR F1

G5

PD-1

AD-1 PD-2

AD-2 PD-3

AD-3

PBS4 G6

DAQ



FG

2.4.2 Mô tả hoạt động hệ thống đo

Nguồn sáng laser S đến lăng kính chia chùm BS1 tách thành hai tia S1 và S2 Tia S1 đi thẳng đến gặp gương phản xạ G3 và đến tấm chia chùm BS3 Tại đây tia S1 tách thành tia S11 và S12, tia S11 tới gương tĩnh M3 và phản xạ về tấm chia chùm BS3 thành tia S11’ Tia S12 đến gương động M1 và phản xạ thành tia S12’ Hai tia S11’ và tia S12’ phản xạ trên tấm chia chùm BS3 và giao thoa với nhau tới gương phản xạ G4 và tới G5, sau khi ra khỏi G5 nguồn sáng này được thu bởi 1 photodiode PD-1, tín hiệu này được qua bộ khuếch đại AD 1 chuyển thành tín hiệu xung đưa vào bộ DAQ chuyển vào -máy tính Khi hoạt động tín hiệu này dùng để kiểm tra hệ giao thoa trước khi đo tín hiệu hồng ngoại Tia sáng S2 tới gương phản xạ G1 và G2 đến tấm chia chùm BS2 Tại đây, tia S2 tách thành tia S21 và S22 Tia S21 tới gương tĩnh M2 và phản xạ thành tia S21’ Tia S22 tới gương động M1 và phản xạ thành tia S22’ Hai tia S21’ và S22’ gặp nhau tại tấm chia chùm BS2 và giao thoa với nhau Trong thiết kế này, nguồn laser là nguồn phân cực thẳng theo phương đứng, khi đến tấm BS hai tia S21 và S22 sẽ tách thành

2 tia giữa nguyên hướng phân cực như ban đầu Khi tia S21 đi qua tấm /4, tại vị trí hướng trục quang học trục nhanh của tấm /4, nguồn sáng này sẽ biến đổi thành phân cực tròn Hai tia S21’ và S22’ gặp nhau và giao thoa với nhau Nguồn sáng này đi tới ấm chia phùm phân cực PBS4, tại đây tín hiệu giao tthoa được tách thành 2 nhánh và xoay với nhau góc =900, tia đi thẳng có phương phân cực theo phương

Y so với quang trục Tín hiệu này được thu nhận bởi photodiode PD-2, cho hàm Sin, qua bộ chuyển đổi AD-2 tới bộ DAQ và đưa vào máy tính Tia thứ hai có hướng phân cực theo phương X cho hàm Cos, sau khi phản xạ trên gương G6 tới photodiode PD-3, qua bộ chuyển đổi AD 3 tới bộ DAQ và đưa vào -máy tính Hai tín hiệu sinh ra từ nguồn sáng S2 sẽ được sử dụng để tham chiếu và lấy mẫu đồng bộ với nguồn hồng ngoại Nguồn đo hồng ngoại IR là nguồn dải rộng như một chùm sáng đi qua tấm lọc filter F1 Tấm lọc này có tác dụng loại bỏ những ánh sáng không nằm trong vùng hồng ngoại Nguồn sáng IR này đi tới tấm chia chùm BS3 Tại đây tách thành hai chùm sáng IR1 và IR2 Chùm sáng IR1 tới gương tĩnh M3 và phản xạ thành IR1’, chùm sáng IR2 tới gương động M1 và phản xạ thành IR2’ Hai chùm sáng gặp nhau tại tấm chia chùm BS3 và giao thoa với nhau thành nguồn sáng IR’, nguồn sáng này tới gương hội tụ parabol P, tại tiêu điểm của parabol P đặt cảm biến hồng ngoại MCT Tín hiệu này được đưa qua bộ trích xuất đồng bộ và khuếch đại khóa tần số LIA 1 và chuyển thành tín hiệu đưa vào bộ -DAQ và chuyển vào máy tính PC

