Tóm tắt Luận án Tính toán và chế tạo một số thiết bị xây dựng hệ thống đo phù hợp với điều kiện tại Việt Nam

1 
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. 
2 
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 
3 
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. 
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: 
a-Sơ đồ nguyên lý đo hấp thụ [8] b-Thiết bị đo phổ hấp thụ 
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên máy hồng ngoại phương pháp hấp thụ 
Hình 1.3: Nguyên lý đo bằng cách tử 
4 
 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 
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. 
Gương tĩnh 
Nguồn sáng 
BS 
Cơ cấu dịch chuyển 
Gương động 
5 
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. 
6 
2.2. Giao thoa kế Michelson 
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý giao thoa Michelson 
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: 
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. 
Vị trí đặt cảm biến 
quang điện 
Gt 
BS 
Lt 
Lđ 
Gđ 
O S1 
S2 
R2 R1 
S 
T 
ZPD 
7 
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: 
 1 2
gt
lr
V
f
T 
 , và 
2
gt
lr
V
f

(2.3) 
Trong đó :V là vận tốc dịch chuyển gương động, lr là bước sóng của nguồn sáng laser 
Như vậy tần số 
gtf 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 do đó phương trình 
(2.16) được viết lại như phương trình sau: 
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: 
F
G V
C 
B
R 
Laser
BS1
LIA-1
Khí nén
M3
Voice
coil
M2
BS3
PBS2
S S1
S2
G1 G2
G4
P
MCT
M1
S12
S12'
IR2
IR2'
S11S11'
S11'
S12'
IR1IR1'
IR1'
IR2'
G3
PC
Pr1
Pr2
S22
S22'
S21'
S22'
S21S21'
IR 
F1
G5
PD-1
AD-1
PD-2
AD-2
PD-3
AD-3
BS4
G6
DAQ

Hình 2. 3: Sơ đồ máy phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ. 
8 
Bảng 2.1 Các thành phần của hệ thống đo phổ hồng ngoại 
Ký hiệu Tên gọi 
S : Nguồn sáng laser 
BS1 : Lăng kính chia chùm laser 
PBS2 : Lăng kính chia chùm – phân cực laser 
BS3 : Tấm chia chùm hồng ngoại 
M1 : Gương động 
M2 : Gương tĩnh 
M3 : Gương tĩnh 
G1,G2,G3,G4,G5,G6 : Gương phản xạ 
P : Gương Parabol hội tụ 
MCT : Detector hồng ngoại 
Pr1 : Tấm phân cực đặt xoay góc 00 
Pr2 : Tấm phân cực đặt xoay góc 450 
/4 : Tấm ¼ bước sóng 
PD-1, PD-2, PD-3 : Cảm biến laser Photodiode 
FG : Máy phát tần số 
VC : Động cơ voice - ...  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 
gương động. 
Hình 4.7:. Quãng đường dịch chuyển của 
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 
17 
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-14-10-
LN) 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 1mm x 1mm 
Dải phổ =2÷15m 
Độ nhạy 5,4 x 1010 cm-Hz1/2/W, min 
Chất làm lạnh Ni tơ lỏng 
Thời gian giữ lạnh 12 giờ 
Trường quan sát FOV 60o 
Đáp ứng 3.0 x 106 v/w mức cao, 106 v/w mức thấp 
10kHz 5.5 x 106 /10 -7 V/Hz1/2 
1kHz 8.0 x 106 /10 -7 V/Hz1/2 
Trở kháng 30 Ohm 
Điện áp ± 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. 
18 
Bảng 4.11. Danh mục các thiết bị hệ thu nhận tín hiệu 
STT Tên gọi Ký hiệu 
1 : Máy phát tần số FG 
2 : Bộ thu nhận laser chuyển đổi AD Laser ADC 
3 : Bộ trích xuất đồng bộ và khuếch đại LIA-1 
4 : Bộ thu thập số liệu DAQ 
5 : Máy vi tính PC 
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 
0.5MHz đến 5Mhz : max 0.5dB 
Tín hiệu ra TTL 5V 
Tỷ lệ thay đổi tần số 1:100 
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 Bộ lọc
FG
Tín hiệu vào
T
ín
 h
iệ
u
 c
h
u
ẩn
Tín hiệu ra
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 
19 
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 
9 
4 
3
T 
6 
8
S 
5 
7 
10 
1 
2
T 
Hình 4.14: Thiết 
lập và căn chỉnh 
hệ thống đo phổ 
Trước khi tiến 
hành đo, hệ thống 
phải được kiểm 
tra hiệu chỉnh. 
Hình 4.13: Hệ thống thiết bị đo hồng ngoại 
20 
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. 
Bảng 4.15. Bảng thông số thiết bị thử nghiệm 
TT Tên gọi Thông số Ghi chú 
1 Nguồn phát hồng ngoại đèn sợi đốt P=150W 
2 Khoảng cách từ đèn tới máy đo L=300-500mm 
3 Tần số cấp VC và tham chiếu f=8Hz 
4 Điện áp (biên độ) tín hiệu tham chiếu U=5V Dạng Sin 
5 Laser tham chiếu =632.8nm 
6 Tần số dịch chuyển gương động F=25kHz 
7 Cảm biến hồng ngoại MCT =2-15m Làm lạnh ni tơ lỏng 
8 Bộ LIA Khuếch đại 1k 
Tần số CUT-OFF 
(1000 lần) 
0.01(s) 
21 
4.9.1. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn sợi đốt 
- Số lượng mẫu lấu N:2018 
- Hệ số khuếch đại 1k. 
- Tần số cắt OFF:TC=0,01(s) 
- Tần số giao thoa =35kHz 
- Bước sóng tham chiếu =630nm 
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 
- Hệ số khuếch đại 1k. 
- Tần số cắt OFF:TC=0,01(s) 
- Tần số giao thoa =35kHz 
- Bước sóng tham chiếu =630nm 
22 
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) 
- Tần số giao thoa =35kHz 
- Bước sóng tham chiếu =630nm 
Hình 4.22: Đồ thị số sóng của amonia 
 khoảng các 200mm 
Hình 4.23: Đồ thị số sóng của amonia 
khoảng các 500mm 
23 
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 5-
20mV. Đồ thị sau 3 lần đo cho thấy độ lặp lại của kết quả đạt đến 90%. 
2
1
1
( )
N
i tb
N
    , Với N=3, 1=3,336, 2=3,104, 3=3,084, tb=3,174 
 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. 
24 
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.