Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson (tt)

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trên thế giới hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hồng ngoại vẫn đang được
nghiên cứu và phát triển. Trong công nghiệp, người ta dùng các cảm biến hồng ngoại để thực hiện
các phép đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc hay phân tích quá trình thay đổi nhiệt độ
của các chi tiết máy khi chúng trong trạng thái đang hoạt động. Đặc biệt là phương pháp đo phổ
hồng ngoại để phân tích hoặc nhận biết thành phần các chất hóa học.
Phương pháp thường được sử dụng là phương pháp đo hệ số hấp thụ qua mẫu… gọi là
phương pháp hấp thụ. Trong phương pháp này sử dụng một nguồn hồng ngoại dải rộng để so quét
các dao động phong phạm vị đo hau còn gọi là đo bức xạ. Phương pháp đo phổ bức xạ hồng ngoại
thụ động có nhiều ưu điểm như không tiếp xúc, không cần lấy mẫu và xử lý mẫu trước khi đo. Đây
cũng là một trong xu thế nghiên cứu phát triển trong tương lai vì đo không tiếp xúc hoặc đo từ xa
mang lại nhiều ưu điểm. 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 quân địch
có sử dụng vũ khí hóa học. Mặt khác, trong lĩnh vực bảo vệ môi trường các thiết bị này sử dụng để
quan sát và cảnh báo các nguy cơ gây mất an toàn và ô nhiễm môi trường của các nhà máy hóa
chất, khu công nghiệp và các mục tiêu quan trọng.
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. Đo và khảo sát với một
số nguồn phát xạ hồng ngoại trong phạm vi cùng hồng ngoại trung.
2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích của đề tài: Đề tài nghiên cứu xây dựng sơ đồ nguyên lý và tìm hiểu phương pháp đo phổ
bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson dựa trên nguyên lý đo thụ động. Trên cơ sở đó đề tài
tính toán và chế tạo 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 đối tượng cần đo là nguồn hồng
ngoại MIR trong dải bước sóng =2 ÷ 15 m). Tiến hành đo kiểm tra thử nghiệm của một số nguồn
bức xạ nhiệt, một số chất hóa học có nhóm chất và phát xạ trong vùng bước sóng này.
2.3. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực hiện 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 đo các bức xạ trong phạm vi =2 ÷ 15 m

với khoảng cách l=500 ÷ 2000 mm.

1


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.

-

Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm, kiểm tra nguyên lý hoạt động của hệ thống
đo bức xạ hồng ngoại.

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.
4. Những kết quả của luận án
-

Luận án đã nghiên cứu được phương pháp đo phổ hồng ngoại từ xa.

-

Xây dựng công thức tính toán các thông số của hệ thống.

-

Thiết kế chế tạo bàn giảm chấn làm giảm các nhiễu tác động đến tín hiệu đo.

-

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

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO BỨC XẠ
HỒNG NGOẠI
1.1.

Đặt vấn đề

Trên cơ sở mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án, các tính chất cơ bản và ứng dụng của
bức xạ hồng ngoại sẽ được tác giả trình bày. Các ứng dụng của thiết bị phân tích phổ hồng ngoại sẽ
được phân tích cụ thể và đánh giá các ưu nhược điểm của từng loại thiết bị và các yếu tố ảnh hưởng
đến hệ thống.
1.2. Bức xạ hồng ngoại

Hình 1.1: Mô tả sóng điện từ trong không gian
Dựa vào dải bước sóng và có các phân loại vùng như sau:
Bảng 1.1. Phân vùng bước sóng hồng ngoại
Tên Vùng
Ký hiệu
Bước sóng
Hồng ngoại gần
Near-Infrared
NIR
0.78–3 µm
Hồng ngoại trung
Mid-Infrared
MIR
3–50 µm
Hồng ngoại xa
Far-Infrared
FIR
50–1000 µm
2


1.3. Bức xạ của các chất trong tự nhiên
Tia hồng ngoại được phát ra hoặc hấp thụ bởi các phân tử khi chúng thay đổi các chuyển
động quay-rung của chúng. Nó kích thích các chế độ rung động trong một phân tử qua sự thay
đổi moment lưỡng cực, làm cho nó phát ra dải tần số dao động.
Khi kéo dãn AB hoặc nén AB thì sẽ có sự thay đổi r cân bằng của AB ở trạng thái bình
thường. Sự chênh lệch r đó gọi là r. Lúc đó sẽ xuất hiện 1 lực F kéo AB về vị trí cân bằng.

a- Các trạng thái dao động
b-Trạng thái liên kết của 2 phân tử

Hình 1.2: Trạng thái dao động của phân tử
1.4. Thiết bị đo phân tích phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourie
Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại có vai
trò quan trọng trong việc phát hiện và phân
tích tính chất vật liệu hay hợp chất. Ứng
dụng phổ biến của thiết bị phân tích phổ
hồng ngoại là phân tích và nhận dạng các
vật liệu vô cơ, hữu cơ hay vật liệu sinh học
cũng như nghiên cứu khả năng dẫn điện của
vật liệu. Có nhiều kỹ thuật phân tích phổ
hồng ngoại như sử dụng lăng kính phân tích
hay cách tử.

Hình 1.3: Nguyên lý đo bằng cách tử

1.5. Tổng quan về thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier.
Ở Việt Nam hiện nay các máy phân tích phổ hồng ngoại được trang bị nhiều trong phòng thí
nghiệm ở các viện nghiên cứu, trường đại học. Tuy nhiên, cũng chưa có nghiên cứu đầy đủ nào về
thiết kế chế tạo thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourie. Do vậy các nghiên cứu này giúp
cho khả năng khai thác cũng như làm chủ về các thiết này.
1.6. Ứng dụng hồng ngoại trong phân tích phát hiện các chất hóa học
Có hai phương pháp đo phổ bức xạ hồng ngoại. Phương pháp đo phổ hồng ngoại hấp thụ với
sơ đồ nguyên lý như sau:

b-Thiết bị đo phổ hấp thụ
a-Sơ đồ nguyên lý đo hấp thụ [8]
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên máy hồng ngoại phương pháp hấp thụ
3

Phương pháp đo phổ bức xạ hồng ngoại từ xa: Phương pháp này có thể tiến hành đo và phân
tích phổ của một vật ở vị trí xa. Nếu có phát hiện có các phổ trùng với cho trước thì máy sẽ phát ra
tín hiệu cảnh báo, các phổ cho trước này được lấy ra từ các mẫu chất chuẩn và lưu thành thư viện
phổ, cài đặt trong máy tính đi kèm. Trong an ninh và quân sự người ta sử dụng thiết bị này để trinh
sát bảo vệ các mục tiêu cố định chống phát hiện sử dụng các hóa chất và các vật liệu gây nguy hiểm
và nguy cơ khủng bố.
1.7. Một số kỹ thuật dịch chuyển gương động trong giao thoa kế Michelson
1.7.1. Kỹ thuật dịch chuyển thẳng

