Tài liệu Nghiên cứu phương pháp đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser michelson

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, thực hành và đánh giá trung thực, khách quan. Thiết bị và các kết quả nghiên cứu được tiến hành và thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Quang cơ điện tử, Bộ môn Cơ khí chính xác và quang học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS. Nguyễn Văn Vinh Doãn Giang PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Mai 1 LỜI CÁM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã nhận được nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các Thầy Cô và bạn bè đồng nghiệp. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành nhất đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới hai Thầy Cô hướng dẫn là PGS,TS. Nguyễn Văn Vinh và PGS,TS. Nguyễn Thị Phương Mai, các Thầy Cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành được các nội dung luận án. Tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành tới Quý Thầy Cô Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học đã góp ý cho tôi những ý kiến bổ ích, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được thực hành thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu học tập. Những nhận xét và đánh giá của Quý Thầy cô, đặc biệt là những gợi ý về hướng giải quyết vấn đề trong suốt quá trình nghiên cứu thực sự là những bài học vô cùng quý giá đối với tôi không chỉ trong quá trình viết luận án mà cả trong quá trình hoạt động chuyên môn sau này. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các anh chị em công tác tại Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, tập thể nghiên cứu sinh tại Bộ môn đã chia sẻ cũng như tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành nội dung luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đo lường Quốc gia; Trung tâm Đo lường Quân đội, đã giúp đỡ tôi trong quá trình kiểm tra đánh giá kết quả thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Bộ tư lệnh Hóa học - Bộ Quốc phòng; Ban lãnh đạo, chỉ huy Viện Hóa học - Môi trường quân sự đã tạo mọi điều kiện về thời gian, bố trí công việc giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Cuối cùng xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã chia sẻ, động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án Doãn Giang 2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................................................6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .........................................................................................................7 DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................................8 MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................12 1.Tính cấp thiết của đề tài luận án .............................................................................................12 2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ..................................................12 3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................................13 4. Những kết quả của luận án ....................................................................................................13 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI ..............................................................................................................................14 1.1.Đặt vấn đề ............................................................................................................................14 1.2.Bức xạ hồng ngoại ...............................................................................................................14 1.3.Bức xạ của các chất trong tự nhiên ......................................................................................16 1.4.Thiết bị đo phân tích phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier .........................................17 1.5.Tổng quan về thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier....................................20 1.6. Ứng dụng hồng ngoại trong phân tích phát hiện các chất hóa học .....................................21 1.7. Một số kỹ thuật dịch chuyển gương động trong giao thoa kế Michelson ..........................23 1.7.1. Kỹ thuật dịch chuyển thẳng .........................................................................................23 1.7.2. Kỹ thuật quay gương ...................................................................................................24 1.7.3. Kỹ thuật sử dụng kiểu quay và đàn hồi ......................................................................24 1.8. Kỹ thuật thu nhận và xử lý số liệu đo .................................................................................25 1.9. Các giải pháp ổn định về rung động và chống nhiễu khi đo ..............................................25 1.10. Kết luận ............................................................................................................................27 1.11. Hướng nghiên cứu của luận án .........................................................................................27 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐO BỨC XẠ HỒNG NGOẠI BẰNG GIAO THOA KẾ MICHELSON LASER ................................................................................................28 2.