4.2 Đo kích thước lớn Các kích thước cần đo chế tạo khí thường có độ dài từ vài mét hàng trăm mét với độ xác yêu cầu từ vài milimét đến vài chục micrơmét 4.2.1Đo khoảng cách lớn xung laser Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách lớn xung laser Khoảng cách đo L tương ứng với nửa quãng đường xung laser: L = c.t / - c vận tốc ánh sáng không khí 2,83.106 m/s - t thời gian xung laser Do vận tốc ánh sáng lớn nên độ xác phép đo phụ thuộc vào độ xác phép đo thời gian chát lượng dạng xung laser Để đạt đến độ phân giải cỡ milimet cần phải có đo thời gian đạt đến 10-9s.Đặc điểm phương pháp đo có độ xác khơng cao đo khoảng cách nhỏ Các máy đo cự ly gần hãng Leica với xung chuẩn 10-9s đạt độ xác đến 1mm cự ly 200m Máy đo quân M-70B với độ dài xung chuẩn 2.10-9 có sai số 5mm cự ly 10km Hình 4.17 Thiết bị đo hãng Leica 4.2.2 Đo kích thước lớn phương pháp di pha Phương pháp sử dụng diều biến làm cho tia laser điều chế cường độ thành dạng tín hiệu điều hịa có tần sơ f khơng lớn Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách di pha Pha tín hiệu đo chậm tín hiệu chuẩn: ϕ = 4πfL /c c vân tốc ánh sáng Như chiều dài cần đo: L = c ϕ / 4πf Phạm vi đo nủa bước sóng điều biến Lmax = c / 2f Độ nhây phương pháp phụ thuộc vào khả đo độ lệch pha hai tín hiệu tần số tín hiệu điều hòa f=6.106Hz khả đo lệch pha phút độ phân giải của phép đo mm Các thiết bị đo đạt độ xác 1mm/1000m 4.2.3 Đo biến thiên khoảng cách theo phương pháp tam giác lượng Phương pháp đo biến đổi khoảng cách đầu đo laser với bề mặt đo dựa nguyên lý tam giác lượng sử dụng tính chất truyền thẳng tia sáng laser hình 4.18 Tia laser X1 X2 M I a II b Hình 4.18 Nguyên lý đo theo tam giác lượng Ζ a- Phương pháp đo dựa tia phản xạ Tia laser chiếu tới bề mặt chi tiết đo vị trí Z0 với góc tới i bị phản xạ lại có tia phản xạ a Khi bề mặt điểm đo dịch chuyển lượng ∆Z, tia phản xạ b vị trí điểm ảnh tia laser cảm biến quang điện dịch chuyển lượng tương ứng: ∆h = ∆Zsin(2i) / cos(i) a i h Z0 Z Ζ b Tỷ số truyền chuyển đổi : K= ∆h/∆Z =sin(2i) / cos(i) Đồ thị hình 4.20 biểu thị tăng tỷ số truyền K theo tăng góc tới: i=300 có k= 1; vùng i300 2> k>1 Tuy nhiên, việc tăng góc tới i làm tăng kích thước kết cấu cảm biến ảnh hưởng đặc điểm phản xạ bề mặt chi tiết đo Hình 4.20: Đồ thị quan hệ K i b- Phương pháp đo theo tán xạ: Khi bề mặt điểm đo dịch chuyển lượng ∆Z, vị trí điểm ảnh tia laser cảm biến quang điện dịch chuyển lượng tương ứng: ∆h = β∆Zsin(i+γ)/cos(i) Tia Laser b1’ với:- β hệ số khuếch đại hệ quang -α gúc nghiêng trục hệ quang với pháp tuyến măt phẳng tới ∆h a1’ hq i γ CB a1 Z0 ∆Z Z b1 Hình 4.21: Nguyên lí đo theo tán xạ Tỷ số truyền: K = β∆Zsin(i+γ)/cos(i) Tỷ số truyền không kể đến hệ số phóng đại hệ quang: K’= sin(i+γ)/cos(i) Trờn đồ thị biểu diễn biến đổi K’ góc tới i với giá trị góc nghiêng γ quang