Gương tĩnh

BSGương động
Nguồn sáng

Cơ cấu dịch chuyển

Hình 1.5: Sơ đồ dịch chuyển gương động thẳng
Kỹ thuật này sử dụng các cơ cấu cơ khí để làm dịch chuyển gương động 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.
1.7.2. Kỹ thuật quay gương

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 .
1.7.3. Kỹ thuật sử dụng kiểu quay và đàn hồi

Nguyên lý được sử dụng trong kỹ thuật này chủ yếu là nguyên lý dịch chuyển gương do
thay đổi góc giữa các thanh liên kết dạng khớp xoay.

a- Lắc khung kiểu khớp quay

b- Lắc khung kiểu đàn hồi

Hình 1.6: Kỹ thuật dịch chuyển kiểu lắc khung
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 thành tín hiệu đo.
Những phương pháp này thực chất làm thay đổi tín hiệu đầu vào bằng việc bổ sung thêm các đại
lượng để nhận dạng tín hiệu. Các phương pháp này thường sử dụng là kỹ thuật điều biến biên độ, điều
biến tần số và điều biến pha.
Phương pháp điều biến biên độ, điều biến tần số và điều biến pha. Tất cả các phương pháp
này nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu của hệ thống đo. Các nghiên cứu liên quan đến hệ thống nhu
nhận tín hiệu cũng sẽ được phân tích làm rõ trong các nội dung tiếp theo.
4


1.9. Các giải pháp ổn định về rung động và chống nhiễu khi đo
Phương pháp chống rung bằng đệm cao su: Đây là một ứng dụng phổ biến và đơn giản tuy
nhiên lại có hiệu quả rất cao đối với nững hệ thống có tải trọng lớn. Do tính chất của vật liệu này mà cao
su được dùng để chống rung đàn hồi tại các trụ cầu đế máy và cả các thiết bị phòng thí nghiệm.

Bàn giảm chấn sử
dụng đệm cao su

Bàn giảm chấn sử dụng
đệmlò xo

Bàn cách ly bằng đệm khí

Hình 1.7: Các dạng bàn cách ly rung động
Phương pháp chống rung bằng lò xo: Phương pháp này thường áp dụng cho các thiết bị bị
ảnh hưởng bởi các rung động có tần số lớn và biên độ lớn.
Phương pháp đệm khí: Đây là phương pháp sử dụng khí nén, thiết bị được cách ly với nền bằng
các lớp khí. Tuy nhiên phương pháp này chỉ ứng dụng được cho các dao động biên độ nhỏ.
1.10. Kết luận
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về thiết bị đo phổ hồng ngoại, luân án đã khảo sát một số các
thiết bị hiện có tại Việt Nam cũng như việc phát triển thiết bị này trên thế giới. Máy phân tích phổ
hồng ngoại cho thấy đây là một công cụ hữu ích và phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Hiện tại các
cơ sở trong nước chủ yếu là khai thác và sử dụng loại thiết bị này. Phần lớn tất cả các thiết bị cũng
là máy đo theo phổ hấp thụ tại các phòng thí nghiệm lý hóa và sinh học.
Đối với thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng để đo của nguồn bức xạ hay còn gọi là từ xa,
hiện tại chỉ có một số nước trên thế giới nghiên cứu và phát triển, mục đích để giám sát các vụ
cháy nổ mà không thể đến gần được hoặc phát hiện vật chất gây nguy hiển từ xa, phục vụ an
ninh quốc phòng.
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 các thông số của hệ quang. Tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm, đo 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 2-15 micro.
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI BẰNG GIAO
THOA KẾ MICHELSON LASER
2.1. Đặt vấn đề
Máy đo phổ hồng ngoại đầu tiên sử dụng nguyên lý tán sắc bằng cách sử dụng lăng kính
phân tích. Đến những năm 1960, cách tử được dùng phổ biến để thay thế lăng kính phân tích khi mà
công nghệ chế tạo phát triển cho phép gia công cách tử có độ chính xác cao. 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.
5

2.2. Giao thoa kế Michelson
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý giao thoa Michelson

Gt
S2
Lt

Gđ
S1

O

S

BS

Lđ

ZPD

R 1 R2
T
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson
2.2.2. Sự thay đổi của cường độ của ảnh giao thoa.

Khi hai sóng kết hợp tại lăng kính chia chùm, chúng lan truyền theo cùng một hướng và có
cùng phân cực, điện trường tổng hợp tại điểm chồng chất lên nhau sẽ là:
(2.1)
Trong trường hợp lý tưởng khi lăng kính chia chùm tia bức xạ ban đầu thành hai chùm tia có

cường độ bằng nhau thì khi đó
; chiết suất của không khí n=1, phương trình (2.6)
được rút gọn như phương trình sau:
(2.2)
,
2.2.3. Sự thay đổi của vân giao thoa

Trong các phương pháp giao thoa thì kết quả của ảnh giao thoa sẽ cho ta biết các tính chất
của nguồn sáng và các điều kiện để tạo nên ảnh.
Để khảo sát quá trình giao thoa và thay đổi của vân giao thoa, người ta sử dụng nguồn sáng
Laser bán dẫn hoặc laser khí He Ne với bước sóng =628,3. Khi đó ta sẽ thu được ảnh giao thoa có
dạng như sau:
Vị trí đặt cảm biến
quang điện
Hình 2.2: Ảnh thu vân giao thoa và vị trí cảm biến
Trong khoảng thời gian t ta xác định được số vân m (số lần thay đổi từ max sang min hoặc
min sang max), ta sẽ xác định được quãng đường dịch chuyển của gương động như sau:
d=m/2
Như vậy quan hệ giao thoa cho ta thấy quan hệ giữa quãng đường dịch chuyển của gương
động và số vân giao thoa.
6


2.2.4. Xác định tần số dịch chuyển của gương động trong hệ giao thoa

Và tần số khi gương động dịch chuyển sinh ra của nguồn sáng giao thoa sẽ là:

f gt 

(2.3)

1 2V
2V

, và f gt 
T lr
lr

Trong đó :V là vận tốc dịch chuyển gương động, lr là bước sóng của nguồn sáng laser
Như vậy tần số f gt của hệ giao thoa phụ thuộc vào vận tốc V dịch chuyển của gương động và
bước sóng tham chiếu.
2.3. Máy phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ sử dụng giao thoa kế Michelson
Trong giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn đơn sắc, cường độ của tín hiệu giao thoa thay
đổi theo hàm sin của hiệu quang lộ
giữa hai nhánh. Khi gương động dịch chuyển, thành phần
đầu tiên trong phương trình (2.4) là một hằng số nên có thể được lọc khỏi tín hiệu giao thoa. Do đó,
sự thay đổi của cường độ giao thoa tổng hợp được tính bằng thành phần thứ hai trong phương trình
(2.4)
(2.4)
Phương trình (2.16) chính là dạng cos của biến đổi Fourie của
(2.16) được viết lại như phương trình sau:

do đó phương trình

2.4. Xây dựng sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa Michelson
2.4.1. Sơ đồ nguyên lý đo

Dựa trên những luận giải về giao thoa Michelson và phương pháp đo phổ hồng ngoại,
trong nội dung này luận án sẽ trình bày về phương pháp đo phổ hồng ngoại theo nguyên lý
hấp thụ, so đồ như sau:

M3
IR1'
S11'
M1
Khí nén

S12

BS3
S11'

IR2' S12'

S12'

IR2

V
C

P

IR2'

PD-1

S21' S21 G5

B

R

S22
S22'

BS1
S

LIA-1
IR1' G4

M2

Voice
coil

F
G
Laser

MCT
IR1
S11

Pr1

S21'
S22'

S1

AD-2


PBS2
G3

AD-1
PD-2

BS4

DAQ

PD-3
AD-3

G6
Pr2

S2
G2

G1

PC

F1
IR

Hình 2. 3: Sơ đồ máy phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ.
7


Ký hiệu

Bảng 2.1 Các thành phần của hệ thống đo phổ hồng ngoại
Tên gọi

S
BS1
PBS2
BS3
M1
M2
M3
G1,G2,G3,G4,G5,G6
P
MCT
Pr1
Pr2
/4
PD-1, PD-2, PD-3
FG
VC
AD-1
AD-2
AD-3
LIA-1
DAQ

PC
IR
F1

:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:

Nguồn sáng laser

Lăng kính chia chùm laser
Lăng kính chia chùm – phân cực laser
Tấm chia chùm hồng ngoại
Gương động
Gương tĩnh
Gương tĩnh
Gương phản xạ
Gương Parabol hội tụ
Detector hồng ngoại
Tấm phân cực đặt xoay góc 00
Tấm phân cực đặt xoay góc 450
Tấm ¼ bước sóng
Cảm biến laser Photodiode
Máy phát tần số
Động cơ voice -coil
Bộ thu nhận laser chuyển đổi kênh 1
Bộ thu nhận laser chuyển đổi kênh 2
Bộ thu nhận laser chuyển đổi kênh 3
Bộ trích xuất đồng bộ và khuếch đại
Bộ thu thập số liệu
Máy vi tính
Nguồn hồng ngoại vào
Tấm lọc filter F1

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 động M1 và phản xạ về tấm chia chùm BS3 thành tia S11’. Tia S12 đến
gương tĩnh M2 và phản xạ thành tia S12’. Hai tia S11’ và tia S12’ phản xạ trên tấm chia chùm BS3

và giao thoa với nhau thành nguồn sáng I1. Nguồn sáng I1tới gương phản xạ G4 và tới G5, sau khi
ra khỏi G5 nguồn sáng này được thu bởi 1 Photodiode PD-1, và được khuếch đại AD-1 chuyển
thành tín hiệu xung đưa vào bộ DAQ chuyển vào máy tính. Tín hiệu này là tín hiệu giao thoa của
nguồn laser với tia S1, khi hoạt động tính 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 phân cực PBS2. Tại đây, tia S2
tách thành tia S21 và S22. Tia S21 tới gương động M1 và phản xạ thành tia S21’. Tia S22 tới gương
tĩnh M2 và phản xạ thành tia S22’. Hai tia S21’ và S22’ gặp nhau tại tấm chia chùm PBS2 và tạo
thành nguồn sáng I2. Trong thiết kế này, nguồn laser là nguồn phân cực thẳng theo phương đứng,
khi đến tấm PBS hai tia S21 và S22 sẽ tách thành 2 tia có góc phân cực vuông góc với nhau chính là
phương thẳng đứng và phương nằm ngang, do đó khi đi qua tấm /4 nguồn sáng này sẽ biến đổi
thành phân cực tròn và giao thoa với nhau. Tiếp theo nguồn sáng I2 được đi qua lăng kính chia
8


chùm BS4, tách thành 2 tia. Tia thứ nhất đi thẳng qua tấm phân cực Pr1, tấm phân cực này đặt ở
góc xoay 0. Tín hiệu này được thu nhận bởi photodiode PD-2, qua bộ chuyển đổi AD-2 tới bộ
DAQ và đưa vào máy tính. Tia thứ hai sau khi phản xạ trên gương G6 tới tấm phân cực Pr2, tấm
phân cực này đặt ở góc 45, tín hiệu này được thu nhận bởi 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
động M1 và phản xạ thành IR1’, chùm sáng IR2 tới gương tĩnh M3 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 f r . 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.
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:
,

(2.6)
,

(2.7

2.5. Thu nhận và xử lý tín hiệu đo phổ bức xạ hồng ngoại
Một trong những yêu cầu quan trọng của hệ thống đo là thu nhận và biến đổi tín hiệu đo
thành số liệu. Hiện nay trong hầu hết các thiết bị đều sử dụng máy tính cho việc tính toán các số
liệu đo, trước tiên để có được số liệu, các hệ thống cần có thiết lập các thiết bị có liên kết với nhau
để thu thập các số liệu cần thiết.
Khuếch đại, lọc tín hiệu

Thu nhận
Xử lý
Biến đổi tín
hiệu

Hệ giao thoa

Hình 2.4: Sơ đồ quá trình xử lý tín hiệu đo
9


2.6. Ứng dụng vào hệ đo phổ hồng ngoại
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 “0”.
T1

T2

Hình 2.5: Sơ đồ lấy mẫu tín hiệu giao thoa hồng ngoại
2.7. Xử lý tín hiệu bằng phép biến đổi Fourie-Transform
Phương pháp đo này là phương pháp đo kiểu FT-IR, phổ hồng ngoại biến đổi Fourie do vậy
công cụ biến đổi FT sẽ được phân tích và ứng dụng trong nội dung này.

a- Tín hiệu giao thoa của đèn nhiệt
b- Phổ tần số sau khi biến đổi FT
Hình 2.6 Tín hiệu giao thoa của đèn nhiệt và chuyển đổi sang tần số
Quá trình đo và phân tích là thực hiện hàng loạt
các bước lấy số liệu và thu nhậ được phổ đồ
như hình 2.6(a), tiếp đo sẽ thực hiện các bước
chuyển đổi FT thành phổ đồ tần số, hình 2.6 (b),
từ các giá trị này sẽ thực hiện tính toán thành đồ

thị bước song, hình 2.7
Với các số liệu thí nghiệm, Tần số hệ giao thoa
gt=25 kHz (xung laser, các lần thay đổi mức
“0”) Bước sóng laser là ls=630nm. Tần số đặc
trưng nhất là I = 4.96 Hz. Áp dụng công
thức 2.23 bước sóng tương ứng là =3164
(nm).