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................................28 2.2. Giao thoa kế Michelson ......................................................................................................28 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý giao thoa Michelson ........................................................................28 2.2.2. Sự thay đổi của cường độ của ảnh giao thoa. .............................................................29 2.2.3. Sự thay đổi của vân giao thoa ......................................................................................30 2.2.4. Xác định tần số dịch chuyển của gương động trong hệ giao thoa ...............................33 2.3. Máy phân tích phổ hồng ngoại hấp thụ sử dụng giao thoa kế Michelson ..........................34 2.4. Xây dựng sơ đồ máy đo phổ hồng ngoại bằng giao thoa Michelson .................................38 2.4.1. Sơ đồ nguyên lý đo ......................................................................................................38 2.4.2. Mô tả hoạt động hệ thống đo .......................................................................................39 2.4.3. Đo và lấy mẫu tín hiệu.................................................................................................40 3 2.5. Thu nhận và xử lý tín hiệu đo phổ bức xạ hồng ngoại .......................................................44 2.6. Ứng dụng vào hệ đo phổ hồng ngoại ..................................................................................46 2.7. Xử lý tín hiệu bằng phép biến đổi Fourie-Transform .........................................................49 2.8.Ưu điểm của phương pháp phân tích phổ FT-IR sử dụng giao thoa kế Michelson.............53 2.8.1. Độ phân giải và độ chính xác cao ................................................................................53 2.8.2. Đa bước sóng ...............................................................................................................53 2.8.3. Năng lượng truyền qua lớn ..........................................................................................54 2.9.Kết luận chương 2 ...............................................................................................................56 CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG PHỔ HỒNG NGOẠI BẰNG KỸTHUẬT ĐIỀU BIẾN PHA ..........................................................................................57 3.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................................57 3.2. Kỹ thuật trích xuất đồng bộ và khuếch đại .........................................................................57 3.3. Các kỹ thuật điều biến sử dụng trong phân tích phổ hồng ngoại .......................................60 3.3.1. Kỹ thuật điều biến biên độ...........................................................................................60 3.3.2. Điều biến tần số ...........................................................................................................62 3.3.3. Kỹ thuật điều biến pha .................................................................................................64 3.4. Xác dịnh biên độ và tần số điều biến tối ưu sử dụng trong phương pháp điều biến pha....67 3.5. Kết luận chương 3 ..............................................................................................................69 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..............71 HỆ THỐNG ĐO PHỔ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI ........................................................................71 4.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................................71 4.2. Xác định lựa chọn thông số các thiết bị của hệ thống ........................................................71 4.2.1. Hệ thống cơ khí ...........................................................................................................71 4.2.2. Đệm khí cho gương động ............................................................................................72 4.2.3. Đông cơ voice coil - VC ..............................................................................................73 4.3. Tích hợp máy đo giao thoa .................................................................................................74 4.4. Bàn cách ly rung động ........................................................................................................75 4.5. Hệ giao thao laser ...............................................................................................................80 4.5.1 Nguồn phát laser ...........................................................................................................80 4.5.2 Gương phản xạ và lăng kính chia chùm .......................................................................81 4.6. Hệ giao thoa hồng ngoại .....................................................................................................81 4.6.1. Gương phản xạ hồng ngoại.........................................................................................82 4.6.2. Lựa chọn gương Parabol hội tụ ...................................................................................84 4.6.3. Lựa chọn tấm chia chùm hồng ngoại...........................................................................85 4.6.4. Lựa chọn Cảm biến hồng ngoại ...................................................................................86 4.7. Hệ thông thu nhận xử lý tín hiệu ........................................................................................87 4.7.1. Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn (Function Generator-FG) ..........................................88 4.7.2. Bộ khuếch đại lock-in amplifier (LIA) ........................................................................88 4 4.7.3. Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC và thu nhận dữ liệu DAQ ...............................89 4.8. Thiết lập và căn chỉnh hệ thống ..........................................................................................90 4.8.1 Thiết lập và căn chỉnh hệ thống giao thoa laser ...............................................................90 4.8.2. Hiệu chỉnh detector hồng ngoại .......................................................................................91 4.9. Đo thử nghiệm hoạt động của hệ thống với mội số nguồn phát xạ hồng ngoại .................93 4.9.1. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn sợi đốt công suất 100w ..................94 4.9.2. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn sợi đốt công suất 150w ..................95 4.9.3. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn sợi đốt công suất 200w ..................96 4.9.4. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn halogen khoảng cách 200mm ........97 4.9.5. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn halogen khoảng các 300mm ..........98 4.9.6. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn halogen khoảng cách 900mm ........99 4.9.7. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn halogen khoảng cách 2000mm ....100 4.9.8. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn halogen khoảng cách 3000mm ....101 4.9.9. Đo kiểm tra nguồn phát xạ hồng ngoại bằng đèn halogen khoảng cách 5000mm ....102 4.9.10. Đo kiểm tra bức xạ mẫu chất amonia khoảng cách 250mm lần 1 ...........................103 4.9.11. Đo kiểm tra bức xạ mẫu chất amonia khoảng cách 250mm lần 2 ...........................104 4.9.12. Đo kiểm tra bức xạ mẫu chất amonia khoảng cách 250mm lần 3 ...........................105 4.10. Kết luận chương 4 ..........................................................................................................106 KẾT LUẬN .................................................................................................................................107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................................109 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Bộ tách tia ADC Analog Digital Converter BS Beam Splitter DAC Digital-Analog Convertor DFT Discrete Fourier Transform Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Biến đổi Fourier rời rạc DIR Detector Infrared Radiation Cảm biến đo bức xạ hồng ngoại DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số EMR Electric magnetic Radiation Bức xạ điện từ EOM Electro-optic modulator Điều biến quang điện FC Frequency Counter Bộ đếm tần số FFT Fast Fourie Transform Biến đổi Fourie nhanh FIR Far Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại xa FT Fourie Transform Biến đổi Fouire FT-IR Fourie Transform – Infared Radiation Phổ hồng ngoại được xác định bằng biến đổi Fourie IR Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại LD Laser Diode Nguồn laser diode LIA Lock-in amplifier Bộ trích xuất đồng bộ và khuếch đại MCT Mercury-Cadmium-Telluride Cảm biến hồng ngoại MCT MIR Mid Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại trung NIR Near Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại gần S Light Source Nguồn sáng S&H Sampling and Hold Lấy mẫu tín hiệu USB Universal Serial Bus Bus truyền thông đa năng ZPD Zero path difference Điểm cân bằng DAQ Data acquisition Bộ thu nhận dữ liệu LPF low-pass filter Lọc tần số thấp FG Function generator Bộ tạo dao động FTS Fourier Transform Spectrometer Phổ biến đổi Fourier 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Tiếng Việt  : Góc phi  : Bước sóng  : Số pi  : Thời gian trễ  : Tần số góc  : Số sóng l : Quang lộ µm : Micromet A : Hệ số hấp phụ d : Quãng đường dịch chuyển gương động f : Fgt : Tần số Tần số hệ giao thoa fr : Tần số của tín hiệu tham chiếu fs : Tần số của tín hiệu mẫu I : Cường độ sáng Imax : Cường độ sáng cực đại Imin : Cường độ sáng cực tiểu K : Nhiệt độ K t : Thời gian T : Chu kỳ V : Độ nét của tín hiệu Vr : Tín hiệu tham chiếu Vs : Tín hiệu mẫu m : Tần số cộng hưởng  cs : Hệ số nén của cao su  lx : Hệ số nén của lò xo 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân vùng bước sóng hồng ngoại .................................................................................14 Bảng 1.2. Thông số của bức xạ điện từ trường..............................................................................16 Bảng 1.3. Tần số dao động cơ bản của một số liên kết phân tử ....................................................17 Bảng 2.1 Các thành phần của hệ thống đo phổ hồng ngoại...........................................................38 Bảng 2.2. Bảng trạng thái các tín hiệu ...........................................................................................47 Bảng 3.1. Điều kiện thí nghiệm xác định độ tương phản của vân giao thoa .................................68 Bảng 4.1 Danh mục các thiết bị hệ thống cơ khí ...........................................................................72 Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật bộ đệm khí dịch chuyển thẳng ........................................................73 Bảng 4.3 Thông số động cơ cuộn cảm ..........................................................................................74 Bảng 4.4. Các thông số thử nghiệm...............................................................................................76 Bảng 4.5 Danh mục các thiết bị hệ laser .......................................................................................80 Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của nguồn He-Ne laser .....................................................................81 Bảng 4.7 Danh mục các thiết bị hệ hồng ngoại IR ........................................................................81 Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật của gương phản xạ ..........................................................................82 Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật của gương parabol hội tụ.................................................................84 Bảng 4.10: Thông số kỹ thuật của lăng kính chia chùm ...............................................................86 Bảng 4.11: Thông số kỹ thuật của cảm biến ................................................................................87 Bảng 4.12. Danh mục các thiết bị hệ thu nhận tín hiệu .................................................................87 Bảng 4.13: Thông số bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn ...................................................................88 Bảng 4.14 Thông số kỹ thuật của bộ LIA (PS-1) ..........................................................................89 Bảng 4.15: Thông số kỹ thuật bộ ADC- VDS-3102 ....................................................................89 Bảng 4.16. Bảng thông số thiết bị thử nghiệm ..............................................................................93 Bảng 4.17. Bảng số liệu bước sóng đèn sợi đốt, công suất 100W ................................................94 Bảng 4.18. Bảng số liệu bước sóng đèn sợi đốt, công suất 150W ................................................95 Bảng 4.19. Bảng số liệu bước sóng đèn sợi đốt, công suất 200W ................................................96 Bảng 4.20. Bảng số liệu bước sóng đèn halogen đo khoảng các 200mm .....................................97 Bảng 4.21. Bảng số liệu bước sóng đèn halogen đo khoảng cách 500mm ...................................98 Bảng 4.22. Bảng số liệu bước sóng đèn halogen đo 900mm ........................................................99 Bảng 4.23. Bảng số liệu bước sóng đèn halogen đo khoảng cách 2000mm ............................... 100 Bảng 4.24. Bảng số liệu bước sóng đèn halogen đo khoảng cách 3000mm ............................... 101 Bảng 4.25. Bảng số liệu bước sóng đèn halogen đo 5000mm ....................................................102 8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô tả sóng điện từ trong không gian[78] ......................................................................14 Hình 1.2: Phân bố năng lượng của bức xạ nhiệt theo định luật Wiens .........................................15 Hình 1.3: Trạng thái dao động của phân tử ...................................................................................16 Hình 1.4: Đo phổ bằng cách tử ......................................................................................................18 Hình 1.5: Nguyên lý đo bằng cách tử ............................................................................................18 Hình 1.6 : Phương pháp đo bằng giao thoa kế Fabry-Perot; .........................................................18 Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị phân tích phổ hồng ngoại bức xạ ............................................................19 1-Nguồn sáng, 2-Bộ tách tia, 3- Gương tĩnh, 4-Gương động, 5- Detector ....................................19 Hình 1.8: Sơ đồ thiết bị phân tích phổ hồng ngoại bức xạ ............................................................20 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên máy hồng ngoại phương pháp hấp thụ ...................................................21 Hình 1.10: Ứng dụng của thiết bị đo và giám sát hồng ngoại từ xa ..............................................22 Hình 1.11: Giám sát các mục tiêu cố định .....................................................................................23 Hình 1.12: Sơ đồ dịch chuyển gương động thẳng .........................................................................23 Hình 1.13: Kỹ thuật quay gương [73] ...........................................................................................24 Hình 1.14: Kỹ thuật dịch chuyển kiểu lắc khung [73]...................................................................24 Hình 1.15: Bàn cách ly bằng đệm cao su ......................................................................................26 Hình 1.16: Bàn cách ly bằng đệm lò xo ........................................................................................26 Hình 1.17. Bàn cách ly bằng đệm khí............................................................................................26 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Michelson ......................................................................28 Hình 2.2: Ảnh của vân giao thoa tại màn ảnh T ............................................................................29 Hình 2.3: Đồ thị gương động dịch chuyển đều .............................................................................30 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d=0 ..........................................................................31 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý tạo vân tối khi d= /2 .........................................................................31 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý tạo vân sáng khi d=  .........................................................................32 Hình 2.7: Ảnh thu vân giao thoa và vị trí cảm biến.......................................................................32 Hình 2.8: Mô tả sóng dao động sau khi giao thoa .........................................................................33 Hình 2.9: Máy đo phổ hồng ngoại hấp thụ sử dụng giao thoa kế Michelson ................................34 Hình 2.10: Giao thoa của nguồn 9 bước sóng ...............................................................................35 Hình 2.11: Biến đổi Fourier từ đồ thị giao thoa của nguồn bức xạ [44] .......................................37 Hình 2.12. Tín hiệu giao thoa tổng hợp xung quanh vị trí cân bằng [26] .....................................38 Hình 2.13: Sơ đồ máy phân tích phổ hồng ngoại bức xạ ..............................................................38 Bảng 2.1 Các thành phần của hệ thống đo phổ hồng ngoại...........................................................39 Hình 2.14: Đồ thị laser thu được từ 2 cảm biến PD2 và PD3. ......................................................42 