trục γ1= 150;γ2=300 γ3= 12 (K) 450 11 Phương pháp tán xạ chịu ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt điểm đo song lại phụ thuộc vào đặc điểm tán xạ bề mặt chi tiết đo quang sai hệ quang 10 (i) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Sensor đo dịch chuyển Z4W-V hãng OMRON, cảm biến đo chuyển vị khơng tiếp xúc có độ xác cao dùng với nguồn sáng khả kiến đỏ, độ phân giải 10 µm, đầu tuyến tính đến 20 mA đến VDC, thời gian đáp ứng ms, khoảng cách đo 25 mm ± mm, độ phân giải 10 µm Các ứng dụng: Đo mực chất lỏng Đo độ căng Đo dao động Đo bề day,khối lượng Đo bề dầy Đo kích thước chiều cao 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 độ lớn phương U1 Chun ®ỉi U2 ?z Gương bán thấu Cơ cấu điều chỉnh Nguồn sáng f O Bề mặt vật đo z x Nguyờn lý hội tụ loạn thị Một nguồn điểm phát sáng qua hệ quang loạn thị , đặt mặt phẳng thu vị trí khác ta đốm sáng hình êlíp theo phương đứng phương ngang tùy theo mặt phẳng thu bên trái hay bên phải vị trí “0” (hình 25) Kết cấu hệ thống đo: Sơ đồ nguyên lý kết cấu hệ thống đo với hệ quang loạn thị : nguồn sáng, gương tách tia, thấu kính chuẩn trực, thấu kính trụ, mạng photodiode phần tử, vật kính đo cuộn dây điện động (hình Nối với mạng diode quang mạch điện khuếch đại sơ cấp , hình 4.27 Chênh lệch diện tích chiếu sáng hai cặp cảm biến quang (A + C) (B + D) biến đổi thành điện áp đầu khuếch đại, ta gọi tín hiệu sai lệch hội tụ có khả phản ánh thay đổi dịch chuyển ∆z phạm vi hẹp khoảng ±15 µm Đo góc quay laser vịng Phương pháp đo góc quay laser có buồng cộng hưởng dạng vịng dựa nguyên lý cộng vận tốc, hình 4.28 Hình 4.28 Laser vịng đo góc nhỏ Khi laser vịng quay quanh trục vơng góc với mặt phẳng vịng laser, làm sai lệch hiệu quang lộ hai chùm tia laser lan truyền ngược chiều Quang lộ tia thuận chiều lớn quang lộ tia ngược chiều làm cho tần sô xạ laser fth ,fng hai tia sai lệch lượng ∆f = fth –fng = ( 4A / λP ) ω -A diện tích hình laser vịng - λ bước sóng laser - P chu vi hình laser vịng - ω vận tốc góc laser vịng Độ nhậy cảm laser vịng với vận tốc góc cao đạt đến 0,003 độ / Cấu tạo thực tế laser vịng hình 4.28 Nhiễu xạ qua lỗ Nhiễu xạ qua dây nhỏ Đo kích thước nhỏ nhiễu xạ Hiệu ứng nhiễu xạ xảy ta chiếu chùm tia laser vào dây vật nhỏ có kích thước d có độ lớn gần với bước sóng ánh sáng laser Trên ảnh điểm sáng nhiễu xạ có có phân bố lượng tuân theo công thức Bragg: sinθ = nλ / 2d Hình 4.29 Hiện tượng nhiễu xạ Trên hình 4.30 sơ đồ nguyên lý đo thiết bị đo nhiễu xạ đo đường kính dây nhỏ Khả đo phương pháp đo đường kính dây đến 0,25µm với sai số đạt đến 5% Hình 4.30 Sơ đồ nguyên lý đo theo nhiễu xạ MEASURING HEAD DU 600 Measuring principle Diffraction Receiver CCD array Light source Laser diode, class Object diameter 600 µm (.00027 023 in.) Measuring field mm (.08 in.) Weight 1.3 kg (2.9 lbs.)