Hình 2.26: Đồ thị phổ bước sóng của đèn
nhiệt

2.8. Ưu điểm của phương pháp phân tích phổ FT-IR sử dụng giao thoa kế Michelson
- Độ phân giải và độ chính xác cao
- Đa bước sóng
- Năng lượng truyền qua lớn

2.9. 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. Thiết bị phân tích phổ sử dụng giao thoa kế Michelson có ưu điểm vượt
trội so với thiết bị sử dụng các giao thoa kế Fabry-Perot hay cách tử. Cường độ giao thoa của nguồn
đơn sắc và nguồn dải phổ rộng sử dụng giao thoa kế Michelson được phân tích chi tiết.
10


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.
Với những tài liệu hiện có, Luận án cũng đã đưa ra mô hình giao thoa kết hợp với He-Ne
laser để nâng cao độ phân giải và độ chính xác của phép đo được đề xuất. Đồ thị giao thoa của laser

được xây dựng bằng cách thu nhận đồng thời cường độ giao thoa lệch pha /4 từ 2 cảm biến. Do đó
độ phân giải của hệ đo được nâng cao.
Luận án cũng đã phân tích chi tiết việc thu nhận, biến đổi xử lý tín hiệu thành số liệu đo.
Xây dựng sơ đồ giải thuật lấy mẫu tín hiệu tử phổ đồ giao thoa đồng bộ với tín hiệu laser.
CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG PHỔ HỒNG
NGOẠI BẰNG KỸ THUẬT ĐIỀU BIẾN PHA
3.1. Đặt vấn đề
Phạm vi làm việc của thiết bị phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ bị giới hạn bởi độ lớn của
tín hiệu và ảnh hưởng từ nhiễu của môi trường. Các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu đó bao
gồm ảnh hưởng từ các nguồn nhiệt của môi trường hay ảnh hưởng của chính bức xạ laser dùng
trong hệ thống.
3.2. Kỹ thuật trích xuất đồng bộ và khuếch đại
Kỹ thuật trích xuất đồng bộ và khuếch đại (lock-in amplifie, LIA) cho phép xác định một tín
hiệu nhỏ thay đổi có quy luật theo thời gian bị vùi trong nền nhiễu. Các bộ LIA ngày nay cho phép
đo tín hiệu ngay cả khi nhiễu có biên độ lớn hơn 1000 lần biên độ của tín hiệu.
Tín hiệu đo

LIA

Tín hiệu ra

Tín hiệu chuẩn

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của bộ LIA
(3.1)
Tín hiệu chuẩn đồng thời được đưa vào bộ nhân có dạng như sau:

(3.2)
Tín hiệu sau bộ nhân là tổng của 2 tín hiệu với tần số lần lượt là

và
(3.3)

Tín hiệu sau bộ nhân gồm 2 thành phần xoay chiều khi

thể hiện trong hình 3.3.

Để phân tích và khảo sát hoạt động của LIA , tín hiệu và nhiễu được mô tả như sau:

a- Mô tả tín hiệu theo thời gian

b- Tần số của tín hiệu bị ảnh hưởng
bởi nhiễu

Hình 3.2 Tín hiệu đo nằm trong nền nhiễu
11


3.3. Các kỹ thuật điều biến sử dụng trong phân tích phổ hồng ngoại
3.3.1. Kỹ thuật điều biến biên độ

Trong phương pháp điều biến biên độ, cường độ của của chùm bức xạ được điều biến bằng
cách sử dụng choppe hoặc thiết bị điều biến quang học (electro-optics modulato, EOM).
3.3.2. Điều biến tần số

Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại dạng bức xạ sử dụng kỹ thuật điều biến tần số được
đề xuất bởi Julien Mandon và đồng nghiệp. Sơ đồ nguyên lí của phương pháp này được thể hiện ở
sơ đồ hình 3.3.

Hình 3.3: Phân tích phổ hồng ngoại sử dụng kỹ thuật điều biến tần số.

3.3.3. Kỹ thuật điều biến pha

Điều biến pha có ưu điểm vượt trội là đơn giản, không cần sử dụng thiết bị điều biến quang
học (EOM), độ phân giải cao. Trong phương pháp này độ nét của tín hiệu giao thoa phụ thuộc vào
tần số và biên độ của tín hiệu điều biến hay còn gọi là chỉ số điều biến.
Cơ sở của điều biến pha là độ trễ thời gian giữa hai nhánh của giao thoa kế Michelson gây ra
bởi quang lộ khác nhau giữa 2 nhánh cũng bị điều biến thay đổi theo thời gian như sau:
(3.3)
trong đó là độ trễ thay đổi khi gương còn lại dịch chuyển,
là biên độ điều biến.
Cường độ giao thoa của giao thoa kế Michelson sử dụng nguồn đơn sắc được biểu diễn như
sau:
(3.4)
3.4. Xác dịnh biên độ và tần số điều biến tối ưu sử dụng trong phương pháp điều biến pha
Trong kỹ thuật điều biến pha, chuyển động của gương được tạo ra nhờ cấp điện áp điều hòa
dạng sine cho cơ cấu cuộn cảm-đệm khí. Dao động do cơ cấu này sinh ra có nhiều ưu điểm như đáp
ứng nhanh, dải động lớn, độ phân giải lực hay momen mà cơ cấu sinh ra chỉ phụ thuộc vào độ phân
giải của điện áp hay dòng điện cung cấp. Tuy nhiên nhược điểm của cơ cấu này là phạm vi làm việc
thông thường chỉ vài centimet.
,
trong công thức trên

,

(3.5)
lần lượt là cường độ lớn nhất và nhỏ nhất của vân giao thoa thu

bằng cảm biến.
3.5. Kết luận chương 3
Qua những phân tích ở trên cho thấy các kỹ thuật điều biến là cần thiết cho thiết bị phân tích

phổ bằng biến đổi Fourie. Các kỹ thuật điều biến biên độ, tần số hay pha đều nhằm mục đích lọc tín
hiệu trên nền nhiễu bằng cách biến đổi cường độ giao thoa của bức xạ theo một hàm điều biến. Tín
hiệu điều hòa thành phần sau đó được xác định nhờ kỹ thuật trích xuất đồng bộ và khuếch đại
(LIA). Phương pháp điều biến pha dễ thực hiện và phù hợp hơn cả trong việc ứng dụng cho thiết bị
đo phổ dạng hấp thụ khi mà dải tần của nguồn bức xạ đi vào hệ thống là chưa biết. Do đó, kỹ thuật
điều biến pha được sử dụng trong nghiên cứu này để tăng độ nhạy và phạm vi đo của thiết bị phân
tích phổ hồng ngoại. Tần số và biên độ điều biến tối ưu được lần lượt là 8Hz và 6V là phù hợp nhất
với hệ thống được tác giả nghiên cứu thực hiện.
12


CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
HỆ THỐNG ĐO PHỔ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI
4.1. Đặt vấn đề
Trên cơ sở nghiên cứu và luận giải các nội dung trên. Trong chương này luận án sẽ tập trung
xây dựng hệ thống thiết bị phân tích phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế Michelson; Phân tích và
lựa chọn các linh kiện và thiết bị cho việc đánh giá và thử nghiệm như các thông số của các phân tử
quang học
4.2. Xác định lựa chọn thông số các thiết bị của hệ thống
Căn cứ vào mục tiêu của đề tài luận án và sơ đồ phương pháp đo được thiết kế trên hình
2.13, hệ thống được thực hiện như sau:
4.2.1. Hệ thống cơ khí