Hình 2.15: Đồ thị laser thu được từ 2 cảm biến PD2 và PD3 .......................................................42 9 Hình 2.16: Ảnh giao thoa của nguồn laser phân tách thành 2 tia lệch pha nhau. ..........................44 Hình 2.17: Sơ đồ quá trình xử lý tín hiệu đo .................................................................................44 Hình 2.18. Mô tả tín hiệu được lấy mẫu [7]. .................................................................................45 Hình 2.19: Tín hiệu sau khi lấy mẫu .............................................................................................45 Hình 2.20: Sơ đồ lấy mẫu tín hiệu giao thoa hồng ngoại .............................................................46 Hình 2.21: Ảnh giao thoa của nguồn hồng ngoại ..........................................................................48 Hình 2.22: Mô tả tín hiệu theo thời gian .......................................................................................48 Hình 2.23: Sơ đồ giải thuật biến đổi FT cho nguồn hồng ngoại ...................................................51 Hình2.24 Tín hiệu giao thoa của đèn nhiệt và chuyển đổi sang tần số .........................................52 Hình 2.25: Đồ thị phổ bước sóng của đèn nhiệt ............................................................................53 Hình 2.26. Máy phân tích phổ sử dụng cách tử phản xạ [22]........................................................54 Hình 2.27 Thông lượng bức xạ đi vào hệ quang của máy đo hồng ngoại .....................................54 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của bộ LIA[79] ...................................................................................57 Hình 3.2 Tín hiệu đo nằm trong nền nhiễu[58] .............................................................................58 Hình 3.3 Bộ nhân tín hiệu đo với tín hiệu chuẩn[29] ....................................................................58 Hình 3.4 Tín hiệu sau bộ nhân [79] ...............................................................................................59 Hình 3.5. Tín hiệu sau bộ lọc cho qua tần số thấp[79] ..................................................................59 Hình 3.6 Điều biến biên độ............................................................................................................60 Hình 3.7 Thiết bị phân tích phổ sử dụng kỹ thuật điều biến biên độ [74]. ....................................60 Hình 3.8 Phân tích phổ hồng ngoại sử dụng kỹ thuật điều biến tần số. ........................................63 Hình 3.9 Đồ phổ hấp thụ của C2H2 sử dụng kỹ thuật điều biến tần số ........................................64 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại hấp thụ - điều biến pha .......................................65 Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của hệ thống đo sử dụng LIA ...........................................................68 Hình 3.12: Tín hiệu giao với cùng biên độ điều biến 6 V .............................................................69 Hình 3.13.Tín hiệu giao thoa với cùng tần số điều biến 8 Hz .......................................................69 Hình 3.14 Tín hiệu thành phần bậc một trích xuất từ tín hiệu giao thoa laser ..............................69 Hình 4.1. Thiết bị đo phổ bức xạ hồng ngoại. ...............................................................................71 Hình 4.2 Nguyên lý dịch chuyển đệm khí gương động .................................................................72 Hình 4. 3 Đệm khí dịch chuyển thẳng ...........................................................................................73 Hình 4.4: Động cơ cuộn cảm .........................................................................................................73 Hình 4.5: Thiết kế mô phỏng thiết bị ............................................................................................74 Hình 4.6.Bàn cách ly rung động 2 cấp. .........................................................................................75 Hình 4.7. Đồ thị hàm truyền T 1 phụ thuộc tần số kích động ........................................................76 Hình 4.8. Đồ thị hàm truyền T 2 phụ thuộc tần số kích động ........................................................77 Hình 4.9. Ảnh hưởng của khối lượng m2 đến các hàm truyền ......................................................77 Hình 4.10. Mô hình thử nghiệm bàn giảm chấn ............................................................................78 Hình 4.11. Đồ thị quan hệ tải trọng và hệ số giảm chấn ...............................................................78 10 Hình 4.12: Kiểm tra tín hiệu giao thoa qua bàn giảm chấn ...........................................................79 Hình 4.13. Tín hiệu giao thoa khi chưa có bàn giảm chấn ............................................................79 Hình 4.14. Tín hiệu giao thoa khi có bàn giảm chấn .....................................................................79 Hình 4.16: Gương phản xạ phẳng..................................................................................................82 Hình 4.17. Quãng đường dịch chuyển của gương động khi gương bị nghiêng.............................83 Hình 4.18. Gương parabol hội tụ ...................................................................................................84 Hình 4.19: Tấm chia chùm hồng ngoại .........................................................................................85 Hình 4.20. Cảm biến hồng ngoại ...................................................................................................87 Hình 4.21. Bộ tạo tín hiệu dao động chuẩn ...................................................................................88 Hình 4.22. Bộ lock-in