Bài giảng Nguyên lý laser - Chương 4: Các phương pháp đo lường độ dài bằng laser (Tiếp theo)

Nội dung text: Bài giảng Nguyên lý laser - Chương 4: Các phương pháp đo lường độ dài bằng laser (Tiếp theo)

1. 4.2 Đo kích thước lớn. Các kích thước cần đo trong chế tạo cơ khí thường có độ dài từ một vài mét cho đến hàng trăm mét với độ chính xác yêu cầu từ vài milimét đến vài chục micrômét 4.2.1Đo khoảng cách lớn bằng xung laser. Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách lớn bằng xung laser
2. Khoảng cách đo L tương ứng với một nửa quãng đường đi của xung laser: L = c.t / 2 - c là vận tốc ánh sáng trong không khí 2,83.106 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 độ chính xác của phép đo thời gian và chát lượng của dạng xung laser. Để đạt được đến độ phân giải cỡ milimet cần phải có bộ đo thời gian đạt đến 10-9s.Đặc điểm của phương pháp đo này là có độ chính xác không cao khi đo ở khoảng cách nhỏ.
3. Các máy đo ở cự ly gần của hãng Leica với xung chuẩn 10-9s đạt độ chính xác đến 1mm ở cự ly 200m. Máy đo quân sự M-70B với độ dài xung chuẩn 2.10-9 có sai số là 5mm ở cự ly 10km. Hình 4.17 Thiết bị đo của hãng Leica
4. 4.2.2 Đo kích thước lớn bằng phương pháp di pha Phương pháp này sử dụng các bộ diều biến làm cho tia laser được điều chế cường độ thành dạng tín hiệu điều hòa có tần sô f không lớn. Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách bằng di pha
5. Pha của tín hiệu đo sẽ chậm hơn tín hiệu chuẩn: = 4 fL /c c là vân tốc ánh sáng. Như vậy chiều dài cần đo: L = c. / 4 f Phạm vi đo là nủa bước sóng điều biến Lmax = c / 2f Độ nhây của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng đo độ lệch pha của hai tín hiệu. nếu tần số tín hiệu điều hòa là f=6.106Hz và khả năng đo lệch pha là 1 phút thì độ phân giải của của phép đo là 1 mm. Các thiết bị đo hiện đạt được độ chính xác 1mm/1000m.
6. 4.2.3 Đo biến thiên khoảng cách theo phương pháp tam giác lượng Phương pháp đo sự biến đổi khoảng cách giữa đầu đo laser với bề mặt đo dựa trên nguyên lý tam giác lượng sử dụng tính chất truyền thẳng của tia sáng laser như hình 4.18. Tia laser X1 X2 M I a II b  Hình 4.18 Nguyên lý đo theo tam giác lượng
7. a- Phương pháp đo dựa trên tia phản xạ Tia laser chiếu tới bề mặt chi tiết đo ở vị trí Z0 với góc tới i bị phản xạ lại và có tia phản xạ là a. Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một lượng ∆Z, thì tia phản xạ là b và vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng: ∆h = ∆Zsin(2i) / cos(i). a i h b Z0 Z 
8. Tỷ số truyền của chuyển đổi : K= ∆h/∆Z =sin(2i) / cos(i) Đồ thị trên hình 4.20 biểu thị sự tăng của tỷ số truyền K theo sự tăng của góc tới: khi i=300 có k= 1; trong vùng i 300 thì 2> k>1 . Tuy nhiên, việc tăng góc tới i sẽ làm tăng kích thước kết cấu cảm biến và ảnh hưởng của đặc điểm phản xạ của bề mặt chi tiết đo. 2.5 2 1.5 Hình 4.20: Đồ 1 thị quan hệ giữa 0.5 K và i 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
9. b- Phương pháp đo theo tán xạ: Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một lượng ∆Z, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng: ∆h = ∆Zsin(i+)/cos(i) Tia Laser với:-  là hệ số khuếch đại b1’ ∆h của hệ quang. hq a1’ - là gúc nghiêng của i trục hệ quang với pháp  CB tuyến của măt phẳng tới. a1 Z0 ∆Z Z b1 Hình 4.21: Nguyên lí đo theo tán xạ
10. Tỷ số truyền: K = ∆Zsin(i+)/cos(i) Tỷ số truyền không kể đến hệ số phóng đại của hệ quang: K’= sin(i+)/cos(i) Trờn đồ thị biểu diễn sự biến đổi của K’ đối với góc tới i với các giá trị của góc nghiêng  quang trục là 1= 150;2=300 và 3= 450. 12 ( K ) 11 Phương pháp tán 10 9 xạ chịu ảnh hưởng 8 ít của góc nghiêng 7 6 bề mặt điểm đo 5 song lại phụ thuộc 4 3 vào đặc điểm tán xạ 2 của bề mặt chi tiết 1 ( i ) đo và quang sai của 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 hệ quang
11. Sensor đo dịch chuyển Z4W-V của hãng OMRON, đây là cảm biến đo chuyển vị không tiếp xúc có độ chính xác cao dùng với nguồn sáng khả kiến đỏ, độ phân giải 10 m, đầu ra tuyến tính 4 đến 20 mA hoặc 1 đến 5 VDC, thời gian đáp ứng 5 ms, khoảng cách đo 25 mm ± 4 mm, độ phân giải 10 m.
