Chế tạo thiết bị đo khoảng cách bằng laser

[led1312]

Chào các bạn.
Hiện nay tôi đang làm đề tài tốt nghiệp "Sử dụng laser đo khoảng cách bằng phương pháp điều biến phase". Có lẽ đây là một đề tài mới ở Việt Nam nên không có tài liệu nhiều. Tôi là dân ngoại đạo(dân Vật Lý) nên vấn đề khó khăn của tôi hiện nay là cách chế tạo mạch điện tử phù hợp.
Để tôi giới thiệu sơ qua về phương pháp này nhé.
¨Phương pháp đo khoảng cách bằng chùm tia laser.
1. Phương pháp đo khoảng cách dựa trên việc đo thời gian bay TOF (time of flight)
2. Phương pháp phân tích dựa trên việc xử lý vân giao thoa hoặc nhiễu xạ
3. Đo khoảng cách dựa trên việc đo góc.
4. Đo khoảng cách dựa trên nguyên lý điều biến pha

Nguyên lý chung của phương pháp điều biến pha là đo độ khác biệt giữa pha của ánh sáng phát ra với ánh sáng nhận được sau khi phản hồi từ vật. Tuy nhiên không có một loại photodetector nào có thể đáp ứng được với sự thay đổi của tần số trực tiếp của ánh sáng lên đến 100THz. Vì thế phương pháp điều biến pha sử dụng tần số trực tiếp của ánh sáng không thể nào tạo ra được. Do đó để có thể dễ dàng đo được thì ta phải điều biến tần số ánh sáng theo một tần số thấp hơn mà các linh kiện thu quang học và mạch điện tử còn có thể đáp ứng được. Vì thế tôi dùng phương pháp điều biến sóng sin để điều khiển laser diot và sử dụng photodetector để thu ánh sáng laser phản hồi.
sau đó đo độ lệch phase từ sóng phát và sóng thu để tính toán ra được khoảng cách. Để đo phase được thì tôi ứng dụng kỹ thuật Heterodyne để tạo ra một sóng có tần số thấp hơn. Xin hỏi các bác có IC nào thường được dùng để đo độ lệch pha không và ngõ ra của tín hiệu sau bộ Phase Comparator là loại tín hiệu gì. Band pass filter các bác thường dùng là loại nào thế và loại IC dùng để trộn tín hiệu là loại nào vậy(Các IC có sẵn ở Việt Nam). Rất mong nhận được sự giúp đỡ hoặc hợp tác của các bác.Tôi gửi các bác một tài liệu về vấn đề này. Nhờ các bác tư vấn giùm.
Cảm ơn nhiều.

[led1312]

Hic Hic không ai giúp được?

[nhatson.elec]

Đo độ lệch pha > liên quan đến thời gian, linh kiện analog chắc ko làm được>> dùng MCu

Banpass filter dùng opam

trộn tín hiệu cùng có thể dùng opam

cần có thông số yêu cầu thì mới có thể lựa chọn linh kiện

b/r

[led1312]

Cảm ơn bác đã trả lời.
Tôi dùng 89c51 hoặc PIC để làm IC điều khiển, tính toán độ lệch pha và xử lý hiển thị khoảng cách đo.
Tần số điều biến khoảng 230Khz, do đó bandpass filter cũng tầm tần số đó. Theo ý bác là dùng Opam. Và trộn tín hiệu cũng dùng Opam phải không. Tôi sẽ search tìm con phù hợp.
Bác cho tôi hỏi nếu trộn sóng vuông với sóng Sin thì kết quả sẽ như thế nào nhỉ? Chổ này tôi không hiểu lắm. Lúc đó tín hiệu trộn là sóng như thế nào vậy? Theo tài liệu hình như là sóng Sin, nhưng tôi thấy nghi ngờ chổ này. Bác nào giải thích giúp tôi với.
Cảm ơn mọi người.

[phongsontiem]

Phương pháp đc nêu "có khả năng" đo được khoảng cách với sai số 0,1mm trên bề mặt thép nóng 1200 độ C kô?

