Hướng dẫn thí nghiệm môn học kỹ THUẬT LASER TRONG CHẾ tạo cơ KHÍ

Thiết bị thí nghiệm :  Dụng cụ đo khoảng cách bằng laser cầm tay Leica DISTO A2  Chi tiết đo mẫu chốt trụ có đường kính d theo hình vẽ 1.3  Mô tả thiết bị đo, ảnh chụp và các bộ phận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRONG CHẾ TẠO CƠ KHÍ

Họ và tên sinh viên:

Mã lớp học:

Mã lớp thí nghiệm:

Hà nội, 2015

Bài I

ĐO KÍCH THƯỚC LỚN CỦA BỘ PHẬN VÀ CHI TIẾT MÁY BẰNG

LASER THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI PHA Mục đích:

- Sinh viên hiểu được phương pháp đo kích thước lớn của các bộ phận hoặc chi tiết máy theo phương pháp biến đổi pha.

- Biết cách sử dụng dụng cụ đo khoảng cách bằng tia laser

Thiết bị thí nghiệm :

 Dụng cụ đo khoảng cách bằng laser cầm tay Leica DISTO A2

 Chi tiết đo mẫu chốt trụ có đường kính d theo hình vẽ 1.3

 Mô tả thiết bị đo, ảnh chụp và các bộ phận

Nội dung thí nghiệm:

- Tìm hiểu và nắm được nguyên lý hoạt động của dụng cụ đo

- Thực hiện phép đo trực tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L

- Thực hiện phép đo gián tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L

Trình tự thí nghiệm:

1 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của thiết bị đo

 Nguyên lý hoạt động của dụng cụ đo

Phương pháp đo này dựa trên nguyên lý đo quãng thời gian đi về của xungánh sáng laser Sơ đồ nguyên lý chung của các thiết bị kiểu này như hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách lớn bằng xung laser

Tia laser từ nguồn được điều biến thành dạng xung vuông ngắn có độ rộngxung phụ thuộc vào độ chính xác cần đo Khi xung laser đi qua bộ lấy mẫu, mộtxung mẫu được tách ra đưa đến khởi động bộ đếm thời gian của bộ xử lý tín hiệu

đo Xung laser đo được truyền đến vật cần đo đặt ở khoảng cách cần đo L Sau khiphản xạ lại sẽ được thu trên hệ quang điện P và đưa đến bộ xử lý tín hiệu đo đểdừng bộ đếm thời gian Khoảng cách đo L tương ứng với một nửa quãng đường đicủa xung laser:

L = c.t / 2

- c là vận tốc ánh sáng trong không khí 2,83.108 m/s

- t là thời gian đi và về của xung laser

Do vận tốc của ánh sáng lớn nên độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độchính xác của phép đo thời gian và chất lượng của dạng xung laser.

(4).Kết quả đo

(3).Đơn vị đo

(2).Thiết lập gốc tọa độ

(8).Đèn chiếu sáng màn hình

(7).Đo diện tích

(9).Xóa màn hình

(5).Tổng các lần đo (6).Hiệu các lần đo

(1).Khởi động thiết bị đo

2 Đo trực tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L

 Bước 1: Gá hai chốt trụ vào hai lỗ, cài đặt dụng cụ đo laser khoảngcách sao cho gốc tọa độ ở phần cuối của dụng cụ đo

 Bước 2: Đặt dụng cụ đo lên một đầu của chốt hướng tia laser về phíachốt còn lại, bấm nút ON/DIST sao cho tia laser có phương trùng với đường nốihai tâm chốt Bấm nút ON/DIST lần thứ 2 và đọc chỉ thị hiển thị trên màn hình củadụng cụ đo ta được khoảng cách từ gốc tọa độ đo đến chốt A

Lặp lại thao tác trên 5 lần và ghi kết quả vào bảng 1.1

Khoảng cách hai tâm lỗ L sẽ là:

L  A + d

3 Đo gián tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L

Có những chi tiết không thể thực hiện đo khoảng cách hai tâm lỗ theo phươngpháp đo trực tiếp ta có thể đo khoảng cách gián tiếp như sau: thiết bị gồm hai chốttrụ đường kính d Và một thước tròn T có 4600 xung trên một vòng chia 360o thiết

bị đo được gắn lên thước để đo góc quay  giữa hai phương của kích thước l1 và l2

Để đo được góc quay  ta đếm số xung trên dụng cụ đo góc do đó góc  được tínhbằng công thức:

Thước tròn

Chốt trụ

Dụng cụ đo Chi tiêt đo

360 4600

Hình 1.5: Sơ đồ đo khoảng cách gián tiếp

 Bước 1: Gá hai chốt trụ vào hai lỗ, đặt dụng cụ đo laser khoảng cáchlên đĩa chia độ

 Bước 2: Bấm nút ON/DIST chiếu tia laser về phía chốt trụ thứ nhấtsao cho phương của tia laser trùng với phương của đường nối từ tâm đĩa chia độđến chốt trụ, cài đặt dụng cụ đo laser sao cho gốc tọa độ ở phần đầu của dụng cụ

đo, set 0 cho vị trí của dụng cụ đo với đĩa chia độ bằng cách bấm nút reset trênthiết bị đo góc Bấm nút ON/DIST lần thứ 2 và đọc chỉ thị hiển thị trên màn hìnhcủa dụng cụ đo ta được khoảng cách từ gốc tọa độ đo đến chốt l1 Xoay dụng cụ đo

và hướng tia laser về phía chốt trụ thứ 2 sao cho tia laser đi qua phương của đườngnối tâm chốt trụ thứ 2 và tâm đĩa chia độ Bấm nút ON/DIST và đọc chỉ thị trênmàn hình của dụng cụ đo ta được khoảng cách l2 Xác định vị trí của dụng cụ đotrên đĩa chia độ bằng cách đọc số xung trên dụng cụ đo góc ta đo được góc quaycủa dụng cụ đo 

Lặp lại thao tác trên 5 lần và ghi kết quả vào bảng 1.2

Khoảng cách hai tâm lỗ sẽ là:

Tên học sinh thí nghiệm :

Lớp :

Ngày thí nghiệm :

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

1 Đo trực tiếp kích thước L=1000±1

Bảng số liệu 1-1 Thông số

Lần đo

A(mm)1

2345Giá trị trung

GIỮA NGUỒN NUÔI VÀ CÔNG SUẤT CỦA LASER GaAs.

Nguồn laser GaAs Nguồn điện 1 chiều

Bộ đo công suất

 Nguồn laser GaAs bước sóng 650 nm, P=1 mWhy

 Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dòng điện

Hình 2.1 Ảnh nguồn laser và nguồn nuôi

 Ampe kế điện tử (mA)

 Tấm phân cực

 Thiết bị đo công suất laser

Hình 2.2 Ảnh cảm biến quang điện và nguồn nuôi

Nội dung thí nghiệm:

- Xem xét và mô tả về cấu tạo của laser GaAs

- Xác định độ phân cực của laser GaAs

- Đo sự thay đổi của công suất phát laser GaAs theo dòng

Trình tự thí nghiệm:

1 Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo laser bán dẫn GaAs.

Laser diode bao gồm một đơn tinh thể của Ga –As, kích thích theo dạng tiếpgiáp p-n và được đặt một điện thế ban đầu

Hình 2.3 Cấu trúc đơn giản của diode laser tiếp giáp đơn

Tạo phân bố đảo và tăng khả năng tái hợp lại, khoảng 1mm độ rộng gọi làvùng hoạt động laser, điều quan trọng ở đây là mật độ dòng cao hàng trăm ampetrên mối mm2 Khởi đầu cho sự phát laser được đặc trưng bởi dòng phun gọi làdòng ngưỡng, dưới dòng ngưỡng Ith này, sự phát xạ ánh sáng là tự phát và khôngkết hợp Ở hai đầu của diode được đánh bóng tạo buồng cộng hưởng quang, cáccạnh bên được làm nhám để tán xạ ánh sáng, hình 2.3.

Laser bán dẫn có đặc điểm là công suất và phổ phát xạ phụ thuộc vào dòngnuôi Bởi vậy, việc ổn định dòng nuôi đó là hết sức quan trọng

Trên hình 2.2, là một mạch nguồn điển hình Dòng không đổi nhận được bởi

sự thay thế một diode zener vào chỗ của trở kháng, thường giữa nền và đất Dòng

đi qua laser diode được cho bởi:

I0=VI - VBE/RE

VI : là điện áp phá hỏng của diode zenerVBE : điện áp Bazer- Emiter

RE : trở kháng Emiter

a, b,

Hình 2.4 Mạch nuôi điển hình cho diode laser(a),.

