Chương 2. Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại
2.3. Chuyển đổi quang học
2.3.1. Các phương pháp chuyển đổi
Chuyển đổi quang học là một chuyển đổi không tiếp xúc. Dựa trên hai đặc tính của ánh sáng là tính chất truyền thẳng và có bước sóng ánh sáng không đổi
đối với mỗi màu ánh sáng người ta có thể tạo ra các chuyển đổi đo lường với rất nhiÒu −u ®iÓm.
a. Các chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là chùm sáng
Các chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là chùm sáng dựa trên tính chất truyền thẳng của ánh sáng. Có thể có hai khả năng lợi dụng tính chất này: dùng tạo ảnh trong hệ hiển vi hoặc chiếu hình và kết hợp với các yếu tố nhạy quang nh− các loại tế bào quang điện.
1. Chuyển đổi quang hình
Chi tiết đo được đặt trong quang hệ, giữa đường truyền của chùm sáng đi từ nguồn S tới màn M chi tiết L đ−ợc hệ quang tạo ảnh lên màn M có ảnh là L'.
Γ
=
= a a L L' '
là hệ số khuếch đại quang.
Khi chi tiết đo L biến thiên l−ợng ΔL thì ảnh L' cũng sẽ biến thiên l−ợng ΔL'. Vậy ta có tín hiệu vào X=ΔL và tín hiệu ra Y= ΔL' là tín hiệu cùng loại nên
chuyển đổi quang hình là chuyển đổi trực tiếp.
Bằng các cách quan trắc khác nhau ng−ời ta đo đ−ợc biến thiên của kích thước ảnh, thường là đọc số trực tiếp biến thiên kích thước vật (chi tiết đo).
Chuyển đổi này có −u điểm là có độ chính xác cao do có độ khuếch
đại lớn, có khả năng đo các kích th−ớc nhỏ, chi tiết phức tạp, mềm, không cần có sự tiếp xúc nên không có sai số do lực đo, sai số do bề mặt chi tiÕt ®o...
Hình 2-18. Chuyển đổi quang hình.
2. Chuyển đổi quang điện
S
TQ1
φ 1
TQ2
F
Chi tiÕt ®o Chi tiÕt ®o
TQ2
TQ1
S F
a) b)
0 φ φ0 φ1
S
TQ M
a
VK
a'
F' L' L F
Hình 2-19. Chuyển đổi quang điện theo phương pháp chiếu xuyên qua.
Chi tiết đo đ−ợc bố trí nh− Hình 2-19 và Hình 2-20. Biến thiên kích th−ớc X=ΔL sẽ ảnh hưởng đến thông lượng φ của chùm sáng làm cho quang thông tới tế bào quang điện F biến thiên, do đó gây ra biến thiên dòng điện trong mạch đo, biến thiên này đ−ợc mạch khuếch đại và đ−a ra mạch chỉ thị. Từ biến thiến dòng
điện có thể suy ra biến thiên kích thước. Tín hiệu vào chuyển đổi X = ΔL và tín hiệu ra Y = I (dòng) hoặc U (áp) nên chuyển đổi này là loại chuyển đổi gián tiếp.
Có thể dùng các phương pháp khác nhau với các sơ đồ ứng dụng như sau:
• Ph−ơng pháp chiếu xuyên qua (Hình 2-19)
• Ph−ơng pháp phản xạ(Hình 2-20).
Hình 2-20. Chuyển đổi quang điện theo phương pháp phản xạ.
Trong Hình 2-20a biến thiên kích th−ớc làm quay g−ơng phản xạ, l−ợng ánh sáng chiếu qua khe hẹp C thay đổi làm φ1 thay đổi. Trong Hình 2-20b kích thước chi tiết biến thiên làm quay gương làm cho điểm sáng dao động tác dụng lên các tế bào quang điện trở khác nhau sẽ đóng các mạch chấp hành khác nhau.
3. Chuyển đổi Laser
a) b)
Hình 2-21. Cảm biến laser.