[nhatson.elec]

Cảm ơn bác đã trả lời.
Tôi dùng 89c51 hoặc PIC để làm IC điều khiển, tính toán độ lệch pha và xử lý hiển thị khoảng cách đo.
Tần số điều biến khoảng 230Khz, do đó bandpass filter cũng tầm tần số đó. Theo ý bác là dùng Opam. Và trộn tín hiệu cũng dùng Opam phải không. Tôi sẽ search tìm con phù hợp.
Bác cho tôi hỏi nếu trộn sóng vuông với sóng Sin thì kết quả sẽ như thế nào nhỉ? Chổ này tôi không hiểu lắm. Lúc đó tín hiệu trộn là sóng như thế nào vậy? Theo tài liệu hình như là sóng Sin, nhưng tôi thấy nghi ngờ chổ này. Bác nào giải thích giúp tôi với.
Cảm ơn mọi người.

trộn tín hiệu tương đương với phép cộng ah

[led1312]

Trộn tín hiệu tương đương phép cộng nhưng đó là về mặt tần số. Khi đó sẽ xuất hiện 2 tần số là f1+f2 và f1-f2. Nhưng trộn tín hiệu sóng vuông với sóng Sin thì mình vẫn chưa hiểu sẽ cộng thành phần nào?

[mrgiang99]

Trộn tín hiệu tương đương phép cộng nhưng đó là về mặt tần số. Khi đó sẽ xuất hiện 2 tần số là f1+f2 và f1-f2. Nhưng trộn tín hiệu sóng vuông với sóng Sin thì mình vẫn chưa hiểu sẽ cộng thành phần nào?

Vẽ 2 cái đồ thị ra, trùng gốc t.

Cộng các điểm có cùng giá trị t sẽ ra đồ thị mới.

Đó là cơ bản mà!

[duong_act]

Xin nhớ cho rằng tia laser là ánh sáng ! V= 300000000m/s.Đo khoảng cách tính bằng trăm km may ra có kết quả.Nếu chỉ dùng mấy con 8051,89C51...mà đo được có khi người ta phát minh ra phương pháp này ngay sau khi phát hiện ra tia laser mà không phải người nước ngoài mới làm được.Việt nam thừa sức làm được.Đừng nghĩ tôi bàn lùi nhưng sự thật nó là như vậy.

[led1312]

To MrGiang99: Cảm ơn bạn. Tôi đã vẽ được đồ thị của ngõ ra theo phương pháp bạn chỉ.
To Mr duong_act: Ai cũng biết vận tốc của ánh sáng là V= 300000000m/s.Tuy nhiên ta vẫn có thể đo khoảng cách bằng cách đo khoảng thời gian lan truyền của một xung laser phát ra nhưng yêu cầu là độ rộng xung laser đó phải thật hẹp tầm cỡ Femto giây và yêu cầu chùm tia laser phát ra phải có năng lượng thật cao. Do đó không thể dùng laser bán dẫn được mà phải dùng đến laser khí hoặc rắn và sử dụng kỹ thuật Q Switch. Tôi muốn dùng laser bán dẫn nên phải điều biến pha của laser để thu thông tin từ chùm tia phản hồi là thông tin về phase chứ không phải thông tin về thời gian lan truyền. Nước ngoài nó bán một thiết bị đo cầm tay với khoảng cách 30m khoảng 200USD. Như vậy tôi nghĩ thiết bị không phức tạp lắm. Quan trọng là phương pháp nào để xác định được độ lệch phase mà thôi. Tôi là dân ngoại đạo nên phải bắt đầu từ từng con IC một. Người nào có kiến thức điện tử, đặc biệt là có kinh nghiệm về xử lý tín hiệu thì có lẽ là đề tài này không khó đâu.
Dù sao cũng cám ơn bạn đã đóng góp ý kiến.