Đây là một phần cơ bản quan trọng, bởi tất cả các linh kiện được gá lắp để tạo nên thiết bị. Do vậy,
yêu cầu độ cứng vững cùng như độ chính xác để hoạt động đúng nguyên lý.
3

2

1

4

5

6

7

9
8
Hình 4.1. Thiết bị đo phổ bức xạ hồng ngoại.
1- Động cơ VC, 2-Trục dẫn động, 3- ổ đệm khí, 4- Gương động, 5- Tấm chi a chùm, 6-Gương tĩnh,
7-Gương parabol, 8- Cảm biến hồng ngoại, 9-Nguồn laser, 10- Tấm đế
4.2.2. Đệm khí cho gương động
Đệm khí được sử dụng cho dịch chuyển của gương động để tạo ra dịch chuyển thẳng của
gương yêu cầu về độ chính xác của gương phẳng độ dịch chuyển phải đảm bảo song song. Chính vì
vậy, gương động phải luôn luôn vuông góc với quang trục. Điều này được ghi nhận bởi tín hiệu đầu
ra của hệ giao thoa là lớn nhất. Trong trường hợp gương bị nghiêng sẽ tạo ra những nhiễu trong tín
hiệu. Yêu cầu độ ổn định của đệm khí rất quan trọng. Điều này làm nâng độ phân giải cao của thiết
bị.
10

M3

MCT

Khí nén
M1

BS3

Voice
coil

GP

IR

a-Nguyên lý làm việc ổ khí
b-Cấu tạo ổ khí
Hình 4.2 Nguyên lý dịch chuyển đệm khí gương động
13


4.2.3. Đông cơ voice coil - VC
Động cơ cuộn cảm bao gồm cuộn dây và lõi thép từ tính hoạt động nhờ lực Lorentz.
Động cơ cuộn cảm kết hợp với sống trượt đệm khí cho phép dịch chuyển với tốc độ và gia tốc
cao. Tốc độ và hướng của dịch chuyển phụ thuộc vào thông lượng từ trường và dòng điện chạy
qua cuộn dây và nó có thể được điều khiển bằng giá trị và chiều của dòng điện cấp cho cuộn
dây. Hệ thống đệm khí giúp duy trì độ ổn định khe hở khớp động nhỏ hơn 1m.

b- Động cơ

a- Nguyên lý cấu tạo Voice coil

Hình 4.3: Động cơ voice coil - VC
Với bảng thông số trên, yêu cầu quan trọng cho ứng dụng này là tần số đáp cao và thời gian
ngắt điện nhở. Tuy nhiên các yêu cầu này cũng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo.
4.3. Tích hợp máy đo giao thoa

Trên cơ sở lựa chon các linh kiện và thiết bị, luận án đã xây dựng mô hình thiết bị và tiền
hành thử nghiệm đánh giá các thông số. để thực hiện được các thử nghiệm, các thiết bị sẽ được tích
hợp và lắp đặt thành máy giao thoa theo nguyên lý Michelson.
2

1

11

1
0

3

9

4

5

8

7

6

Hình 4.5: Thiết kế mô phỏng thiết bị
1- Động cơ VC, 2-Trục dẫn động, 3- ổ đệm khí, 4- Gương động, 5- Tấm chi a chùm, 6Gương tĩnh, 7-Gương parabol, 8- Cảm biến hồng ngoại, 9- Nguồn vào hồng ngoại, 10Nguồn laser, 11- Tấm đế

14

4.4. Bàn giảm chấn
Từ những yêu cầu cụ thể, luận án đã chế tạo thành công hệ thống giảm chấn 2 cấp và cho
kết quả giảm chấn rất cao. Tuy nhiên tùy vào tải trọng và mức độ ảnh hưởng của rung động.
z2

m2
c2

k2

z1

m1

k1

c1
z0

a. Sơ đồ nguyên lý cách ly rung động

b. Sơ đồ thiết kế bàn cách ly

Hình 4.6.Bàn cách ly rung động 2 cấp.
Với hệ thống trên có thể giảm chấn các xung động khoảng 0-10Hz và hệ số giảm chấn của lực kích
động truyền qua có thể đạt đến 90%.
4.5. Hệ giao thoa laser
Trong thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourie, laser He-Ne đóng vai trò như

thước chuẩn để tính toán bước sóng của bức xạ hồng ngoại và đồng bộ quá trình lấy mẫu cũng như
thiết lập căn chỉnh hệ thống.
4.5.1 Nguồn phát laser
Nguồn laser He-Ne được lựa chon có bước sóng xác định
(632,8 nm) và nằm trong vùng nhìn thấy nên dễ dàng hiệu
chỉnh hệ thống. Thông số quan trọng của nguồn laser sử
dụng trong nghiên cứu này là độ ổn định tần số. Laser HeNe có độ ổn định cao và ít thay đổi dưới tác động của môi
trường. Trong nghiên cứu này He-Ne laser (Melles Griot IDEX CorpHình 4.15 Laser khí He-Ne)

Hình 4.15 Laser khí He-Ne

Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của nguồn He-Ne laser
Bước sóng
632.8 nm
Công suất nguồn thông thường
1mW
Độ ổn định bước sóng
0,02 ppm
Tính phân cực
Phân cực thẳng
Đường kính chùm tia ra
3-5 mm
Góc phân kỳ
<1 mrad
Nhiệt độ ổn định
25 °C
Điện áp vào
10k VDC
Thời gian hoạt động
20,000 hrs

Nhiệt độ làm việc
-40 to 70 °C
Khi không hoạt động
-40 to 150 °C
Độ ẩm
0 to 100%
15


4.5.2. Gương phản xạ và lăng kính chia chùm

So với các linh kiện quang khác, yêu cầu với linh kiện của nguồn laser khá đơn giảm vì
năng lượng của laser lớn, độ tập trung cao. Mặt khác, với nguồn laser đỏ nằm trong vùng nhìn thấy
do vậy cũng dễ ràng khi sử dụng. Với nguồn laser cần chú ý sử dụng do là nguồn sáng bức xạ mạnh
nên có thể ảnh hưởng đến thị giác do vậy cần có các thiết bị bảo vệ khi sử dụng, thông thường mức
độ ảnh hưởng được nhà sản xuất ghi trên thiết bị bằng việc phân cấp laser (class).
4.6. Hệ giao thoa hồng ngoại
Khác với các yêu cầu của hệ laser, các linh kiện quang học cho hệ hồng ngoại rất phức tạp.
Đối với tất cả các linh kiện này, yêu cầu quan trọng là khi làm việc cần tránh sự hấp năng lượng ít
nhất trên các phẩn tử quang học.
STT
1
2
3
4
5
6
7

:

:
:
:
:
:
:

Bảng 4.7 Danh mục các thiết bị hệ hồng ngoại IR
Tên gọi
Ký hiệu
Tấm chia chùm hồng ngoại
BS
Gương động
M1
Gương tĩnh
M2
Gương tĩnh
M3
Gương phản xạ
G
Gương Parabol hội tụ
P
Detector hồng ngoại
MCT