Máy phát tần số FG là thiết bị tạo ra dao động với 1 tần số tham chiếu fr Tần số này được cấp đồng thời cho động cơ voice coil VC và bộ LIA 1 Khi dao động này cấp cho động cơ VC hoạt động và - -tạo thành chuyển động dọc theo quang trục Gương động có dạng hình tròn và được gắn với trục chuyển động và đồng tâm với nhau, đồng thời cũng được liên kết với động cơ VC cùng quang trục Khâu động của hệ dịch chuyển này và giá máy được nằm trong một đệm khí Quá trình dịch chuyển của gương do hàm dao động từ máy phát tần số FG tạo nên 1 chuyển động dọc theo quang trục làm thay đổi quang lộ trong hệ giao thoa

2.4.3 Đo và lấy mẫu tín hiệu

Tín hiệu PD1 sử dụng để căn chỉnh hệ trước khi đo

Quá trình lấy mẫu của hệ thống khi đo là kết hợp giữa tín hiệu laser từ PD-2 và PD-3

Dựa trên những phân tích về tín hiệu giao thoa của nguồn đơn sắc ở trên tín hiệu giao thoa thu được tại các cảm biến PD1, PD2 và PD3 được biểu diễn như sau:

từ đó xác định được bước sóng của bức xạ cần đo Với sơ đồ nguyên lý trên, nguồn laser S là nguồn phân cực thẳng theo phương thẳng đứng Y so với trục quang, khi qua tấm chia chùm PBS4 sẽ tạo ra phân tách thành 2 nguồn sáng theo 2 phương ngang và dọc

Trong nguyên lý này ta nhận thấy trên sơ đồ cả hai nguồn sáng Laser và hồng ngoại IR đều phản

xạ trên gương động M1 Do đó, sự biến đổi hiệu quang lộ khi dịch chuyển M1 là đồng thời, chùm hồng ngoại được coi là một nguồn sáng độc lập với nguồn laser và tần số giao thoa của nguồn hồng ngoại khi gương động thay đổi cũng được xác định như sau:

(ir) (ir)

2

gt

Vf

(ir)

4* gt lr

gt

ff



2.4.5 Khảo sát hoạt động của hệ Laser

Để kiểm tra hoạt động của hệ thống laser như được mô tả hình 2.13 hệ quang được thiết lập vàtiến hành thử nghiệm sơ đồ như sau:

Hình 2.4 Khảo sát hoạt động hệ giao thoa Laser

Nguồn sáng laser đến được cho qua 1 tấm phân cực để xác định hướng phân cực là hướng thẳng đứng theo phương Y so với trục quang, sau khi phản xạ trên tấm chia chùm BS thành 2 tia Tia thứ nhất

đi thẳng đến gương động trở lại BS phản xạ trên BS Tia thứ 2 đi qua tấm /4 tới gương tĩnh, trở lại tấm

/4, tới BS và giao thoa với nhau, chùm gi thoa này đến gặp tấm chia chùm PBS tách thành 2 nhánh ao Nhánh thứ nhất được phân tách và phân cực theo phương Y, tại đầu ra đặt cảm biến Photo diode ta thu nhận được tín hiện làm hàm Sin Nhánh thứ 2 được phân tác và phân cực theo phương X, tại đây đặt h cảm biến Photo diode ta thu được tín hiệu hàm Cos Như vậy hai tín hiệu lệch pha nhau là π/2

2.5 Thu nh n và x lý tín hiậ ử ệu đo phổ ứ b c ạ ồx h ng ngo i ạ

M t trong nh ng yêu c u quan tr ng c a h ộ ữ ầ ọ ủ ệthống đo

là thu nh n và biậ ến đổi tín hiệu đo thành số u Trong liệ

nghiên cứu này như đã trình bày ở trên, các tín hiệu của hệ

đo hồng ngoại sẽ được rời rạc hóa thành các số liệu rời rạc

và thu thập lại thành tập số liệu đưa vào máy tính sau đó,

thực hiện các biến đổi để thành số liệu đo

Hình 2.5 Mô tả tín hiệu được lấy mẫu

Như đã trình bày, tín hiệu giao thoa I1(ir) sẽ được rời rạc hóa theo định luật lấy mẫu Shannon, tín hi u này sau khi r i r c hóa thành tín hiệ ờ ạ ệu I1(ir), các giá tr ị này chính là cường độ Ii