Mạch nguồn 1 chiều điều chỉnh dòng (b)

Laser bán dẫn có điện trở động nhỏ, chỉ một sự thay đổi nhỏ trong điện thếđặt vào sẽ có một sự thay đổi rất lớn trong dòng qua laser Do vậy nguồn nuôi laserthường là nguồn dòng Nguồn dòng nuôi laser phải cấp dòng ổn định và giảm thiểutối đa tác động của xung tức thời

Sự phân cực của ánh sáng qua tấm phân cực

Hình 2.5 Sự truyền của bản phân cực

Các bản phân cực minh họa trong hình 2.5 thực ra là những bộ lọc gồm cácphân tử polymer chuỗi dài định theo một hướng Chỉ có ánh sáng tới dao độngtrong cùng mặt phẳng với các phân tử polymer định hướng bị hấp thụ, còn ánhsáng dao động vuông góc với mặt phẳng polymer thì truyền qua bộ lọc phân cực

Tấm phân cực Nguồn laser

Thước đo góc

Cảm biến quang điện

Bộ đo công suất Giá quang học

2 Xác định tính chất phân cực của laser bán dẫn GaAs.

N

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Laser bán dẫn GaAs T : Thước đo góc

A :Bộ điều chỉnh dòng điện QD:Cảm biến quang điện

Thiết bị thí nghiệm gồm một diot laser GaAs phát chùm tia màu đỏ chiếuvuông góc vào tâm của mặt tấm phân cực Một đĩa chia độ được chia độ từ 0 đến

360o được gắn với tấm phân cực Dùng đo góc quay  giữa phương của vectơ sóngtruyền tới bản cực và quang trục của bản phân cực Để khảo sát sự thay đổi cường

độ của tia laser sau khi truyền qua tấm phân cực ta dùng một cảm biến quang điện

QĐ đặt bên trong một ống che sáng Tia laser truyền qua bản kính phân cực tới rọivào cảm biến quang điện QĐ được đưa vào bộ đo công suất BD Toàn bộ thiết bịthí nghiệm đặt trên một giá quang học G

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Bước 1 : Chiếu tia laser có cường độ dòng nuôi lớn nhất về phía tấm phân cựcgắn trên đĩa chia độ Điều chỉnh cho đĩa chia độ ở 0o Tia laser sau khi qua tấm

phân cực sẽ tới cảm biến quang điện Chọn thang đo 1mV trên bộ đo công suất,trên đồng hồ hiển thị 50 vạch như vậy mỗi vạch tương ứng với 0,02mV Đọc chỉ

số cường độ sáng trên bộ đo công suất và ghi vào bảng 2-1

Bước 2 : Tiếp tục qua tấm phân cực để tăng góc quay  (mỗi lần tăng 20o) từgiá trị ban đầu o đến giá trị = 360o Đọc và ghi giá trị tương ứng của góc quay vàcường độ sáng trong mỗi lần đo vào bảng 2-1

Dựa vào những giá trị đo được của cường độ sáng I và góc quay tương ứng ởbảng 2-1, vẽ đồ thị I=f() Từ đồ thị xác định góc quay có cường độ sáng lớn nhất

Imax và nhỏ nhất Imin từ đó xác định được mặt phẳng phân cực của chùm laser

3 Đo sự thay đổi của công suất phát laser GaAs theo dòng

Sau khi xác định được mặt phẳng phân cực trong thí ngiệm xác định độ phâncực của laser, thiết lập tấm phân cực ở vị trí góc có công suất lớn nhất khi đó độsáng là lớn nhất Tiến hành thí nghiệm bằng cách thay đổi dòng điện cung cấp chonguồn laser và đo sự thay đổi của công suất phát laser bằng cảm biến quang điện Điều chỉnh dòng điện từ giá trị nhỏ nhất Imin đến giá trị lớn nhất Imax

bước I = 1mA

Đọc giá trị đo được của dòng điện và công suất thay đổi tương ứng trên bộ đocông suất ghi vào bảng 2-2

Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của dòng điện nuôi nguồn laser và công suấtthay đổi tương ứng

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI II

Tên học sinh thí nghiệm :

Lớp :

Ngày thí nghiệm :

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

1 Xác định độ phân cực của laser bán dẫn GaAs

Hình 2.8 Đồ thị biểu diễn sự phân cực của laser

2 Đo sự thay đổi của công suất phát laser GaAs theo dòng

I (mA)

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa nguồn nuôi và công suất phát

Bài III

ĐO KÍCH THƯỚC CHI TIẾT NHỎ BẰNG NHIỄU XẠ TIA LASER Mục đích: Sinh viên hiểu được cách đo các chi tiết có kích thước rất nhỏ khoảng từ vài chục m trở xuống như các dây dẫn, chi tiết nhỏ, độ rộng của vạch trên thước quang… bằng hiện tượng nhiễu xạ tia laser.

Thiết bị thí nghiệm :

 Nguồn laser GaAs bước sóng 650 nm, P=1 mW

 Chi tiết đo là độ lớn của các vạch trên thước quang học dùng trong máyCNC: thước quang học là tấm kính mỏng trong suốt với những đường kẻ songsong cách đều nhau trên đó Khoảng cách d giữa hai vạch đen được gọi là chu kỳ

Độ rộng của mỗi vạch là 2

d

a 

Hình 3.1 Ảnh thước quang a, ảnh phóng đại (450 lần) các vạch trên thước quang

 Thước đo dịch chuyển có phạm vi đo 050 mm độ phân giải 0,01mm

 Màn chắn

Nội dung thí nghiệm:

- Tìm hiểu nguyên lý của hiện tượng nhiễu xạ của chùm laser chiếu qua mộtcách tử nhiễu xạ phẳng

- Đo kích thước các vạch khắc trên thước quang học

Trình tự thí nghiệm:

Nguyên lý của hiện tượng nhiễu xạ

Hiệu tượng nhiễu xạ xảy ra khi ta chiếu một chùm tia laser vào một dây hoặcmột vật nhỏ có kích thước d có độ lớn gần với bước sóng ánh sáng laser

Hình 3.2 Hiện tượng nhiễu xạ

Khi đó ta sẽ hứng được trên màn ảnh ở khoảng cách L các điểm sáng nhiễu

xạ có phân bố năng lượng như trên hình 3.1

Trong đó: L là khoảng cách của màn ảnh đến vật

x là khoảng cách trên màn ảnh từ vệt sáng trung tâm đến cácvân sáng thứ cấp khi n= 1,2,3,4

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý đo theo nhiễu xạ

x

Trên hình 3.2 là sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị đo nhiễu xạ đo đường kínhdây nhỏ Khả năng đo của phương pháp này đo được đường kính dây đến 0,25mvới sai số đạt đến 5%.

1 Đo kích thước các vạch khắc trên thước quang học

T : Thước đo khoảng cách

Thiết bị thí nghiệm gồm một diot laser GaAs phát chùm tia màu đỏ chiếuvuông góc vào tâm của mặt thước quang khắc vạch sao cho tia laser nằm trên vạchcủa thước quang Khi đó sẽ đổng thời xảy ra hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng gây rabởi mỗi khe hẹp và hiện tượng giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ các khe hẹptruyền tới Màn ảnh hứng các điểm nhiễu xạ phân bố năng lượng cách thước quangmột khoảng L= 300mm Màn ảnh được gắn trên thước đo dịch chuyển D để đokhoảng cách của các phân bố năng lượng nhiễu xạ x

Hình 3.4 Ảnh các vân sáng trên màn ảnh

Trên hình 3.4 là ảnh các vân sáng thu được trên màn ảnh, phần tô đen trênhình là biểu thị vân sáng Tiến hành đo khoảng cách từ vân trung tâm đến các vânthứ cấp và ghi kết quả vào bảng 3.1

Sau khi đo đạc và chi kết quả vào bảng 3.1, tính toán độ rộng trung bình của

vạch khắc trên thước quang bằng công thức :

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI III

Tên học sinh thí nghiệm :

Lớp :

Ngày thí nghiệm :

SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

01-1

Thiết bị thí nghiệm :

 Nguồn laser GaAs bước sóng  = 650 nm, P=1 mW

 Bộ vi dịch chuyển của Mitutoyo có phạm vi đo 050 mm độ phân giải 1m

 Màn chắn

Nội dung thí nghiệm:

- Tìm hiểu nguyên lý của giao thoa laser

- Đo dịch chuyển

Trình tự thí nghiệm:

1 Nguyên lý của giao thoa kế laser.

Hiện tượng giao thoa xảy ra khi hai sóng ánh sáng đơn sắc và kết hợp gặpnhau tại một điểm, hay nói một cách khác hai sóng ánh sáng phải phát từ hai nguồnsáng giống hệt nhau, thường người ta sử dụng hai sóng được tách từ cùng mộtnguồn phát sóng

Nếu nguồn sáng laser có góc mở rất nhỏ thì có thể coi bề mặt sóng của chùmtia là phẳng Sự giao thoa trong trường hợp này là sự giao thoa của hai sóng phẳng.Ảnh giao thoa nhận được trên mặt phẳng ảnh M có cường độ sáng I đều nhau trêntoàn bộ ảnh giao thoa và phụ thuộc vào hiệu pha , vào cường độ sáng I1, I2 củacủa hai chùm tia chuẩn S’t và chùm tia đo S’đ khi giao thoa

Để phát hiện chiều biến đổi của dịch chuyển x, cần phải xoay gương tĩnhnghiêng một góc  như sơ đồ nguyên lý trên hình 4.1 Khi đó ảnh giao thoa códạng là ảnh của các vân giao thoa đồng độ dày gồm các vạch thẳng là vân sáng vàtối xen kẽ nhau, song song với trục nghiêng của gương Khoảng cách giữa các vâncùng tên được gọi là bước vân H

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế khi nghiêng gương

Cb1 Cb2

Cb2 Cb1

+ Khi gương động Gđ chạy xa so với gương tĩnh, tức là khoảng cách x tăng lênthì các vân sẽ dịch chuyển theo hướng về phía đỉnh nêm

+ Khi gương động Gđ chạy lại gần gương tĩnh Gt, các vân sẽ dịch chuyển rời xađỉnh nêm

Khi dùng hai cảm biến quang điện Cb1 và Cb2 đặt cách nhau một phần tưbước vân H trên mặt phẳng hứng ảnh giao thoa, ta sẽ nhận được hai tín hiệu sintính lệch pha nhau 900 như trên hình 4.2 (a), (b) Dấu lệch pha này tuỳ theohướng dịch chuyển của Gđ và với một bộ đếm chu kỳ tín hiệu sin nhậy pha ta cóthể xác định được quãng đường và hướng dịch chuyển của gương động

Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế đo chiều dài dạng gương tĩnh nghiêng có cấutạo đơn giản, độ phân giải cao Tuy nhiên nó có nhược điểm là chỉ sử dụng đượcmột phần năng lượng của ảnh giao thoa để chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện vànhậy cảm nhiều đối với rung động của gương động trong quá trình dịch chuyển Sơ

đồ nguyên lý này sử dụng thích hợp nhất trong các phép đo cần độ chính xác cao ởcác phòng thí nghiệm và đo lường chuẩn

21

Hình 4.2 Dạng vân khi nghiêng gương và tín hiệu thu ở cảm biến

H

Cb1 Cb2

Cb2 Cb1

2 Đo kích thước bằng giao thoa kế.

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm

Tia laser có đường kính 2mm từ nguồn laser bán dẫn GaAsP có bước sóng

=650 nm với công suất 3 mW được chia làm hai tia bởi tấm chia chùm PC đặtcách nguồn 80 mm Tia thứ nhất S2 đi đến gương phẳng cố định G2 đặt cách tấmchia chùm 40 mm, có quang lộ không đổi và được gọi là tia chuẩn Tia thứ hai S2

đi đến gương dịch chuyển động G1 khoảng cách đến tấm chia chùm biến đổi từ 30đến 90 mm, có quang lộ biến đổi gấp đôi độ dịch chuyển của gơng G1 và được gọi

là tia đo Gương G1 được gắn trên sống trượt bi có độ dịch ngang không quá 1 m