Nguyên lý chuyển đổi laser đ−ợc thể hiện nh− trên Hình 2-21a. Chùm tia
CCD-array Laser diot
Khoảng đo Khoảng đo
tèi thiÓu
Chi tiÕt ®o C
S F
Chi tiÕt ®o
S Dãy C
điện trở quang
φ0 φ1
a) b)
laser đ−ợc tạo bởi điốt laser đ−ợc chiếu lên bề mặt chi tiết. Tia phản chiếu qua hệ thấu kính quang học đ−ợc chiếu lên phần tử biến ánh sáng thành điện năng CCD- array. CCD-array là tấm lưới gồm vô số ô nhỏ, trong đó mỗi ô sẽ biến ánh sáng vật thể thành điện năng. Nếu vị trí vật thể thay đổi thì ảnh phản chiếu của tia laser trên CCD-array cũng thay đổi, dựa vào đó ta có thể xác định đ−ợc khoảng cách tới vật. Trên nguyên lý này chế tạo ra các cảm biến laser công nghiệp với khoảng
đo lớn, độ chính xác đạt được dưới μm.
b. Chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là bước sóng ánh sáng
Ng−ời ta áp dụng nguyên tắc giao thoa bản mỏng hình nêm và bản mỏng song song để làm chuyển đổi đo lường các kích thước dài và góc. Đó là các chuyển đổi của các máy đo thuộc loại hiển vi giao thoa. Dưới đây ta sẽ nhắc lại một chút về nguyên tắc vật lý và ứng dụng hiện t−ợng giao thao đặc biệt trên.
1. Giao thoa qua bản mỏng hình nêm-vân cùng độ dày.
Khi S1 và S2 là hai nguồn sáng kết hợp, góc α giữa 2 bản I và II nhỏ chừng vài độ sẽ xảy ra hiện t−ợng giao thoa (Hình 2-22). Hệ vân định xứ ngay trên bản II hoặc có thể dùng kính hiển vi quan sát đ−a hệ vân về tiêu diện của hệ. Trạng thái giao thoa tại C và M là nh− nhau và đ−ợc xác định nhờ hiệu quang lộ:
sin 2
2 2 − 2 −λ
=
Δ t n i ( 2-1) Trong đó:
t- chiều dày nêm tại điểm quan sát.
n- chiết suất của nêm. Nếu nêm không khí n = 1.
i - gãc tíi.
λ - B−ớc sóng ánh sáng quan sát (ánh sáng trắng λ=0,6μm).
S2 S1
I II
M S1
S2
α C
Hình 2-22. Nguyên lý giao thoa bản mỏng hình nêm.
Đối với nêm không khí n = 1 thì:
cos 2 . 2 2 sin 1
2 − 2 −λ = −λ
=
Δ t i t i ( 2-2)
Khi: Δc = k λ - tại C có vân sáng (k-số nguyên).
2
Δc = 0 hoặc Δc = (2k + 1) λ - tại C có vân tối.
Khi α nhỏ thì bề rộng khoảng vân b là:
α λ b n
=2 ( 2-3)
Nếu là nêm không khí thì n=1 và α λ
=2
b ( 2-4)
ứng dụng:
Lợi dụng công thức (2-1) hoặc (2-2) ta gắn trục đo với bản số I. Khi kích thước biến thiên Δl sẽ làm trục đo di chuyển. Trục đo di chuyển sẽ làm thay đổi chiều dày nêm tại điểm quan sát, do đó làm thay đổi Δ và sẽ làm thay đổi trạng thái vân tại điểm đó-vân giao thoa tại điểm quan sát cũ C sẽ phải dịch sang vị trí mới C' có chiều dày nêm tc' =tc quan sát cũ.
Đó là hệ vân bị dịch đi. Nếu vân dịch đi 1 vân tức là từ C→C' ứng với 1 vân thì biến thiên kích th−ớc sẽ là Δl = Δt =
2 λ
2 tức là t2 - t1 = λ.
Nếu C → C'ứngvới m vân thì có nghĩa là kích thước đã biến thiên đoạn 2
Δl = tm+1 - t1 = m . λ ;
Đó là nguyên tắc ứng dụng hiện tượng giao thoa làm chuyển đổi đo lường
để đo kích thước thẳng trong máy giao thao tiếp xúc.
