Các ứng dụng gia công tinh - Chương 4: Các phương pháp đo lường độ dài bằng laser

Chương 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG ĐỘ DÀI BẰNG LASER 4.1 Đo chính xác độ dài bằng giao thoa kế laser. 4.1.1 Hiệu ứng giao thoa. Hiện tượng giao thoa xảy ra khi hai sóng ánh sáng đơn sắc và kết hợp gặp nhau tại một điểm, hay nói một cách khác hai sóng ánh sáng phải phát từ hai nguồn sáng giống hệt nhau Thường sử dụng hai sóng được tách từ cùng một nguồn phát sáng . 4.1.1.1-Sự giao thoa của hai sóng kết hợp Dao động tổng hợp tại M là tổng véc tơ hai dao động thành phần đạt tới đó . s1 = acos [ 2( - ) + 1 ] s2 = a cos [ 2 ( ) + 2 ] Giả sử hai dao động cùng phương , do đó độ lớn của dao động tổng hợp tìm được theo phép cộng đại số: Dao động tổng hợp có cùng chu kỳ như hai dao động thành phần và có biên độ và do đó cường độ I là là hiệu pha của hai sóng khi gặp nhau tại M Vì (1 - 2 ) / 2 = cosnt , nên sự phân bố độ dọi phụ thuộc vào hiệu đường đi d2-d1.. Do thoả mãn điều kiện d2-d1 = const nên quĩ tích của những điểm đó là các mặt Hypecboloit tròn xoay nhận đường s1s2 làm trục và nhận s1 , s2 làm các tiêu điểm + Độ dọi đạt cực đại bằng 4a2 khi hai sóng đồng pha , tức là d2-d1=m với m là số nguyên hay hiệu quang lộ là một số nguyên lần bước sóng + Độ dọi đạt cực tiểu và bằng không khi hiệu quang lộ là một số lẻ lần bước sóng . Hiện tượng khi tổng hợp hai sóng có cùng tần số và có hiệu pha ban đầu không đổi được gọi là giao thoa ánh sáng. Thực chất giao thoa của sóng là sự phân bố lại năng lượng dao động trong không gian , tồn tại những điểm luôn dao động với biên độ cực đại xen kẽ với những điểm luôn dao động với biên độ cực tiểu . Muốn sự phân bố đó là ổn định trong khoảng thời gian đủ để quan sát được , thì hiệu pha của chúng phải không đổi ít nhất trong khoảng thời gian đó . Hai sóng cùng tần số và có hiệu pha không đổi gọi là hai sóng kết hợp và sóng kết hợp là điêù kiện cần để có giao thoa 4.1.1.2 Sự giao thoa của hai sóng trong trường hợp tổng quát Trước hết xem rằng hai sóng s1 ,s2 có phương bất kỳ , khi đó việc tổng hợp dao động thực hiện bằng phép cộng véc tơ . S = S1 + S2 Cường độ của sóng I = S2 =(S1+S2)2 = S12+S22 + 2S1S2 Lấy trung bình theo thời gian quan sát , ta có (S2) = (S12) + (S22) + 2S1S2 Khi S1 và S2 là sóng phẳng đơn sắc thì (S2)=a 2/2 nên Số hạng 2(S1S2)gọi là số hạng giao thoa , vì nếu nó bằng không thì a2=a12 +a22 Cường độ của dao động tổng hợp là tổng đơn giản của cường độ gây ra bởi hai dao động thành phần và không có giao thoa . Vậy điều kiện thứ nhất để có giao thoa là : phương dao động của hai sóng không vuông góc với nhau . Trường hợp hai sóng đồng phưong , chỉ là trường hợp riêng để có giao thoa Khi hai sóng đơn sắc dao động cùng phương có tần số khác nhau S1 = a1cos(1t-1 ) với 1 =k1d1-01 S2 = a2cos(2t-2 ) với 2 =k2d2-02 Khi đó Để quan sát được ảnh giao thoa thì thời gian quan sát t’ phải đủ lớn so với chu kỳ dao động vậy