amplifier.....................................................................................................88 Hình 4.23: Bộ chuyển đổi ADC ....................................................................................................89 Hình 4.24. Hệ thống thiết bị đo hồng ngoại ..................................................................................90 Hình 4.25: Tín hiệu điều chỉnh hệ giao thoa .................................................................................91 Hình 4.26: So sánh tín hiệu điều chỉnh hệ giao thoa khi có giảm chấn .........................................91 Hình 4.27: Tín hiệu giao thoa của nguồn hồng ngoại ...................................................................92 Hình 4.28. So sánh tín hiệu giao thao hồng ngoại .........................................................................93 Hình 4.29. Đồ thị bước sóng hồng ngoại.......................................................................................93 Hình 4.30: Kết quả đo của đèn sợi đốt 100w ................................................................................94 Hình 4.31: Kết quả đo của đèn sợi đốt 150w ................................................................................95 Hình 4.32: Kết quả đo của đèn sợi đốt 200w ................................................................................96 Hình 4.33: Kết quả đo của đèn halogen khoảng cách 200mm ......................................................97 Hình 4.34: Kết quả đo của đèn halogen khoảng cách 500mm ......................................................98 Hình 4.35: Kết quả đo của đèn halogen khoảng cách 900mm ......................................................99 Hình 4.36: Kết quả đo của đèn halogen khoảng cách 2000mm ..................................................100 Hình 4.37: Kết quả đo của đèn halogen khoảng cách 3000mm ..................................................101 Hình 4.38: Kết quả đo của đèn halogen khoảng cách 5000mm ..................................................102 Hình 4.39: Đồ thị kết tín hiệu và tần số mẫu chất amonia lần 1..................................................103 Hình 4.40: Đồ thị phổ số sóng của mẫu chất amonia lần 1 .........................................................103 Hình 4.41: Đồ thị kết tín hiệu và tần số mẫu chất amonia lần 2..................................................104 Hình 4.42: Đồ thị phổ số sóng của mẫu chất amonia lần 2 .........................................................104 Hình 4.43: Đồ thị kết tín hiệu và tần số mẫu chất amonia lần 3..................................................105 Hình 4.44: Đồ thị phổ số sóng của mẫu chất amonia lần 3 .........................................................105 11 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài luận án Thiết bị đo và phân tích bằng phổ bức xạ hồng ngoại là một phương tiện đo hiện đại, sử dụng trong phân tích thành phần chất hóa học hoặc giám sát khí thải của các nhà máy công nghiệp hay các vụ nổ hóa chất. Trong thiết bị này kết hợp giữa kỹ thuật quang học, cơ khí và xử lý tín hiệu bằng máy tính. Các thiết bị này có giá thành rất cao và kỹ thuật công nghệ được các nhà sản xuất nắm giữ. 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. Hiện nay, trên thế giới có một số phương pháp đo bức xạ này như đo trực tiếp, đo hệ số hấp thụ qua mẫu… Tuy nhiên, các phương pháp này sử dụng vào các mục đích nghiên cứu phân tích các tần số dao động để phân loại và ứng dụng. Phương pháp đo phổ hồng ngoại bức xạ 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 và kết quả đo. Tính toán thiết kế và chế tạo mô hình thử nghiệm. 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 phương pháp đo phổ bức xạ hồng ngoại bằng giao thoa kế laser Michelson dựa trên nguyên lý đo bức xạ. 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. 12 2.3. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm2 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. 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. Với nghiên cứu trên, luận án đã thực hiện các nội dung của phương pháp đo. Đây là phương pháp đo mới, hiện tại trên thế giới chỉ có 1 số rất ít các nước nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu này mở ra những khả năng ứng dụng và chế tạo phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. 13 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, trong chương này các tính chất cơ bản và ứng dụng của bức xạ hồng ngoại sẽ được tác giả trình bày. Tính chất của bức xạ hồng ngoại là cơ sở ra đời của các thiết bị phân tích phổ. Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hóa học, sinh học hay môi trường. Các dạng cơ bản của thiết bị phân tích phổ hồng ngoại và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy và độ phân giải của thiết bị được nghiên cứu phân tích. 1.2.Bức xạ hồng ngoại Tia hồng ngoại là một loại bức xạ điện từ (Electric Magnetic Radiation, EMR) với bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy do đó không nhìn thấy được, nó còn được gọi là ánh sáng hồng ngoại. Dải bước sóng từ 0,78µm đến 1000 µm, tần số phát ra từ 300 GHz đến 430 THz. Như tất cả các nguồn sáng, bức xạ hồng ngoại IR mang năng lượng bức xạ, và hoạt động giống như một hàm lan truyền sóng trong không gian theo phương điện trường, từ trường và mang tính chất lượng tử của nó là các hạt photon mang điện tích. Hình 1.1: Mô tả sóng điện từ trong không gian[78] 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 Do tính chất của bức xạ điện từ nên tất cả các tia hồng ngoại tuân theo định luật bức xạ Plank khi chúng bị kích thích làm thay đổi trạng thái mức năng lượng và sinh ra các dao động điện từ trường. Mọi vật khi nung nóng sẽ bức xạ sóng điện từ [18], nhiệt độ vật càng cao thì bước sóng bức xạ phát ra càng ngắn. Vật đen tuyệt đối là vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn bức 14 xạ chiếu