4.6.1. Gương phản xạ hồng ngoại
Chỉ tiêu quan trọng đầu tiên cho hệ gương chính là độ phẳng bề mặt của gương. Độ không
phẳng bề mặt gây ra sai số pha và làm méo mặt sóng phản xạ từ gương và làm giảm độ nét của vân
giao thoa cũng như độ chính xác của phép đo dịch chuyển của gương động.
Độ phẳng của gương yêu cầu nhỏ hơn một phần

mười của bước sóng nhỏ nhất trong chùm bức xạ
cần đo (độ phẳng <λmin/10).
Yếu tố thứ hai của hệ gương ảnh hưởng đến độ
chính xác của giao thoa kế là độ nghiêng của
gương động trong suốt quá trình dịch chuyển. Yếu
tố thứ 3 của hệ gương ảnh hưởng đến độ chính
xác của giao thoa kế chính là hệ dẫn động cho
Hình 4.7:. Quãng đường dịch chuyển của
gương động.
gương động khi gương bị nghiêng
4.6.2. Lựa chọn gương Parabol hội tụ
Một yêu cầu quan trọng là tia hồng ngoại thường phát ra từ một nguồn nhiệt do vậy tạo bởi
các chùm tia. Nếu trong thiết bị đo bức xạ sau khi nguồn hồng ngoại phát ra sẽ được chuẩn trực tạo
thành chùm song song khi vào hệ giao thoa. Mặt khác các gương này thường phủ vàng nên có hệ số
phản xạ lên đến trên 90%

a- Cấu tạo gương parabol[71]
b-Gương parabol
Hình 4.8: Gương parabol hội tụ
16


4.6.3. Lựa chọn tấm chia chùm hồng ngoại

a- Cấu tạo tấm chia chùm
b- Tấm chia chùm hồng ngoại
Hình 4.9: Tấm chia chùm hồng ngoại
Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật của lăng kính chia chùm
Vật liệu
KBr

Tỷ lệ phân tách
50:50
Độ chính xác hai mặt song song
± 0.1 arc/s
Độ phẳng
λ/20
Dải làm việc
2μm -25 μm
4.6.4. Lựa chọn Cảm biến hồng ngoại

a- Cấu tạo Detecto hồng ngoại
b- Thiết bị cảm biến hồng ngoại
Hình 4.10. Cảm biến hồng ngoại
Như đã phân tích ở trên, cảm biến MCT có độ nhạy và tốc độ đáp ứng cao hơn so với các
loại cảm biến khác trong vùng hồng ngoại. Trong nghiên cứu này, cảm biến MCT ((MCT-14-10LN) Detecto - MCT Cryogenic Receiver LN2 cooled, 1x1mm Square,), hình 4.7, làm lạnh ở 77 K
bằng nitơ lỏng được sử dụng. Dải phổ làm việc của cảm biến nằm trong khoảng 2 -15 μm.
Bảng 4.10: Thông số kỹ thuật của cảm biến
Diện tích hoạt động
Dải phổ
Độ nhạy
Chất làm lạnh
Thời gian giữ lạnh
Trường quan sát FOV
Đáp ứng
10kHz
1kHz
Trở kháng
Điện áp

1mm x 1mm

=2÷15m
5,4 x 1010 cm-Hz1/2/W, min
Ni tơ lỏng
12 giờ
60o
3.0 x 106 v/w mức cao, 106 v/w mức thấp
5.5 x 106 /10 -7 V/Hz1/2
8.0 x 106 /10 -7 V/Hz1/2
30 Ohm
± 10V

4.7. Hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu
Như đã phân tích và luận giải trong chương 2. Tất cả các thiết bị lựa chọn cho thử nghiệm
phải đồng bộ và đáp ứng yêu cầu tối thiểu các yêu cầu đặt ra. Các thiết bị có sự liên quan đến nhau
do vậy việc lựa chọn rất khó khăn, các yêu cầu này có thể thực hiện được đối với nhà sản xuất thiết
bị. Trong nội dung nghiên cứu của luận án này sau khí tính toán sẽ lựa chọn các thiết bị phù hợp
nhất có thể để thực hiện các kiểm chứng. Danh mục các thiết bị bảng 4.11.
17


Bảng 4.11. Danh mục các thiết bị hệ thu nhận tín hiệu
Tên gọi
Ký hiệu
: Máy phát tần số
FG
: Bộ thu nhận laser chuyển đổi AD Laser
ADC
: Bộ trích xuất đồng bộ và khuếch đại
LIA-1
: Bộ thu thập số liệu

DAQ
: Máy vi tính
PC

STT
1
2
3
4
5

4.7.1. Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn (Function Generato-FG)
Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn FG được dùng để điều biến dịch chuyển của gương động,
qua đó điều biến pha của tín hiệu giao thoa, đồng thời nó cũng tạo ra tín hiệu chuẩn cấp cho LIA
dùng để trích xuất tín hiệu thành phần bậc 1 dùng để xác định phổ của bức xạ vào.

a-Sơ đồ nguyên lý

b-Thiết bị tạo tần số chuẩn
Hình 4.11. Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn
Bảng 4.12: Thông số bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn
Dải tấn số
0.05-5MHz
Độ ổn định tần số
<0.5% hoặc 0.8%
Chế độ phát
Sine, tam giác, xung
Điện áp ra lớn nhất
10V (trong mạch 50 Omh), 20V mạch hở
Độ ổn định biên độ

0.05Hz đến 0.5MHz: max 0.2dB
Tín hiệu ra TTL
5V
Tỷ lệ thay đổi tần số
1:100
0.5MHz đến 5Mhz : max 0.5dB
Trở kháng vào
8 kΩ
Điện áp bảo vệ
30V
Tần số ngưỡng
0.2 Hz- 50 Hz
Phạm vi thay đổi
1:100
4.7.2. Bộ khuếch đại lock-in amplifie (LIA)
Bộ LIA, được dùng để khuếch đại, trích xuất tín hiệu thành phần trong tín hiệu giao thoa bị
điều biến pha. Tần số cho phép của tín hiệu đầu vào 5MHz và độ khuếch đại lớn nhất là 1000 lần
cho phép thiết bị có thể được sử dụng trong các phép phân tích phổ.
Bộ nhân
Tín hiệu vào

Bộ lọc

Tín hiệu chuẩn

Tín hiệu ra

FG

a- Nguyên lý khuếch đại LOCK-IN

b- Thiết bị LOCK-IN
Hình 4.12. Bộ lock-in amplifie.
Bảng 4.13 Thông số kỹ thuật của bộ LIA (PS-1)
Nguồn cung cấp
± 15 V
Dòng cung cấp
± 100 mA
Dải động
0-6 dB
Mức độ nhiễu
8 nv @ 500 Hz
18