chỉ có tích phân thứ nhất có thể khác không với điều kiện : - hiệu 1-2 đủ nhỏ - 02-01 =const Vậy điều kiện thứ hai để quan sát được vân giao thoa (tức là hệ vân ổn định trong suốt thời gian đủ để quan sát ) là hai sóng phải có tần số khác nhau không nhiều và có hiệu pha ban đầu không đổi . Điều đó có nghĩa là phải có sự cộng các sóng kết hợp . Khi hai sóng biên độ phức U1(r) và U2(r) chồng chất lên nhau , kết quả là một sóng đơn sắc có cùng tần số và có biên độ phức U(r) = U1(r) + U2(r) cường độ sóng tổng là Biểu thức cường độ của sóng tổng hợp khi giao thoa giữa hai sóng kết hợp có biên độ khác nhau là Trong trường hợp tổng quát này Đại lượng được gọi là độ sâu hay độ rõ của ảnh giao thoa . 4.1.1.3 Sự hình thành vân giao thoa đồng độ nghiêng : Khi đó hiệu quang trình của cặp tia IR và KR1 bằng 4.1.1.4 Ảnh giao thoa của vân đồng độ dầy Trong trường hợp dọi sáng vuông góc r= 0 , hai vân tối liên tiếp ứng với hai bề dày e1 và e2 : 2ne1 = m và 2ne2 = ( m+ 1 )  và do đó cách nhau một khoảng Giả sử khoảng cách hai vân là h=0,2 mm thì Ta thấy rằng khoảng cách giữa các vân không phụ thuộc vào chiều dày nêm mà chỉ phụ thuộc vào góc nêm . Như vậy , bằng việc đếm số vân dịch chuyển ta có thể xác định được khoảng dịch chuyển của gương . Trong trường hợp nguồn sáng chiếu thẳng góc vì góc rất nhỏ , sự giao thoa xảy ra ngay khi tia phản xạ từ bề mặt thứ nhất và tia phản xạ từ bề mặt thứ hai gặp nhau trên bề mặt gương thứ nhất Giao thoa ke Maikenxon 4.1.2 Phương pháp đo dộ dài bằng giao thoa kế laser. Ảnh giao thoa nhận được trên mặt phẳng ảnh M có cường độ sáng I đều nhau trên toàn bộ ảnh giao thoa I=I1+I2+ 2cos Trong đó Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý đo độ dài bằng giao thoa kế laser Kết quả của phép biến đổi trên cho thấy: Chu kỳ biến thiên của cường độ sáng trên màn thu M tương ứng với dịch chuyển của gương động x = /2n. +khi gương động dịch chuyển quãng dường bằng một số lẻ  lần nửa bước sóng laser ta sẽ thấy màn M là tối nhất, + khi gương động dịch chuyển quãng đường bằng một số  chẵn lần nửa bước sóng ta sẽ thấy màn M là sáng nhất. , nếu số vân đếm được là N thì quãng đường mà gương động Gđ đã dịch chuyển là X = N. /2kn Khi dịch chuyển x của gương động theo một chiều thì có thể xác định được quãng đường x ứng với độ dài cần đo, bằng cách đếm số lần thay đổi trạng thái sáng tối trên màn M. Nếu có thể phân biệt được k mức độ sáng tối giữa vân sáng và vân tối thì còn có thể xác định được các lượng dịch chuyển x nhỏ đến /2kn. Đó chính là cơ sở của phép nâng cao độ phân giải của phép đo lên k lần. - Quan sát trạng thái sáng tối trên màn M không cho biết dịch chuyển x theo hướng nào vì ta nhận đưọc kết quả sáng - tối như nhau khi dịch chuyển x là theo hướng xa ra hay gần vào tấm chia chùm tia Để phát hiện chiều biến đổi của dịch chuyển x, cần phải xoay gương động nghiêng một góc  như sơ đồ nguyên lý trên hình4.5. Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế khi nghiêng gương ảnh giao thoa có dạng là các vân giao thoa đồng độ dày Khoảng cách giữa các vân cùng tên được gọi là bước vân H. H  /2n Khi cho gương động Gđ dịch chuyển một khoảng x = /2n , các vân cùng tên sẽ dịch chuyển vị trí đi một lượng bằng một bước vân H. Chiều dịch chuyển của các vân này là: + Khi gương động Gđ chạy xa so với gương tĩnh, tức là khoảng cách x tăng lên thì 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 xa đỉnh nêm. Khi dùng hai cảm biến quang điện Cb1 và Cb2 đặt cách nhau một phần tư bước vân H trên mặt phẳng hứng ảnh giao thoa, ta sẽ nhận được hai tín hiệu sin tính lệch pha nhau 900 Tín hiệu thu trên cảm biến CB1 và CB2 là: CB1 = Acos [ ( 4 / ).x ] CB1 = Acos [ ( 4x / )( x/4) ] Dấu /4 phụ thuộc vào chiều dịch chuyển gương trong quá trình đo. Dùng các mạch điện xác định pha hai tín hiệu CB1 và CB2 ta sẽ xác định được chiều dịch chuyển 4.1.3 Các sơ đồ biến thể của giao thoa kế laser để đo độ dài cơ khí. Với mục đích làm giảm ảnh hưởng của các nguyên nhân gây nên sai số để cho giao thoa kế laser đo độ dài làm việc ổn định, chính xác cũng như nâng cao độ phân giải khi đo, người ta đã nghiên cứu và sử dụng trong đo lường cơ khí một số sơ đồ biến thể từ nguyên lý cơ bản đã nêu trên. 4.1.3.1 Sơ đồ giao thoa kế với gương phản xạ góc 3 mặt . Khi đầu đo dịch chuyển trong quá trình đo, các sai lệch trong đường dẫn động sẽ gây nên sự dao động của gương động . Để giảm ảnh hưởng của các rung động này dùng gương góc 3 mặt, Nhược điểm của sơ đồ này là không thể tạo ảnh giao thoa kiểu nêm quang học, vì vậy sẽ không xác định được chiều dịch chuyển đầu đo. 4.1.3.2 Sơ đồ giao thoa kế với ánh sáng laser phân cực. Để xác định được chiều dịch chuyển của gương động Gđ khi dùng gương phản xạ góc, sơ đồ giao thoa kế trên hình 4.8, sử dụng ánh sáng laser phân cực. Hình 4.8 Sơ đồ giao thoa kế dùng ánh sáng laser phân cực dạng 1 Khi gương đo Gđ dịch đi /2 thì mặt phẳng phân cực quay 1800, mặt phẳng phân cực tổng sẽ quay 450 nên cường độ sáng thu trên cảm biến sẽ biến đổi đi một chu kỳ. Hướng quay của mặt phẳng phân cực tổng tuỳ thuộc vào hướng dịch chuyển của gương góc, vì vậy trên hai cảm biến quang điện ta sẽ thu được hai tín hiệu có pha lệch nhau 900 tương ứng với chiều chuyển động của gương đo Gđ. Một dạng sơ đồ giao thoa kế với ánh sáng laser phân cực khác được trình bày trên hình 4.9. Trong sơ đồ này sử dụng tấm V trễ pha /4 để tạo nên sự lệch pha 900 giữa chùm tia đo Sđ và chùm tia chuẩn St. Hình 4.9 Sơ đồ giao thoa kế dùng ánh sáng laser phân cực dạng 2 Các giao thoa kế sử dụng ánh sáng laser phân cực còn có ưu điểm là: -Việc chia chùm tia laser đạt được tỉ lệ chia cường độ sáng giữa hai tia chùm đều hơn và đạt được hệ số phản xạ cao hơn. Nhờ vậy mà độ tương phản của ảnh giao thoa cao hơn. -Sơ đồ giao thoa kế dùng ánh sáng laser phân cực có cấu tạo và điều chỉnh phức tạp song giảm được rất nhiều ảnh hưởng của rung động của