Chế tạo giao thoa kế Moiré để phân tích độ rung của bản phẳng

Trong bài viết này, phương pháp projection moiré được sử dụng để phân tích độ rung của bản phẳng với biên độ rung cỡ 1,0 μm – 30 μm với độ nhạy cao phụ thuộc vào việc phân tích hệ vân moiré. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo giao thoa kế Moiré để phân tích độ rung của bản phẳngTạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCMSố 21 năm 2010_____________________________________________________________________________________________________________CHẾ TẠO GIAO THOA KẾ MOIRÉĐỂ PHÂN TÍCH ĐỘ RUNG CỦA BẢN PHẲNGĐINH SƠN THẠCH * ĐẶNG VĂN TRUNG **, NGUYỄN CẢNH TOÀN ***TÓM TẮTRung động là yếu tố quan trọng trong sự vận hành của một thiết bị và sự phân tíchrung động là công việc hết sức cần thiết để đánh giá hoạt động của thiết bị đó. Giao thoakế moiré được đánh giá là một công cụ hiệu quả để phân tích dao động ở biên độ nhỏ cỡmicromét. Trong bài viết này, phương pháp projection moiré được sử dụng để phân tích độrung của bản phẳng với biên độ rung cỡ 1,0 μm – 30 μm với độ nhạy cao phụ thuộc vàoviệc phân tích hệ vân moiré.ABSTRACTManufacturing moiré interferometer to analyze vibration of platesVibration is an important factor in the operation of mechanical instruments, and thevibration analysis is especially essential to evaluate their operations. The moiréinterferometer is an effective method to analyse vibration with tiny amplitude ofmicrometer. In this paper, projection moiré method is used to analyse vibration of plates.It can idenyify the amplitude of vibration from 1.0 μm to 30 μm with high sensitivitydepending on analysis of moiré fringes.1.Giới thiệuMoiré là một hiện tượng phổ biếntrong tự nhiên, xảy ra trong nhiềutrường hợp. Từ những năm 1950, moiréđã có những ứng dụng kỹ thuật trongnhiều lĩnh vực như nghệ thuật, khoa họcđo lường,…Trong những năm gần đây,giao thoa kế moiré là một thiết bị mạnh,có nhiều ứng dụng trong khoa học vật lí.Thiết bị này có ưu điểm rất lớn về độchính xác và độ nhạy. Tuy nhiên, đểchế tạo và sử dụng được thiết bị này,*TS, Khoa Khoa học Vật liệu, Trường Đại họcKhoa học Tự nhiên TP HCM, ĐHQG TP HCM**CN, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại họcBách khoa TP HCM***KS, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoaTP HCM80đòi hỏi người thực hiện phải có nhiều kĩnăng cơ học và quang học tỉ mỉ vàchính xác. Kĩ năng điều chỉnh gươngchính xác là một khó khăn lớn trongquá trình lắp ráp và vận hành thiết bị.Trong giao thoa kế moiré, gương đượcdịch chuyển theo mặt phẳng (dịchchuyển tịnh tiến) hoặc quay và đượcđiều chỉnh bằng cách sử dụng phươngpháp vặn định ốc.Bộ phận chính của giao thoa kếmoiré là một cách tử vạch thẳng. Theophương thức giống như giao thoa kếholographic, giao thoa kế moiré sửdụng phương pháp chiếu vân có thểphân tích dao động của bề mặt phẳng(theo Hazell và Nivel 1968; Vest vàSweeney 1972; Harding và Harris1983). Khi bề mặt của vật dao động vớiĐinh Sơn Thạch và tgkTạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM_____________________________________________________________________________________________________________tần số và biên độ ổn định, hệ vân sẽ cóhình dạng ổn định, sự phân bố cường độcủa hệ vân được xác định theo hàmBessel bậc 0.2. Phân tích dao động sử dụngphương pháp projection moiréSơ đồ thiết bị của giao thoa kếmoiré đo dao động được mô tả ở hình 1.Các bộ phận chính bao gồm: 1 nguồnlaser khí He–Ne (He–Ne laser), 1 ốngmở rộng chùm tia (beam expander), 2thiết bị tách chùm tia dạng khối lậpphương (cube beam splitter BS1 vàBS2), 2 gương phẳng (M1 và M2), 1cách tử, 1 mẫu vật, và 1 CCD camera.Chùm ánh sáng từ nguồn laser chođi qua ống mở rộng chùm tia để tăngkích thước của chùm, sau đó cho chùmtia đi qua thiết bị tách chùm tia (BS1)để tách thành hai chùm tia vuông gócnhau như trên sơ đồ. Hai chùm tia saukhi cho phản xạ trên hai gương M1 vàM2, hai chùm tia này được điều chỉnhđến BS2. Sự giao thoa của hai chùm tiara khỏi BS2 tạo thành hệ vân được xemnhư một cách ảo với khoảng vân đượcxác định bởi biểu thức:0dV 2sin( 0 / 2)(1)trong đó, dV là khoảng vân (mm), λ0 làbước sóng của ánh sáng (mm), 0 làgóc giao của hai chùm tia.Trước tiên, nếu những vạch của cách tửảo (ảnh giao thoa của hai chùm tia rakhỏi BS2) và những vạch của cách tửmẫu (cách tử vạch thẳng trong bài viếtnày là cách tử vạch thẳng 600 l/mm)trùng nhau sẽ không xuất hiện hệ vânmoiré. Khi mẫu vật dao động, bề mặtsóng của cách tử ảo quay và các vạchcủa nó làm một góc α với cách tử mẫu.Trong trường hợp khoảng cáchgiữa các đường của cách tử mẫu vàcách tử ảo là bằng nhau, dV = λ, hệ vânmoiré xuất hiện với khoảng vân d, đượcxác định bởi :d2sin( / 2)(2)trong đó, α là góc hợp bởi cách tử mẫuvà cách tử ảo.Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm của hệ đođộ rung bằng giao thoa moiré.Sự dao động điều hoà ngoài mặt phẳngcủa một mẫu vật có thể được mô tả bởiphương trình:z  z0  a cos(t ),(3)trong đó, z0 là vị trí cân bằng, a là biênđộ dao động, và ω là tần số của daođộng.Sự phân bố cường độ của hệ vân đượcxác định:81Số 21 năm 2010Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP HCM_____________________________________________________________________________________________________________2I ( x,t )  2 1 cos ( x cos  ( z0  a cost )sin d(4)Sự phân bố biên độ trong mặt phẳngảnh được xác định: 2u  J0 a sin   cos c dtrong đó, θ là góc hợp bởi các tia tới vàcách tử.Phương trình trên có thể được viết dướidạng:và do đó, sự phân bố cường độ đượcxác định:2  2I  J0 a sin   dI ( x,t )  21 cos(c t )  2  ei (c t )  ei (c t )(5)2c  d ( x cos   z0 sin  )trong đó, (6)  2 (sin  .a cos t ) tdBằng cách chụp ảnh hệ vân với thờigian chiếu sáng lớn hơn nhiều lần chukì dao động T của vật, đây là ảnh thờigian trung bình và được cho bởi hàmtruyền qua:ict1 Te0 I(x,t)dt  2  TTT ite0icdt eTT it0(11)Những vân sáng xuất hiện khi:adN2 sin (12)với N = 0; 3,83; 7,02; 10, 17; … tươngứng với cực đại của hàm Bessel.Đối với cực tiểu của hàm Bessel,biên độ của dao động được xác định:ae(10)dtd N2 sin (13)với N   2, 40; 5,52; 8, 65;11, 79; ... ...