12. Các ứng dụng: Đo mực Đo dao chất lỏng động Đo độ căng Đo bề day,khối lượng
13. Đo bề dầy Đo kích thước chiều cao
14. 4.2.4Đo dịch chuyển nhỏ theo nguyên lý điều chỉnh hội tụ Chuyển vị z biến đổi thành điện áp U1 = kz. Trong phạm vi tuyến tính, U1 phản ánh z cả về độ lớn và phương U1 ChuyÓn ®æi G•¬ng b¸n thÊu U2 ?z Nguån s¸ng C¬ cÊu ®iÒu chØnh O f z x BÒ mÆt vËt ®o
15. Nguyên lý hội tụ loạn thị . Một nguồn điểm phát sáng qua hệ quang loạn thị , khi đặt mặt phẳng thu ở các vị trí khác ta được các đốm sáng hình êlíp theo phương đứng hoặc phương ngang tùy theo mặt phẳng thu ở bên trái hay bên phải vị trí “0” (hình 4. 25).
16. Kết cấu của hệ thống đo: Sơ đồ nguyên lý kết cấu của hệ thống đo với hệ quang loạn thị : nguồn sáng, gương tách tia, thấu kính chuẩn trực, thấu kính trụ, mạng photodiode 4 phần tử, vật kính đo và cuộn dây điện động (hình 4.26).
17. Nối với mạng diode quang là mạch điện khuếch đại sơ cấp , hình 4.27 Chênh lệch diện tích chiếu sáng giữa hai cặp cảm biến quang (A + C) và (B + D) biến đổi thành điện áp ở đầu ra của khuếch đại, ta gọi nó là tín hiệu sai lệch hội tụ chỉ có khả năng phản ánh sự thay đổi của dịch chuyển z trong phạm vi rất hẹp khoảng 15 m.
18. Đo góc quay bằng laser vòng Phương pháp đo góc quay bằng laser có buồng cộng hưởng dạng vòng dựa trên nguyên lý cộng vận tốc, hình 4.28. Hình 4.28 Laser vòng đo góc nhỏ
19. Khi laser vòng quay quanh trục vông góc với mặt phẳng vòng laser, sẽ làm sai lệch hiệu quang lộ của hai chùm tia laser lan truyền ngược chiều nhau. Quang lộ của tia thuận chiều sẽ lớn hơn quang lộ của tia ngược chiều làm cho tần sô của bức xạ laser fth ,fng của hai tia sẽ sai lệch nhau một lượng là f = fth –fng = ( 4A / P ) . -A là diện tích của hình laser vòng -  bước sóng laser - P chu vi của hình laser vòng -  vận tốc góc laser vòng Độ nhậy cảm của laser vòng với vận tốc góc rất cao đạt đến 0,003 độ / giờ. Cấu tạo thực tế của laser vòng hình 4.28.
20. Nhiễu xạ qua dây nhỏ Nhiễu xạ qua lỗ
21. Đo kích thước nhỏ bằng nhiễu xạ Hiệu ứng nhiễu xạ xảy ra khi ta chiếu một chùm tia laser vào một dây hoặc một vật nhỏ có kích thước d có độ lớn gần với bước sóng ánh sáng laser. Trên màn ảnh các điểm sáng nhiễu xạ có có phân bố năng lượng tuân theo công thức Bragg: Hình 4.29 Hiện tượng nhiễu xạ sinθ = nλ / 2d
22. Trên hình 4.30 là sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị đo nhiễu xạ đo đường kính dây nhỏ. Khả năng đo của phương pháp này đo được đường kính dây đến 0,25m với sai số đạt đến 5%. Hình 4.30 Sơ đồ nguyên lý đo theo nhiễu xạ
23. MEASURING HEAD DU 600 Measuring principle Diffraction Receiver CCD array Light source Laser diode, class 2 7 600 µm (.00027 Object diameter .023 in.) Measuring field 2 mm (.08 in.) Weight 1.3 kg (2.9 lbs.)