gương động trong quá trình đo. Điều đó làm giảm nhẹ các yêu cầu về độ chính xác cao của đường dẫn hướng đầu đo cũng như việc đồng chỉnh trục quang của hệ giao thoa kế, vì vậy sơ đồ nguyên lý này thích hợp cho điều kiện đo ở phân xưởng sản xuất. 4.1.3.3 Sơ đồ giao thoa kế có quang lộ chùm tia đo tăng gấp đôi. Chu kỳ của tín hiệu đo tương ứng với dịch chuyển gương động x= /2. Để tăng độ nhậy, người ta cho chùm tia đo Gđ đi qua một hành trình kép như hình 4.10. Hình 4.10 Sơ đồ giao thoa có độ phân giải cơ sở được tăng gấp đôi. Do quãng đường ánh sáng tăng lên 4 lần trong nhánh đo, nên chu kỳ tín hiệu trên bộ thu tương ứng với độ dài dịch chuyển của gương động là /4, vì vậy độ phân giải cơ sở được tăng lên gấp đôi. Do độ nhậy quang học tăng lên đòi hỏi độ chính xác và sự đồng chỉnh các chi tiết quang cơ cao hơn, đồng thời cũng nhậy cảm với rung động nhiều hơn. Sơ đồ nguyên lý này chỉ thích hợp cho việc đo lường ở phòng thí nghiệm. 4.1.3.4 Sơ đồ giao thoa kế laser đo theo hiệu ứng Đốp-lơ. Việc đếm chính xác số vân giao thoa theo độ lớn của cường độ sáng của vân chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố làm biến động cường độ sáng trong quá trình dịch chuyển gương động theo đầu đo. Phương pháp đo theo hiệu ứng Đốp-lơ sẽ giảm ảnh hưởng của sự biến động cường độ sáng trên ảnh giao thoa. Hình 4.11 Sơ đồ giao thoa kế laser đo theo tần số. Hiệu ứng Đốp-lơ xảy ra khi gương Gđ dịch chuyển với tốc độ V trong quá trình đầu đo dịch chuyển để thực hiện phép đo Do mặt phẳng hứng ảnh giao thoa đứng yên, trên bộ thu bằng cảm biến quang điện nhận được sóng ánh sáng phản xạ lại từ gương động bị dịch pha theo tốc độ và chiều dịch chuyển của gương. Sự dịch chuyển này gây nên sự biến đổi tần số dao động sóng ánh sáng của chùm tia đo Sđ theo hiệu ứng Đốple. Khi đó, sự giao thoa của hai chùm tia Sđ và St là sự giao thoa của hai sóng có tần số xấp xỉ nhau. Kết quả của sự giao thoa này là biên độ sóng ánh sáng giao thoa trên mặt phẳng M bị điều biến phách. Cường độ ánh sáng giao thoa thu trên cảm biến quang điện biến đổi theo chu kỳ phách của hiệu hai tần số đó Khi gương động dịch chuyển theo đầu đo, nếu xét trong khoảng thời gian t, gương Gđ chuyển động đều với vận tốc V, nó đi qua quãng đường /2n trong thời gian T=  / 2nV. Đó chính là chu kỳ biến đổi của dao động sóng ánh sáng. Hay nói cách khác tần số ánh sáng bị biến đổi một lượng là: ở đây f là tần số sóng ánh sáng của laser và c là vận tốc ánh sáng. Vận tốc dịch chuyển của gương động Gđ là V=f /2n Trên mặt phẳng M, cường độ sáng thu được bởi cảm biến quang điện I = I1+ I2 +2(I1I2)1/2 cos (2f.t) Cường độ sáng giao thoa biến thiên theo tần số dịch chuyển Đốp-lơ với biên độ thay đổi tỉ lệ với căn bậc hai của tích hai cường độ sáng I1 , I2 và biến đổi theo qui luật sin tính theo thời gian với tần số 2f. Khi xác định được lượng biến đổi tần số f trong khoảng thời gian t ta xác định được quãng đường dịch chuyển của gương