[duong_act]

To MrGiang99: Cảm ơn bạn. Tôi đã vẽ được đồ thị của ngõ ra theo phương pháp bạn chỉ.
To Mr duong_act: Ai cũng biết vận tốc của ánh sáng là V= 300000000m/s.Tuy nhiên ta vẫn có thể đo khoảng cách bằng cách đo khoảng thời gian lan truyền của một xung laser phát ra nhưng yêu cầu là độ rộng xung laser đó phải thật hẹp tầm cỡ Femto giây và yêu cầu chùm tia laser phát ra phải có năng lượng thật cao. Do đó không thể dùng laser bán dẫn được mà phải dùng đến laser khí hoặc rắn và sử dụng kỹ thuật Q Switch. Tôi muốn dùng laser bán dẫn nên phải điều biến pha của laser để thu thông tin từ chùm tia phản hồi là thông tin về phase chứ không phải thông tin về thời gian lan truyền. Nước ngoài nó bán một thiết bị đo cầm tay với khoảng cách 30m khoảng 200USD.
Dù sao cũng cám ơn bạn đã đóng góp ý kiến.

Cái khó là ở chỗ ấy.Nếu đo được 30m mà mất 200USD thì các thiết bị đo bằng siêu âm tỏ ra có hiệu quả hơn hẳn về chất lượng cũng như chi phí.Khi nói đến laser người ta phải nghĩ đến khoảng cách xa hơn khi mà các thiết bị khác không đáp ứng được.Thời gian lan truyền laser vô cùng nhanh và vậy điều biến phase càng khó hơn.Không thể dùng laser bán dẫn nên chỉ còn laser lỏng , khí, rắn.Theo tôi thấy thì ở Việt Nam có rất ít (mà hình như chưa có nơi nào sản xuất được loại Laser này.

[led1312]

Hiện đang đi Đức 1 tháng nên đề tài đành tạm xếp lại vì không có time. Theo bạn nói thì đo khoảng cách ngắn có thể dùng siêu âm nhưng thực ra trong công nghiệp hoặc trong những vùng chật hẹp không thể dùng siêu âm được vì siêu âm không có tính định hướng cao nên rất dể bị nhiễu bỡi các vật xung quanh và cho kết quả đo không chính xác. Vì vậy nên mới có thiết bị đo bằng laser. Hiện tại tôi chỉ cần thiết kế thiết bị đo được khoảng chục met trở lại. Khi có điều kiện sẽ phát triển sau. Và một điều chắc chắn là có thể sử dụng laser bán dẫn để làm bộ phận phát quang học. Nếu dùng laser khí hay rắn thì tôi đã sử dụng phương pháp đo thời gian truyền ánh sáng vì xung laser phát ra đủ mạnh để thu lại được.
Điều biến phase ở đây tôi định áp dụng thêm kỹ thuật heterodyne giống như trong truyền phát radio. Khi đó qua kỹ thuật này ta thu được một tần số thấp và có thể đo độ lệch phase một cách rất chính xác.
Các bác nào có ý kiến đóng góp giúp tôi với.
Thanks all.

[nguyenchuong]

Hiện đang đi Đức 1 tháng nên đề tài đành tạm xếp lại vì không có time. Theo bạn nói thì đo khoảng cách ngắn có thể dùng siêu âm nhưng thực ra trong công nghiệp hoặc trong những vùng chật hẹp không thể dùng siêu âm được vì siêu âm không có tính định hướng cao nên rất dể bị nhiễu bỡi các vật xung quanh và cho kết quả đo không chính xác. Vì vậy nên mới có thiết bị đo bằng laser. Hiện tại tôi chỉ cần thiết kế thiết bị đo được khoảng chục met trở lại. Khi có điều kiện sẽ phát triển sau. Và một điều chắc chắn là có thể sử dụng laser bán dẫn để làm bộ phận phát quang học. Nếu dùng laser khí hay rắn thì tôi đã sử dụng phương pháp đo thời gian truyền ánh sáng vì xung laser phát ra đủ mạnh để thu lại được.
Điều biến phase ở đây tôi định áp dụng thêm kỹ thuật heterodyne giống như trong truyền phát radio. Khi đó qua kỹ thuật này ta thu được một tần số thấp và có thể đo độ lệch phase một cách rất chính xác.
Các bác nào có ý kiến đóng góp giúp tôi với.
Thanks all.