Theo công thức (2-1) hoặc (2-2) ta thấy rằng khi các điểm có cùng độ dày t, sẽ có trạng thái giao thoa nh− nhau. Nh− vậy mỗi vân sẽ ứng với các điểm có cùng độ dày nêm, các vân cùng tên liên tiếp sẽ chênh nhau một độ cao
2 λ .
Nh− vậy, nếu mặt tấm I không phẳng, nó sẽ làm cho chiều dày nêm tại các
điểm quan sát khác nhau. Kết quả là các vân giao thoa thể hiện trạng thái giao thoa tại các điểm có cùng độ cao sẽ không phải là một vạch thẳng mà là hình ảnh nhấp nhô của mặt phản xạ số I. Dùng cơ cấu đo độ không thẳng này ta sẽ có thể
đánh giá đ−ợc chất l−ợng bề mặt tấm I(sóng hoặc nhấp nhô). Đó là nguyên tắc dùng đề đo độ nhám hoặc kiểm tra độ lồi lõm, độ sóng bề mặt của các mặt phẳng
yêu cầu chính xác cao (ví dụ nh− căn mẫu- Hình 2-23).
Hình 2-23. Dạng vân khi tấm I không phẳng.
Theo công thức (2-3) hoặc (2-4) ta thấy rằng: nếu dùng λ, n nhất định thì chiều rộng khoảng vân b sẽ tuỳ thuộc vào độ lớn của góc α. Nghĩa là: b = f(α); α tăng thì b giảm và ng−ợc lại. Bởi thế α sẽ là một hàm số của khoảng vân b: α=ψ(b).
Biến thiên của góc α là Δα sẽ làm b biến thiên ảnh h−ởng tới
độ mau th−a của hệ vân. Quan sát sự biến thiên của số l−ợng vân trong phạm vi định trước có thể xác định đ−ợc Δα. Đó là nguyên tắc để đo các góc nhỏ nh− kiểm tra gãc l¨ng kÝnh, gãc mÉu...
2. Giao thoa qua bản mỏng song song - vân cùng độ nghiêng.
Khi chiếu vào mặt bản mỏng chùm sáng có góc tới i cố định và cùng độ nghiêng. Nếu chiều dày t của bản không lớn lắm (chừng vài μm) thì
sẽ có hiện t−ợng giao thoa, ảnh giao thoa định xứ ở vô cực, có thể dùng thấu kính hội tụ hứng trên màn quan sát M.
Hình 2-24. Nguyên lý giao thoa bản máng song song.
Do chọn dùng t = const, λ= const nên trạng thái giao thoa tại M do góc tới i quyết định. Bởi vậy, mỗi vân giao thoa trên màn M sẽ là quĩ tích của điểm có cùng góc tới i - vân có dạng tròn đồng tâm hoặc elíp tuỳ cách bố trí thấu kính.
f b b f
b f
f<b
f=b
f>b
a) b)
c)
d)
II I i
t S
TK M
Nếu bố trí cho thấu kính song song với bản mỏng ta sẽ có hệ vân tròn đồng tâm.
ứng dụng:
Nếu ta dùng nguồn sáng chiếu tới mặt bản với góc tới i = const thì trạng thái vân sẽ phụ thuộc khoảng cách giữa hai mặt bản I và II. Khi t biến thiên một l−ợng Δt=Δl thì bán kính các vân tròn sẽ biến thiên và hệ vân dịch dần vào tâm. Nếu biến thiên kích th−ớc Δl, bản mỏng dịch từ t1→t2=
2
λ thì bán kính vân nhỏ đi một khoảng vân tức là hệ vân dịch đi 1 vân.
1 2
1
×λ
=
+ −t m
tm
Nếu Δl = m nghĩa là thì bán kính vân hẹp đi m khoảng vân (dịch đi m vân).
Dựa trên nguyên tắc này ng−ời ta thiết kế ra các máy giao thoa đo chuyển vị nhỏ (sơ đồ giao thoa kế Maikelsơn).