tới. Năng suất hấp thụ với mọi bước sóng () = 1. Theo định luật Kirchhoff khi ở cân bằng nhiệt vật có khả năng hấp thụ mạnh bước sóng nào thì cũng có khả năng bức xạ mạnh bước sóng đó. Vì vậy, vật đen tuyệt đối là vật có năng suất bức xạ mạnh. Hơn thế, phân bố năng lượng bức xạ [8] của vật đen tuyệt đối theo bước sóng ở một nhiệt độ cho trước tính bởi công thức Planck: (1.1) Trong đó: r(,T) là công suất bức xạ của vật đen tuyệt đối; c =3.108m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không; h = 6,626.10-34J.s là hằng số Planck ; k = 1,38054.10-23J/K là hằng số Boltzman. Hình 1.2: Phân bố năng lượng của bức xạ nhiệt theo định luật Wiens Như vậy, vật đen tuyệt đối có thể bức xạ ở mọi vùng bước sóng, nhiệt độ để công suất bức xạ lớn nhất ứng với bước sóng  là:   nm   2,896.106 T (1.2) Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối K. Để có bức xạ phổ liên tục trong vùng hồng ngoại người ta thường dùng các thanh bán dẫn đốt nóng. Điển hình là nguồn hồng ngoại dùng thanh carbua silic (SiC) đốt nóng. Khi nung nóng đến nhiệt độ 1300-1500K bằng cách cho dòng điện chạy qua thanh SiC phổ bức xạ có thể kéo dài từ 1-40m. Tất cả các vật thể đều phát xạ hồng ngoại như là một đặc tính nhiệt độ của chúng. Năng lượng hồng ngoại được tạo ra do rung động và chuyển động quay của nguyên tử và phân tử, nhiệt độ càng cao, nguyên tử và phân tử chuyển động càng nhiều, càng tạo ra nhiều bức xạ hồng ngoại. Bảng 1.1 trình bày các thông số về bước sóng, tần số, năng lượng của các dải bức xạ trong phổ bức xạ điện từ trường [4], [8]. Bức xạ trong vùng hồng ngoại có thể có bước sóng và năng 15 lượng trung bình so với các dải bức xạ còn lại trong giải phổ bức xạ điện từ trường. Tuy nhiên, có hai đặc trưng quan trọng của bức xạ hồng ngoại đó là bức xạ hồng ngoại được tạo ra chủ yếu bởi các vật thể nóng và bức xạ hồng ngoại bị hấp thụ bởi các phân tử khi chuyển mức năng lượng. Đặc trưng đầu tiên cho phép xây dựng bản đồ nhiệt của vật thể hay khu vực do đó ứng dụng trong phát hiện vật thể trong đêm hay cảnh báo cháy rừng, hỏa hoạn. Đặc trưng thứ hai cho phép phát hiện các phân tử hay phân tích các hợp chất thông qua xác định tần số bị hấp thụ. Tần số bị hấp thụ chính là tần số cộng hưởng tự nhiên khi phân tử hấp thụ photon. Đặc trưng này sẽ tiếp tục được làm rõ trong phần tiếp theo của luận án. Bảng 1.2. Thông số của bức xạ điện từ trường Bước sóng Tên Tần số (Hz) Năng lượng photon (eV) Radio 1 mm - 100000 km 300 GHz - 3 Hz 12.4 feV - 1.24 meV Vi ba 1 mm - 1 met 300 GHz - 300 MHz 1.7 eV - 1.24 meV Tia hồng ngoại 700 nm - 1 mm 430 THz - 300 GHz 1.24 meV - 1.7 eV Ánh sáng nhìn thấy 380 nm-700 nm 790 THz - 430 THz 1.7 eV - 3.3 eV Tia tử ngoại 10 nm - 380 nm 30 PHz - 790 THz 3.3 eV - 124 eV Tia X 0,01 nm - 10 nm 30 EHz - 30 PHz 124 eV - 124 keV Tia gamma ≤ 0,01 nm ≥ 30 EHz 124 V - 300+ GeV 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 [14] 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. Với 2 nguyên tử A và B tác dụng với nhau tạo thành phân tử AB. Gọi r là khoảng cách giữa hai nhân của nguyên tử A và B, r là không phải không đổi mà ở những điều kiện xác định sẽ dao động từ giá trị nhỏ nhất rmin đến giá trị lớn nhất rmax. Từ rmin sang rmax, r có đi qua giá trị cân bằng r(e), là giá trị có xác suất lớn nhất giữa hai nguyên tử [8]. Người ta nói phân tử AB đã thực hiện chuyển động dao động (nội lực). 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 1.3: Trạng thái dao động của phân tử 16 Trong trường hợp phân tử lưỡng nguyên, với gần đúng dao động điều hòa, độ dài liên kết phân tử dao động điều hòa như một lò xo có độ cứng k=f12. Giá trị f12 được gọi là hằng số lực liên kết. Tần số dao động riêng phụ thuộc vào hằng số lực liên kết: 1 2 v0  với M  (1.10) f12  Hz  M m1m2 m1  m2 Trong quang phổ học dao động người ta thường tính tần số theo đơn vị số sóng (số bước sóng trên một đơn vị độ dài) [8]. ~ v v 1  cm1  c  Nếu khối lượng được tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử u và hằng số lực được tính theo N/cm (= mdyne/A0), tần số dao động phân tử có thể được tính theo công thức: ~ v  1303 (1.11) f12 cm1  M Trong một số vật chất tồn tại những dao động trong dải bước sóng hồng ngoại như sau: Bảng 1.3. Tần số dao động cơ bản của một số liên kết phân tử -C-H Hằng số lực (N/m) 4,79 Tần số đặc trưng (cm-1) 2960 Tần số tính toán (cm-1) 2966 2 =C-H 5,1 3020 3066 3 C-H 5,85 3300 3277 4 -C-C-C 4,5 900 1127 5 -C=C- 9,6 1650 1644 6 -CC- 15,6 2050 2099 7 -N-H 6,35 3350 3396 8 -C=0 12,1 1700 1730 9 -CN 15,9 2100 2041 STT Liên kết 1 1.4.Thiết bị đo phân tích phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier 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. Thiết bị này hoạt động dựa trên sự tương tác giữa bức xạ hồng ngoại và các chất. Phổ hồng ngoại cung cấp các photon với năng lượng thấp có thể kích thích rung động liên kết hóa học và do đó bị hấp thụ bởi các phân tử hay hợp chất như đã trình bày ở 17 trên. Phương pháp phổ là phương pháp dựa trên khả năng hấp thụ, bức xạ, tán xạ, phản xạ hoặc khúc xạ có chọn lọc của các chất khác nhau với các loại bức xạ khác nhau [4]. 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 [23] cũng như nghiên cứu khả năng dẫn điện của vật liệu [25]. Có nhiều kỹ thuật phân tích phổ hồng ngoại như sử dụng lăng kính phân tích hay cách tử [26]. Hình 1.4: Đo phổ bằng cách tử Hình 1.5: Nguyên lý đo bằng cách tử Cường độ giao thoa là một hàm của hiệu quang lộ giữa hai nhánh của giao thoa kế và được biểu diễn bằng đồ thị giao thoa. Phổ hấp thụ, phát xạ hay phản xạ của vật liệu được xác định bằng cách thực hiện biến đổi Fourier của đồ thị giao thoa này. Ưu điểm của phương pháp này là có thể đồng thời phân tích nhiều thành phần tần số ứng với các bức xạ khác nhau được xác định đồng thời nhờ một phép đo. Trong khi đó các phương pháp khác như sử dụng lăng kính phân tích hay cách tử cần quét từng dải hẹp của chùm bức xạ trong quá trình đo. Hơn nữa, phương pháp này còn có thể mở rộng sang dải bức xạ nhìn thấy, cực tím bằng cách lựa chọn các loại vật liệu phù hợp cho linh kiện quang dùng trong hệ [24], [30-32]. Độ phân giải của phương pháp này có thể đạt cấp độ nm. Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại được chia ra thành thiết bị đo dạng bức xạ và hấp thụ. Các thiết bị phân tích phổ hồng ngoại khác nhau sử dụng các loại giao thoa kế khác nhau, như giao thoa kế Michelson [33], Fabry-Perot [36]. Hình 1.6 : Phương pháp đo bằng giao thoa kế Fabry-Perot; 18 Thiết bị phân tích phổ sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot có năng suất phân li thấp hơn với kiểu giao thoa hai chùm tia như kiểu giao thoa kế Michelson [49,50] hay giao thoa kế dùng cách tử. Giao thoa kế Michelson và giao thoa kế dùng cách tử có những ưu nhược điểm riêng. Trong giao thoa kế dùng cách tử, một gương cố định còn gương còn lại có thể dịch chuyển giống như piston dịch chuyển trong xi lanh theo 1 hành trình định sẵn. Trong giao thoa kế này, toàn bộ mặt sóng được sử dụng để đo. Tuy nhiên, tại một thời điểm chỉ có bức xạ với bước sóng trong giải hẹp được đo bằng giao thoa kế Michelson hay Fabry-Perot. Giao thoa kế Michelson dựa trên sự phân chia biên độ [15] thực hiện bởi lăng kính chia chùm trong khi giao thoa kế sử dụng cách tử dựa trên sự phân chia mặt sóng. Hầu hết, các máy phân tích phổ hồng ngoại ngày nay sử dụng giao thoa kế Michelson vì sự đơn giản trong thiết kế, chế tạo và hiệu chỉnh hệ quang. Tuy nhiên, năng lượng của bức xạ đến cảm biến bị giảm đi một nửa do đặc tính của lăng kính chia chùm. Do đó, giao thoa kế dùng cách tử cho phép năng lượng đi vào cảm biến lớn gấp đôi so với giao thoa kế Michelson. Hạn chế của máy phân tích phổ hồng ngoại sử dụng giao thoa kế nói chung là thông tin về phổ cần đo không thấy trực tiếp từ đồ thị giao thoa mà phải sử dụng công cụ tính toán để thực hiện biến đổi Fourier [11], [49]. Điều này là hạn chế lớn khi mà máy tính chưa phát triển nên nó được phổ biến sau so với các phương pháp khác. Dựa trên nguyên lí hoạt động, máy phân tích phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier được chia thành hai dạng: bức xạ và hấp thụ. Sơ đồ của thiết bị đo hồng ngoại bức xạ được thể hiện trong hình 1.7. Nguồn hồng ngoại nhân tạo từ đèn sợi đốt hay vật đen được chuẩn trực bằng cách đặt tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ và đi vào giao thoa kế. Mẫu chất cần đo được đặt trên đường lan truyền của bức xạ. Một vài bức xạ của nguồn sẽ bị hấp thụ khi truyền qua mẫu chất. Bằng việc phân tích phổ của bức xạ sau khi truyền qua mẫu chất và so sánh với phổ bức xạ chuẩn ban đầu, thành phần và số lượng của mẫu chất sẽ được xác định dựa theo định luật Lambert-Beer [8]. Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị phân tích phổ hồng ngoại bức xạ 1-Nguồn sáng, 2-Bộ tách tia, 3- Gương tĩnh, 4-Gương động, 5- Detector Thiết bị đo hồng ngoại theo nguyên lí hấp thụ [31] được thể hiện ở hình 1.8. Máy đo phổ hồng ngoại hấp thụ hoạt động theo nguyên lý tương tự như máy bức xạ. Điểm khác biệt duy nhất 19 là đối tượng đo là bức xạ hồng ngoại bất kì thay vì nguồn hồng ngoại nhân tạo. Bức xạ này đi vào giao thoa kế và tạo ra biểu đồ giao thoa. Bước sóng và cường độ của bức xạ cần đo được xác định nhờ biến đổi Fourier đồ thị giao thoa và hiệu quang lộ giữa hai nhánh của giao thoa kế (xác định thông qua vị trí của gương động so với điểm cân bằng). Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại dạng hấp thụ thường được sử dụng trong việc cảnh báo, phát hiện ô nhiễm môi trường hay hỏa hoạn. Do đó, các máy đo dạng này thường hoạt động trong môi trường thực tế và chịu ảnh hưởng nhiễu của môi trường. Hình 1.8: Sơ đồ thiết bị phân tích phổ hồng ngoại bức xạ Trong máy đo phổ hồng ngoại, cường độ giao thoa của bức xạ phụ thuộc vào hiệu quang lộ giữa hai nhánh của giao thoa kế. Do đó, độ ổn định và độ nhạy của máy đo bị giới hạn bởi độ ổn định và độ chính xác của giao thoa kế. Để đảm bảo yêu cầu này, vị trí và khoảng cách của các thành phần quang học của giao thoa kế như lăng kính chia chùm, gương phẳng phải được hiệu chỉnh. Hơn nữa, gương động trong giao thoa kế cần được dịch chuyển êm và chính xác trong suốt quá trình đo. Cường độ tín hiệu suy giảm mạnh nếu các thành phần này không được hiệu chỉnh chính xác hay dịch chuyển của gương động không ổn định. Do đó, giao thoa kế rất nhạy với thay đổi nhiệt độ, rung động hay va đập. Muốn nâng cao độ ổn định và độ chính xác của máy đo, các ảnh hưởng này cần được giảm thiểu hoặc loại bỏ. Thông thường, bức xạ hồng ngoại trong tự nhiên yếu và bị ảnh hưởng bởi môi trường đặc biệt là nhiệt độ. Do đó, kỹ thuật điều biến biên độ, tần số hoặc pha thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu và khuếch đại tín hiệu đo [19]. Điều biến cường độ có nhược điểm là cường độ tín hiệu ra bị ngắt quãng và suy giảm nhiều và do đó làm giảm độ phân giải của thiết bị. Phương pháp điều biến tần số yêu cầu sử dụng thiết bị điều biến quang học (electro-optic modulator) và do đó dải phổ làm việc của thiết bị bị giới hạn bởi dải tần làm việc của thiết bị điều biến này. Điều biến pha có ưu điểm vượt trội là đơn giản, không cần sử dụng thiết bị điều biến, độ phân giải cao. 1.5.Tổng quan về thiết bị đo phổ hồng ngoại sử dụng biến đổi Fourier. Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại được xây dựng và phát triển từ những năm 1940. Giao thoa kế được sử dụng để đo bức xạ từ các thiên thể và các nhà khoa học tạo ra phổ bằng biến đổi Fourier lần đầu vào năm 1949. Tuy nhiên, thiết bị chỉ hoạt động trong môi trường phòng thí nghiệm và cần thời gian tính toán lớn. Nhiệt độ trong phòng thí nghiệm thường ít thay đổi nên không ảnh hưởng nhiều đến kết quả đo. Trong thời gian này nhiều loại giao thoa kế được sử dụng như giao thoa kế Michelson, Fabry-Perot, hay giao thoa kế sử dụng cách tử. 20