Dải khuếch đại
10 – 1000
Độ ổn định của khuếch đại
100 ppm / oC
Hằng số thời gian (tần số ngưỡng)
10ms-1s
Dải điện áp vào cao nhất
+/- 10 V
Trở kháng
35 kΩ @ 500 Hz
Độ nhạy
± 1 mV
Hiệu chỉnh pha
0o / 180o
4.7.3. Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC và thu nhận dữ liệu DAQ
Bộ ADC (VDS3102, OWonCorp.) 8 bit với tần số lấy mẫu 500MHz được sử dụng để thu

nhận tín hiệu đo. Thông số chi tiết của bộ ADC được thể hiện trong bảng 4.14.

a- Sơ đồ nguyên lý
Thiết bị chuyển đổi ADC
Hình 4.13: Bộ chuyển đổi ADC
Bảng 4.14: Thông số kỹ thuật bộ ADC- VDS-3102
Nguồn vào
±40 volts
Số kênh vào
2 kênh
Độ phân giải
8 bit
Tần số lấy mẫu
500MSa/s
Độ chính thời gian ngắt lấy mẫu
150ps
Độ chính xác dòng
5 mA
Điện áp tối đa
±40 V
4.8. Thiết lập và căn chỉnh hệ thống

2

1

T

Trước khi tiến
hành đo, hệ thống

phải được kiểm
tra hiệu chỉnh.
10

3

T
4

Hình 4.14: Thiết
lập và căn chỉnh
hệ thống đo phổ

9
8

S

7
Hình 4.13: Hệ thống thiết bị đo hồng ngoại

6

5
19


4.8.1. Thiết lập và căn chỉnh hệ thống giao thoa laser
Đối với hệ laser, các linh kiện và thao tác khá thuận tiện bởi ánh sáng laser nàm trong vùng
nhìn thấy, do vậy có thể quan sát bằng mắt thường để căn chỉnh hệ thống. Nếu tất cả các thống số

hình học của thiết bị là tương đối chính xác và hành trình của tía sáng luôn luôn trùng với quan trục,
ta sẽ thu được ảnh giao thoa nhu hình 4.15-a, và tín hiệu hình 4.15-b.

a- Ảnh vân giao thoa của laser
b- Tín hiệu giao thoa của laser
Hình 4.15. Tín hiệu điều chỉnh hệ giao thoa
4.8.2. Hiệu chỉnh detecto hồng ngoại
Căn chỉnh dựa vào thông số của tiêu cự gương parabol để xác định vị trí định vị, sau đó sử
dụng một đèn có ánh sáng màu đỏ chiếu qua hệ, lúc này ta quan sát và điều chỉnh sao cho điểm hội
tụ của nguồn sáng vào đúng tâm của detecto.
Căn chỉnh tĩnh: Sử dụng đèn sợi đốt chiếu qua hệ, kiểm tra cường độ tín hiệu trên Ossilo và
hiệu chỉnh lại sao cho tín hiệu cường độ lớn nhất. Khóa định vị các vị trí dịch chuyển.

c- Ảnh vân giao thoa của laser
d- Tín hiệu giao thoa của laser
Hình 4.16. Tín hiệu giao thoa của nguồn hồng ngoại
4.9. Đo thử nghiệm hoạt động của hệ thống với mội số nguồn phát xạ hồng ngoại
Từ sơ đồ nguyên lý đo 2.13 và khảo sát cũng như phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ
thống. Hệ thống sẽ tiến hành đo kiểm chứng hoạt động của hệ thống và đánh giá các kết quả đo.
TT
1
2
3
4
5
6
7
8

Bảng 4.15. Bảng thông số thiết bị thử nghiệm

Tên gọi
Thông số
Ghi chú
Nguồn phát hồng ngoại đèn sợi đốt
P=150W
Khoảng cách từ đèn tới máy đo
L=300-500mm
Tần số cấp VC và tham chiếu
f=8Hz
Điện áp (biên độ) tín hiệu tham chiếu
U=5V
Dạng Sin
Laser tham chiếu
=632.8nm
Tần số dịch chuyển gương động
F=25kHz
Cảm biến hồng ngoại
Làm lạnh ni tơ lỏng
MCT =2-15m
Bộ LIA
Khuếch đại 1k
(1000 lần)
Tần số CUT-OFF
0.01(s)
20


4.9.1. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn sợi đốt
- Số lượng mẫu lấu N:2018
- Tần số giao thoa =35kHz

- Hệ số khuếch đại 1k.
- Bước sóng tham chiếu =630nm
- Tần số cắt OFF:TC=0,01(s)

a- Phổ tín hiệu

b- Phổ tần số

Nhận xét:
Kết quả đo cho thấy đồ thị tín hiệu dao dộng
khá rõ nét, không thấy xuất hiện các nhiễu
xung quanh
Trên phổ đồ thị tần số có xuất hiện một tần số
đặc trung, điều này cho thấy phù hợp với tín
hiệu giao thoa
Phổ đồ thị cũng xuất hiện bước sóng tương
ứng.
Điều này cho thấy rằng phổ của đèn có bươc
sóng đỉnh là =4370nm.

Hình 4.17. Kết quả đo bước sóng của đèn sợi
đốt công suất 100w

Kết quả khảo sát các nguồn phát nhiệt khác như đèn Halogen và đèn nhiệt cũng cho thất kết
quả là bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại trung.

Hình 4.18. Kết quả đo bước sóng của đèn sợi
đốt công suất 100w khoảng cách xa 300mm

Hình 4.19. Kết quả đo bước sóng của đèn sợi

đốt công suất 100w khoảng cách xa 3000mm

4.9.2. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn halogen xa 5000mm
- Số lượng mẫu lấu N:2018
- Tần số giao thoa =35kHz
- Hệ số khuếch đại 1k.
- Bước sóng tham chiếu =630nm
- Tần số cắt OFF:TC=0,01(s)
21


a-Đồ thị tín hiệu

b-Đồ thị phổ tần số
Nhận xét:
Kết quả đo cho thấy đồ thị tín hiệu dao dộng không sắc nét, xung quanh tín hiệu có rất nhiều
thành phần nhiễu.
Trên phổ đồ tần số ta cũng nhận thấy có rất nhiều bước sóng lân cận đỉnh các sóng đặc
trưng.
Kết quả biến đổi sang đồ thị bước sóng cũng cho kết quả tương tự, hình

Hình 4.20: Đồ thị số sóng của amonia
khoảng các 3000mm

.
Hình 4.21: Đồ thị số sóng của amonia
khoảng các 5000mm

4.9.3. Đo kiểm tra nguồn phát xạ mẫu chất amonia
- Số lượng mẫu lấu N:2018

- Hệ số khuếch đại 1k.
- Tần số cắt OFF:TC=0,01(s)

Hình 4.22: Đồ thị số sóng của amonia
khoảng các 200mm

-

Tần số giao thoa =35kHz
Bước sóng tham chiếu =630nm

Hình 4.23: Đồ thị số sóng của amonia
khoảng các 500mm
22


Với mẫu chất amonia, do bản thân là các hỗn hợp liên kết N-H do đó các cạp phân tử này
dao động mạnh trong vùng hồng ngoại trung. Số liệu cho thấy các kết của mẫu chất xuất hiện trong
phổ đồ. Tuy nhiên ngoài tín hiệu còn co rất nhiều các thành phần nhiễu cũng có mặt.
Nhận xét:
Đối với các nguồn phát nhiệt, tại các khoảng cách khác nhau cho thấy bức xạ của đèn không
đổi, dao động hồng ngoại trong khoảng = 2.5-3,5 µm, tuy nhiên cường độ tín hiệu rất nhỏ từ 520mV. Đồ thị sau 3 lần đo cho thấy độ lặp lại của kết quả đạt đến 90%.