Nyquist-của bước sóng i khi gương động d ch chuy n v i hi u quang l ị ể ớ ệ ộli

2.6 ng d ng vào h Ứ ụ ệ đo phổ ồ h ng ngo i ạ

Như vậy tín hiệu giao thoa hồng ngoại I(ir) đã được rời rạc hóa thành tín hiệu số X(n) thông qua tín hiệu laser I(x), thời điểm lấy mẫu được xác định bằng việc ghi nhận kết hợp đồng thời 2 tín hiệu PDF-2 và PD-3 khi qua mức “ ” Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng giải thuật sau:0

Procerdure Lay_mau();

PD1, PD2,PD3: Boolean; {biến kiểm tra tín hiệu laser}

T-PD: Boolean; {biến kiểm tra tín hiệu mức 0}

PD2input(DAQ-2; {đọc tín hiệu PD2 từ DAQ}

PD3input(DAQ-3; {đọc tín hiệu PD3 từ DAQ}

T-PD=PD2 and PD-3 ; { kết hợp 2 tín hiệu, phép loggic}

Case : 0-0 {lấy mẫu trạng thái # 1}

X[i]= input_DAQ(ir) {đọc giá trị cường độ IR}

T[i]= input_time; {lưu giá trị thời gian}

Case : 0-1 {lấy mẫu trạng thái #2}

X[i]= input_DAQ(ir) {đọc giá trị cường độ IR }T[i]= input_time; {lưu giá trị thời gian }Case : 1-0 {lấy mẫu trạng thái #3}

X[i]= input_DAQ(ir) {đọc giá trị cường độ IR}

T[i]= input_time; {lưu giá trị thời gian }Case : 1-1 {lấy mẫu trạng thái #4}

X[i]= input_DAQ(ir) {đọc giá trị cường độ IR}

T[i]= input_time; {lưu giá trị thời gian }

(filename(T[i],X[i])) Call save_file ; {lưu giá trị tín hiệu vào file dữ liệu}

End; {kết thức chương trình}

Giải thuật trên đây cho phép thu nhận tín hiệu từ detector IR thông qua trạng thái của 2 tín hiệu laser PD-3 và PD3 Chương trình này được trình bày trên cấu trúc dữ liệu và giải thuật để áp dụng cho bất kỳ ngôn ngữ lập trình nào cũng có thể cài đặt được

2.7 X lý tín hi u b ng phép biử ệ ằ ến đổi Fourier

Trong h o này ta s d ng phép biệ đ ử ụ ến đổi Fourier để ến đổ bi i tín hi u mang thông tin là các s ệ ốsóng đã được thu nh n củ ậậ a t p các giá tr s sóng và s ị ố ự thay đổi quang l trong h giao thoa T các tộ ệ ừ ập

s ốliệu đã được mã hóa trên s ở ẽ là đầu vào cho công đoạn bi n t ế ừmiền th i gian sang mi n t n s ờ ề ầ ố

2.8 Kết luận chương 2

Trong nội dung này, luận án đã phân tích làm rõ phương pháp đo phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế Michelson Luận án cũng đã trình bày chi tiết các nguyên lý đo khi sử dụng hiệu ứng giao thoa Phân tích các mối quan hệ liên quan đến việc xác định thay đổi cường độ của ảnh giao thoa, sự thay đổi của vân giao thoa Trên cơ sở tính chất hệ giao thoa, luận án đã trình bày đầy đủ các công thức tính toán như tần số giao thoa, mối quan hệ giữa tần số và bước sóng trong hệ giao thoa Đồ thị giao thoa của laser được xây dựng bằng cách thu nhận đồng thời cường độ giao thoa lệch pha /2 từ 2 cảm biến Các tính toán này sẽ được thử nghiệm và kiểm tra trong các nội dung tiếp theo của luận án

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG PHỔ HỒNG NGOẠI

BẰNG KỸTHUẬT ĐIỀU BIẾN PHA

3.1 Đặt vấn đề

Các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu đ bao gồm ảnh hưởng từ các nguồn nhiệt của môi ó trường hay ảnh hưởng của chính bức xạ laser dùng trong hệ thống Trong các phương pháp điều biến, cần xác định tần số và biên độ điều biến để thu được tín hiệu giao thoa tốt nhất Trong chương này, tác giả luận án đề xuất giải pháp lựa chọn bộ thông số điều biến tối ưu

(

N

L N

n

n jke n x k

1 ) (

N

N L

k

n jk

e n

N