trong thời gian đó: x = V.t = f.t / 2n Phương pháp đo dịch chuyển thẳng bằng giao thoa kế laser theo phương pháp đo tần số là phương pháp đo theo giá trị trung bình của vận tốc dịch chuyển gương động Gđ. Khi tốc độ của gương động dịch chuyển không đều trên quãng đường đo x, cần phải thực hiện cách đo vi phân là chia nhỏ x thành các độ dài vi phân xi có tốcđộ dịch chuyển Vi với thời gian .ti. Khi đó, độ dài cần đo được tính là: x = fi .ti / 2n Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải của phép đo tần số .f và thời gian t. Độ chính xác khi đo phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo tần số fi và đo thời gian chuyển động.ti của đầu đo. Phương pháp đo này là phương pháp đo động. Với tần số dịch chuyển Đốp-lơ khoảng 100 MHz cho phép đo dịch chuyển đến tốc độ tới 30 m/s, Sự biến đổi của cường độ sáng I trong biểu thức không phụ thuộc vào dấu của thành phần f. Vì vậy sơ đồ nguyên lý này không xác định được hướng biến đổi của kích thước đo. Đặc điểm cơ bản của phương pháp này là nó đạt được độ chính xác cao nhờ khả năng đo chính xác tần số dịch chuyển Đốple , khoảng thời gian dịch chuyển và sự ổn định cao của tần số laser. Độ không ổn định của cường độ tín hiệu giao thoa thu nhận do sự biến động của công suất nguồn phát laser không ảnh hưởng đến kết quả đo do dao động biên độ điện áp của tín hiệu thu nhận không ảnh hưởng đến giá trị của tần số. 4.1.4 Phương pháp đo dộ dài bằng giao thoa kế laser với nguồn laser hai tần số. Để xác định hướng dịch chuyển của gương động trong phương pháp đo theo tần số, trên sơ đồ ở hình 4.12 sử dụng nguồn phát laser có hai tần số f1 và f2 . Hình 4.12 Sơ đồ giao thoa kế đo bằng laser hai tần số. Trên cảm biến quang điện Cb2 cường độ sáng là I = I1+ I2 +2(I1I2) 1/2 cos 2 f.t Khi gương động Gđ dịch chuyển thì tần số của tia phản xạ f1 thay đổi một lượng f1, còn tần số phách giao thoa nhận được là f2-(f1  f1) = f  f1. Khi đó cường độ sáng trên cảm biến Cb2 sẽ biến đổi là: I = I1+ I2 +2(I1I2) 1/2 cos [2( f  f1)t ] Cảm biến Cb1 với tần số phách f . Tín hiệu đo f  f1 và tín hiệu chuẩn f được đưa vào bộ xử lý đếm tần số Vận tốc dịch chuyển gương động Gđ V = 1 f1 /2n Độ lớn của độ dài đo x = V.t = 1 f1.t / 2n Khi đo theo vi phân quãng đường dịch chuyển thì x = 1 f1i.ti / 2n Dấu của thành phần f1 cho biết chiều biến đổi kích thước đo: - Dấu cộng tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động lại gần tấm phân chùm CP làm giảm hiệu quang lộ giữa hai chùm tia giao thoa. Dấu trừ tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động đi xa tấm phân chùm CP làm tăng hiệu quang lộ Việc xác định dấu dịch chuyển này thực hiện thông qua sự biến đổi của giá trị tuyệt đối của sự biến thiên tần số  f f1. Sơ đồ giao thoa kế đo theo nguyên lý dùng nguồn laser hai tần số có độ nhạy thấp hơn khi dùng nguồn laser một tần số song nó cho phép nâng cao tốc độ dịch chuyển của đầu đo, giảm ảnh hưởng của rung động và sự biến động của cường độ sáng của ảnh giao thoa. Sơ đồ nguyên lý này hiện đang được sử dụng nhiều trong các máy đo dùng trong công nghiệp. 