Mình cũng muốn góp ý.
Dùng laser đo khoảng cách theo phương pháp tính độ lệch pha của bạn hoàn toàn khả thi. Hiện tại mình cũng đang làm cái này và cũng muốn trao đổi thêm.

Mình nói sơ về kỹ thuật hyterodyne, nó dựa trên công thức sau:

Sin(a)Sin(b)=0.5Cos(a-b) - 0.5Cos(a+b)

Như vậy với 2 tín hiệu đầu vào có tần số khác nhau (f1+φ1) và (f2+φ2).
ta sẽ tạo được tín hiệu đầu ra có tần số (f1-f2+φ1-φ2) và (f1+f2+φ1+φ2).

Điểm hay ở kỹ thuật này là hai tín hiệu đầu ra vẫn mang đầy đủ thông tin về phase, φ, của 2 tín hiệu đầu vào. Trong khi tần số lại thấp hơn, f1-f2, nên dễ xử lý hơn.
Mạch trộn (Mixer) thực chất là nhân 2 tín hiệu vào, như biểu thức trên.

Nhân 2 tín hiệu sin (hoặc cosin) thì biết rồi. Còn nhân 1 tín hiệu sin và 1 tín hiệu vuông thì kết quả ntn?
Chúng ta biết rằng, nhờ phép biến đổi Furier. Tín hiệu vuông là tổng nhiều tín hiệu sin có tần số bội lại với nhau:
Vuông(f) = Sin(f) + Sin(2f) + Sin(3f) +...+ Sin(nf) ; (chưa xét biên độ)

Như vậy: Sin(f1)*Vuông(f2) = Sin(f1)* [Sin(f2)+Sin(2f2)+...+Sin(nf2)+...]
Kết quả các bạn tự tính nhé!!!

Bạn có thể kiếm dễ dàng IC Mixer/Multiplier của Analog Device. Mình đang dùng AD633, nó làm việc rất tốt nhưng băng thông hơi thấp.
Nếu chưa tự tin thiết kế mạch thì có thể mua linh kiện hãng Minicircuits (http://minicircuits.com/ ). Hãng này cung cấp rất nhiều thứ có thể áp dụng cho đề tài này như Mixer, Filter, Phase Detector... chỉ cần mua về sài thôi!

Hy vọng bài viết có ích..
^_^

[dientai]

neu chung ta khong dung tia lazer mà dùng bang sóng am thi thế nào? chẳng hẠN như sóng siêu am ma loài Dơi hay muổi sử dụng trong khi bay vào ban đêm. mình tính thời gian từ lúc phát đến lúc đạp vào vật cản phản hồi lại vào thiết bị thu thi có thể tính đựoc khiong cách các bạn nghĩ sao

[pctcom]

Bạn có thể tìm và tham khảo nguyên lý của súng bắn tốc độ.

Tôi đã có 1 thời gian nghiên cứu và sửa chữa nó. Thường thì với các thiết bị đo khoảng cách và tốc độ trước đây, người ta sử dụng nguyên lý "sóng Radar" để đo.

Trong thiết bị này bao gồm:
- Phần phát: phát ngắt quãng 1 búp sóng hẹp với bước sóng cực ngắn
- Phần thu: Thu sóng phản hồi từ vật thể, rồi tính ra khoảng cách bằng cách tính thời gian giữa lúc phát và lúc nhận sóng phản hồi.

Các Anten thu phát mặc dù đã được thiết kế nhỏ gọn, nhưng các thiết bị dùng theo nguyên lý này vẫn khá cồng kềnh.

Sau này người ta thay mạch thu phát sóng điện từ bằng bộ thu phát bằng Laser nền thiết bị rất nhỏ gọn và chính xác hơn.