1
N

N

 (

i

 tb ) 2 , Với N=3, 1=3,336, 2=3,104, 3=3,084, tb=3,174

1

Thay thế vào công thức thu được  =0.08 m. Như vậy trong phạm vi với tb=3,17±0.2m, Độ tin
cậy 90,73%.
Tại khoảng cách xa, năng lượng bức xạ bị hấp thụ bởi các yếu tố môi trường, mặt khác khi
nguồn cách xa hệ đo (detecto) lúc này trường quan sát của hệ quang trong Detecto nhỏ lại làm cho
thông lượng đi vào phần tử senso bị hạn chế, do đó cường độ tín hiệu bị suy giảm.. Tín hiệu lúc này
bị suy giảm đáng kể. Trên đồ thị tín hiệu cho thấy ngoài sự suy giảm của cường độ còn xuất hiện
thêm các nhiễu có mặt trong tín hiệu. Hình dạng đồ thị không còn nhận thấy các dao động rõ rệt, lúc
này tín hiệu là tổng của các hàm dao động. Kết quả phân tích tần số đã thấy xuất hiện dao động của
các nhiễu này.
4.10. Kết luận chương 4
Với mục tiêu của luận án, và qua phân tích tổng quan về phương pháp cũng như là sự phát triển
hiện nay cho thấy việc ứng dụng những kết quả nghiên cứu về các phương pháp đo quang học ngày
càng phát triển. Trên cơ sở mục tiêu của luận án đi sâu tập trung tìm hiểu phương pháp đo bằng
giao thoa như các luận giải đã trình bày trong nội dung chương 2 và chương 3. Trong nội dung
chương 4 này luận án đã tập trung lựa chọn thông số các thiết bị và yêu cầu độ chính xác để thực
hiện xây dựng mô hình thiết bị theo sơ đồ nguyên lý đề ra. Quá trình thực hiện cũng đã khảo sát các
yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống cũng như các giải pháp thực hiện. Tuy nhiên, để cho ra một thiết bị
hoàn thiện đòi hỏi phải nhiều sự hỗ trợ của hạ tầng khoa học trong nước cũng như các vật tư linh
kiện thiết bị. Luận án cũng đã xây dựng hoàn thiện một hệ thống đo hoàn chỉnh với các linh kiện
hiện có. Kết quả bước đầu cho thấy các bộ phận hoạt động đúng nguyên lý. Với hệ thống giao thoa
laser, ảnh giao thoa cho độ sắc nét cao, tín hiệu thu được lớn.

23

KẾT LUẬN
Sau quá trình nghiên cứu cùng những luận giải trên cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình thực
nghiệm, luận án đã đạt được mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề ra. Những kết quả đạt được mang
ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:
1. Phân tích làm rõ được nguyên lý của phương pháp đo bức xạ hồng ngoại. Dựa trên cơ sở sử
dụng giao thoa kế Michelson, luận án đã phân tích rõ các nguyên lý hoạt động của hệ thống
và đánh giá các ưu nhược điểm của từng cơ cấu dịch chuyển gương động trong giao thoa.
2. Dựa trên nguyên lý hoạt động thiết bị hiện có của các hãng trên thế giới, tác giả đã đề xuất
phương pháp đo có bổ sung thành 2 tín hiệu giao thoa của nguồn laser để lấy mẫu tín hiệu.
Đồng thời, đây là phương pháp làm tăng độ phân giải của phép đo dựa trên nguyên lý giao
thoa và tính chất phân cực của ánh sáng. Phương pháp này cho phép nâng cao độ phân giải
của phép đo có thể đạt /8, trong đó  là bước sóng của nguồn sáng tham chiếu laser là
=632,8nm.
3. Trong phương pháp xử lý tín hiệu đo, luận án đã trình bày chi tiết về kỹ thuật điều biến pha
và ứng dụng thành công trong việc trích xuất và thu nhận tín hiệu. Với phương pháp này,
khả năng xử lý và tách các nhiễu bị vùi trong tín hiệu cho độ sắc nét lên đến V=90%.
4. Tác giả đã thực hiện nhiều thử nghiệm và đưa ra các giải pháp như lựa chọn các thông số tối
ưu cho hệ thống thu nhận tín hiệu, phân tích và lựa chọn các phần tử quang học và thiết bị
để thử nghiệm hệ thống.
5. Phân tích đánh giá các yếu tố và nguyên nhân gây ra sai số của hệ thống khi đo như độ
chính xác của hệ thống cơ khí khi lắp đặt các phần tử quang học như: độ vuông góc của các
gương so với quang trục, phương pháp tác dụng lực của hệ thống dịch chuyển gương động.
Trên cơ sở đó, đã thiết kế mô hình thử nghiệm cho hệ thống đo.
6. Luận án cũng đã đề xuất giải pháp sử dụng đệm cao su kết hợp lò xo sợi tạo bộ giảm chấn 2
cấp làm giảm nhiễu và rung động của môi trường xung quanh.
7. Quá trình thử nghiệm hoạt động của hệ thống bước đầu cho thấy tín hiệu đo phản ánh đúng
các nguyên lý hoạt động theo sơ đồ thiết kế.
8. Kết quả thử nghiệm kiểm tra với mẫu thử là nguồn nhiệt (sử dụng đèn sợi đốt và đèn

halogen) cho thấy khả năng phát hiện của thiết bị trong dải bước sóng 2,5m đến 3,6m với
khoảng cách đo là 500-2000mm.
9. Thử nghiệm với mẫu khí, hệ thống đã phát hiện được vết các dao động của mẫu chất
amoniac trong phạm vi 300mm.
Những kết quả nghiên cứu mới:
Luận án đã phân tích và làm rõ nguyên lý hoạt động của thiết bị đo phổ hồng ngoại, từ đó đề
xuất phương pháp kết hợp 2 tín hiệu giao thoa laser để tăng độ phân giải cho hệ thống đo.
Sử dụng kỹ thuật điều biến pha trong giao thoa, đây là những nghiên cứu mới trong đo lường
quang học cho khả năng xử lý và thu nhận tín hiệu có độ sắc nét cao.
Tính toán thiết kế và chế tạo bàn giảm chấn 2 cấp kết hợp đệm cao su và lò xo sợi, kết quả
cho thấy hệ số giảm chấn đến 90% các lực kích động từ bên ngoài có tần số 2-10Hz.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
Với những kết quả trên, luận án có thể tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hệ thống, nâng cao
chất lượng và chế tạo sản phẩm thiết bị này.
24