4.1.5 Ảnh hưởng của môi trường đo đến độ chính xác của giao thoa kế laser . Về nguyên lý thì hình ảnh giao thoa sẽ là duy nhất nếu bước sóng của ánh sáng laser  luôn luôn ổn định. Nếu trong quá trình làm việc mà bước sóng biến thiên thì hình ảnh vân giao thoa cũng sẽ trôi theo.. Độ dài bước sóng ánh sáng phụ thuộc vào tính chất của môi trường mà nó lan truyền, Độ dài bước sóng laser trong không khí là  = 0 /n -0 là bước sóng của bức xạ laser trong chân không - n là chiết suất không khí. Sự thay đổi chiết suất không khí là yếu tố chính làm hạn chế độ chính xác của phép đo chiều dài. Chiết suất của không khí phụ thuộc nhiều vào các thông số của nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và thành phần hoá học của nó. Khi thực hiện phép đo, chiết suất này còn phụ thuộc vào sự ổn định trạng thái của không khí. Giá trị đo được biểu diễn là bội của bước sóng ánh sáng, mà bước sóng ánh sáng này cần phải được đo tương ứng với các điều kiện môi trường đo. Vì vậy, bước sóng laser cần phải được hiệu chỉnh theo sự sai lệch của điều kiện đo thực so với các điều kiện tiêu chuẩn khi xác định bước sóng của nguồn laser. Giá trị chiết suất của không khí khô có 0,03% CO2 ở 150 C và áp suất 760 mm Hg ứng với chiều dài sóng laser HeNe =0,63299138m trong chân không là: nkhô=1,0002765 . Hiệu chỉnh sự thay đổi độ ẩm, nhiệt độ, áp suất được xác định theo công thức sau: (n-1)=(nkhô-1).P/720,775[1+P(0,817-0,0133T).10-  6/(1+0,003662T)]-5,6079.10-8f f là áp lực riêng phần của hơi nước ở nhiệt độ T0C và áp suất toàn phần khí quyển P(mm Hg) Để tính toán trực tiếp sự thay đổi bước sóng ánh sáng của laser trong không khí có thành phần không đổi, có thể dùng công thức của Edle. Trong không khí thường, ví dụ trong không khí với thành phần CO2 xác định ở nhiệt độ 200C, P=1013hPa, độ ẩm tương đối H= 50%, bước sóng  =0.63282m. Nếu điều kiện môi trường sai khác ít với các giá trị này, thì có thể tính sự thay đổi của bước sóng với độ chính xác tương đối với công thức: /= 10-6(0,9.t –0,3P +0,01H) ( t: 0K ; P: Pa; H: %) Với nhiệt độ t sai lệch đến 100C và độ ẩm f =30  50%. Với độ chính xác đủ dùng trong thực tế, chiết suất không khí đối với laser HeNe được ổn định trong khoảng Lemba có thể tính theo công thức n-1 = (78,64P /T -12f/T).10-6 Sai số đo nẩy sinh khi sai lệch áp suất, nhiệt độ, độ ẩm khômg khí với giá trị chuẩn là P=760 mmHg, T=200C, f=1mm Hg, có thể xác định theo công thức ( L/L) =(-0,93T+0,36P-0,06f).10-6 : L là sai số tuyệt đối đo L là giá trị dịch chuyển do T là sai lệch nhiệt độ đối với nhiệt độ chuẩn P là sai lệch áp suất đối với áp suất chuẩn f là sai lệch độ ẩm đối với chuẩn Giá trị bước sóng ch của laser HeNe đối với giá trị chuẩn của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm khi hiệu chỉnh theo tần số trung tâm của môi trường laser là ch = 0,63281976 m. Các giá trị hiệu chỉnh có thể dùng hiệu chỉnh độc lập từng thông số hoặc hiệu chỉnh đồng thời Khi đó trong kết quả đo cần phải đưa vào hiệu chỉnh  LT, liên quan đến sự thay đổi kích thước của chi tiết đo khi nhiệt độ thay đổi. LT/L = - t  là hệ số dãn nở thẳng do nhiệt độ của vật liệu chi tiết đo. L là kích thước chi tiết đo cần xác định. t là sự thay sai lệch nhiệt độ của vật cần đo đối với điều kiện tiêu chuẩn. Hình 4.13 Sơ đồ đo có hiệu chỉnh sai số tự động. 4.1.6 Ảnh hưởng của rung động môi trường đến giao thoa kế laser. Trong môi trường xung quanh ta luôn xuất hiện các rung động do mọi vật luôn chuyển động và tác động tương hỗ lẫn nhau. Các rung động này lan truyền trên mặt đất, trên nền nhà của các xưởng sản xuất và các phòng thí nghiệm. Các thiết bị đo lường và công nghệ lắp đặt trên nền các nhà xưởng và phòng thí nghiệm sẽ chịu sự tác động của các rung động này. Các rung động này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của các phép đo và các nguyên công công nghệ chính xác. Khi xảy ra các cộng hưởng cục bộ tại các bộ phận của dụng cụ đo, gây nên các biến dạng và dịch chuyển vị trí lớn của các bộ phận, chi tiết thiết bị. Các rung động trong môi trường xung quanh có thể làm thay đổi vị trí tương quan giữa các chi tiết quang. Tạo nên các sai lệch như: độ không thẳng hàng, sự thay đổi khoảng cách tương đối giữa các chi tiết quang làm giảm sự rõ nét hoặc sai lệch các ảnh quang mà các sai lệch này thay đổi theo sự biến động của rung động. Do độ nhạy của hiệu ứng giao thoa đến một phần mười bước sóng thì những rung động trực tiếp rất nhỏ đến một vài phần mười của micromet cũng làm cho hệ giao thoa không ổn định, vị trí vân giao thoa thay đổi, gây nên sai số đo. Vì vậy, việc giảm ảnh hưởng của rung động môi trường đối với máy đo giao thoa là hết sức cần thiết, đặc biệt là trong quá trình nghiên cứu việc đo độ dài bằng giao thoa laser. 4.1.6.1 Đặc điểm của rung động môi trường. Sàn nền của các phòng thí nghiệm và các phân xưởng chịu các rung động có dải tần số rộng từ các nguồn không thể tránh khỏi như hình 4.14: + Sàn nhà mang các dao động thẳng đứng trong dải từ 10 đến 30Hz từ người, xe cộ, các hoạt động địa chấn, các công trường xây dựng. + Các toà nhà cao tầng dao động đến hàng mét trong gió thổi với tần số từ 1 đến 10Hz. +Máy, thiết bị hoạt động tạo nên các dao động đến 200Hz. Các rung động lan truyền trên nền nhà các phòng thí nghiệm và nhà xưởng là các sóng cơ học ngang và dọc: + Khi nền phòng nằm trên mặt đất và nền nhà đủ cứng thì thành phần sóng dọc lan truyền theo bề mặt nền nhà là chủ yếu. + Khi nền phòng nằm ở các tầng cao của nhà và nền phòng không đủ cứng thì thành phần dao động ngang thường là chủ yếu. Ngoài ra còn có sự lắc ngang do dao động của nhà Tính chất của các rung động là ngẫu nhiên về biên độ và tần số.. Phổ tần số từ 0 đến hàng chục kHz với các đặc tính biên độ- tần số là thường có biên độ lớn ở tần số nhỏ và giảm đi khi tần số tăng lên. Theo tài liệu của hãng Mellgriot, mật độ phổ công suất của các rung động môi trường tại các điểm là rất khác nhau tuỳ theo môi trường, ví dụ: - Trong công nghiệp nặng: <10-7 g2/Hz. - Trong công nghiệp nhẹ: <10-8 g2/Hz. - Gần đường giao thông: <10-9 g2/Hz. - Bước chân người bước nhẹ: <10-2 g2/Hz. 4.1.6.2 Các biện pháp giảm rung động và hệ thống giảm chấn. Để giảm ảnh hưởng của rung động môi trường đến các thiết bị, thường sử dụng các biện pháp: +Sử dụng thiết bị giảm chấn trong mối liên kết giữa nền nhà và thân máynhư đệm cao su, đệm khí... Thiết bị này sẽ triệt giảm năng lượng của rung động truyền đến máy. + Thiết kế máy và bệ máy có khả năng chịu ảnh hưởng ít nhất của rung động như: tăng khối lượng bệ máy hoặc thân máy để tăng lực quán tính chống lại rung động ở tần số cao. Tăng độ cứng của thân máy để giảm biến dạng và ảnh hường của rung động ở tần số thấp. + Sử dụng các chất hấp thụ năng lượng rung động bằng ma sát nội như chất dẻo lỏng nhớt, dầu có độ nhớt cao, các vật liệu hạt rời như cát. Đệm cao su Mang đàn hồi Đệm khí Lò so Đệm Màng Đệm tấm 4.1.6.2. Các hệ giảm chấn quang học của hãng Mellesgriot. Hãng MellesGriot đã chế tạo các hệ giảm chấn dùng cho các nghiên cứu về quang học còn được gọi là bàn quang học. Các bàn giảm chấn này có các kích cỡ và khả năng giảm chấn khác nhau tuỳ thuộc vào các mục đích sử dụng và mức độ rung động của môi trường. Hãng MellesGriot chia các loại bàn giảm chấn quang học thành 3 cấp độ: -Cấp độ 1- Bàn Hoàn thiện (Perfomance): Dùng trong các lĩnh vực quang học thông thường như laser xung, quang sợi đa mốt, các định vị vị trí cần đến độ chính xác cỡ micromet... trong môi trường yên tĩnh hoặc ít rung (có mật độ phổ công suất nhiễu nhỏ hơn 10-10g2Hz). - Thân bàn với độ phẳng đạt đến 0,10 mm / 1m2, -Hệ số biến dạng động học nhỏ hơn 1,3 x 10-3 mm/N. -Biến dạng thân bàn khi đặt tải trọng113 Kg nhỏ hơn 1,65m. -Chân bàn không dùng các phần tử giảm chấn -Cấp độ 2- Bàn Hoàn thiện hơn (Perfomanceplus): Sử dụng với quang sợi đơn mốt, các phổ kế, tốc kế quang... ở môi trường mật độ phổ công suất nhiễu đến 10-8 đến 10 -9 s2Hz. -Độ phẳng thân bàn đạt đến 0,05 mm/m2. - Hệ số biến dạng động học nhỏ hơn 0,9 x 10-3 mm/N. - Độ biến dạng thân bàn khi chịu tải 113 kg đặt giữa thân bàn 1,5 m. - Các phần tử giảm chấn ở 4 chân bàn Tần số cộng hưởng theo phương thẳng đứng nhỏ hơn 5,5Hz và theo phương nằm ngang nhỏ hơn 4,5Hz. -Cấp độ 3- Bàn siêu hoàn thiện (UtraPerfomance): Với các giao thoa kế, hologram, các định vị vị trí nhỏ hơn micromet hoặc cỡ nanomet.. và môi trường có rung động nhiều tới hơn 10-7g2Hz. -Độ phẳng thân bàn đạt 0,05 mm/1m2. -Hệ số biến dạng động học nhỏ hơn 0,5 x 10-3 mm/N. -Các phần tử giảm chấn ở 4 chân bàn -Có khả năng điều chỉnh độ cao 13mm và tự động ổn định độ cao đạt 0,25mm -Tần số cộng hưởng theo phương thẳng đứng nhỏ hơn 1,35Hz và theo phương nằm ngang nhỏ hơn 1,0Hz.