Tài liệu Nghiên cứu công nghệ chế tạo thước kính bằng phương pháp quang khắc (photolithography)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THƯỚC KÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC (PHOTOLITHOGRAPHY) NGÀNH CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC MÃ SỐ: PHẠM XUÂN KHẢI Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI HÀ NỘI 2007 2 MỤC LỤC Trang Mục lục …………………………………………………………………… Danh sách các hình vẽ……………………………………………………... Lời nói đầu.................................................................................................... 2 3 6 CHƯƠNG 1. THƯỚC KÍNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẶT NẠ VÀ THÂN THƯỚC ……………………….……....................... 9 1.1. Tổng quan về thước kính .………………................................... 9 1.2. Các phương pháp chế tạo thân thước kính ................................. 22 CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BẰNG QUANG KHẮC ..… 2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ……………………………… 2.2. Thiết bị sử dụng trong công nghệ quang khắc…………………. 2.3. Quy trình công nghệ gia công bằng quang khắc ..…..…………. 2.4. Quang khắc bằng tia Rơntghen (tia X) ………………………… 2.5. Quang khắc bằng chùm điện tử ………………………………... 26 26 29 38 49 50 CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO MẶT NẠ VÀ THÂN THƯỚC KÍNH BẰNG CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC –ĂN MÒN................................................ 3.1. Yêu cầu kỹ thuật của mặt nạ và thân thước kính ………………. 3.2. Chế tạo khuôn ……………………….…………………….……. 3.3. Quy trình công nghệ làm thân thước kính …………..…….……. 3.4. Các kết quả đạt được ……………………………….…………. 53 53 54 56 60 CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO THƯỚC KÍNH VỚI THÂN THƯỚC VÀ MẶT NẠ LÀM BẰNG CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC........................... 4.1. Thiết kế phẩn đầu đọc của thước kính…………………………... 4.2. Phương pháp xử lý tín hiệu…………………………..…….……. 4.3. Các kết quả đạt được. ……………………………….…………. 65 68 73 75 Kết luận……………………………………………………………………. 78 Tài liệu tham khảo ………………………………………………………… 79 Phụ lục ......................................................................................................... 80 3 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Trang Chương 1 Hình 1.1 Hình ảnh một số loại thước kính hiện đã có mặt tại Việt nam… 9 Hình 1.2 Máy đo tọa độ của Mitutoyo........................................................... 10 Hình1.3 Đồ gá có sử dụng 3 thước kính.................................................. 10 Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của thước kính.................................................... 11 Hình 1.5 Sơ đồ vị trí tương quan của các cửa sổ a, b, c, d ....................... 12 Hình 1.6 Sơ đồ mạch cầu và dạng tín hiệu ra của đầu đọc quang học..... 14 Hình 1.7 Mạch khuyếch đại thuật toán sử dụng để tạo xung..................... 16 Hình 1.8 Mạch nguyên lý chuyển đổi tín hiệu theo Heidenhain................ 18 Hình 1.9 Dạng tín hiệu ra của mạch EXOR.............................................. 19 Hình 1.10 Nguyên lý của bộ đếm thuận nghịch.......................................... 20 Hình 1.11 Phương pháp xác định chiều đếm.............................................. 21 Hình 1.12 Thước kính với thân thước được gia công bằng máy phay CNC 22 Hình 1.13 Thân thước kính được chế tạo bằng cách in mực lên Polyme… 23 Hình 1.14 Thước kính có độ phân giải 0.02, phạm vi đo 1,2m…………… 24 Hình 1.15 Mask và các thân thước được chế tạo bằng bốc bay trực tiếp… 24 Hình 1.16 Bề mặt thân thước kính được chế tạo bằng photolithography…. 25 Chương 2 Hình 2.1 Hình ảnh tổng thể quy trình gia công bằng quang khắc………. 26 Hình 2.2 Bản chất của quá trình quang khắc……………………………. 27 Hình 2.3 Quá trình thay đổi cấu tạo phân tử của chất cảm quang dương.. 28 Hình 2.4 Dải phổ của đèn Hg…………………………………………… 29 Hình 2.5 Các hệ thống chiếu sáng trong công nghệ quang khắc………… 30 Hình 2.6 Hình ảnh khe hở g trong hệ thống quang khắc không tiếp xúc 30 Hình 2.7 Phân bố cường độ sáng trên bề mặt chất cảm quang………….. 31 Hình 2.8 Quy trình công nghệ chế tạo khuôn với lớp nhũ tương……….. 32 4 Hình 2.9 Một số loại dấu so khuôn………………………………………. 32 Hình 2.10 Sơ đồ máy chụp thu nhỏ………………………………………. 33 Hình 2.11 Sơ đồ máy chụp lặp……………………………………………. 34 Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống gia công màng Al trên đế thủy tinh bằng laser .. 35 Hình 2.13 Hình ảnh bề mặt mẫu được gia công bằng femto-second laser.. 36 Hình 2.14 Sự phản xạ từ khuôn có lớp màng Cr…………………………. 37 Phản ứng nhiệt phân polyvinhil-Fêrôce……………………………. 37 Hình 2.15 Hình 2.16 Quy trình công nghệ quang khắc tiếp xúc…………………….. Hình 2.17 Sơ đồ máy phủ lớp cảm quang theo phương pháp quay ly tâm.. Hình 2.18 Đồ thị phân bố chiều dầy lớp cảm quang……………………… Hình 2.19 Cấu tạo khuôn quang khắc bằng tia Rơntghen………………… Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống quang khắc bằng chùm điện tử… 38 39 40 45 46 Chương 3 Hình 3.1 Bản vẽ thiết kế của thân thước và mặt nạ với T = 0.04………. Hình 3.2 Hình ảnh tổng thể của khuôn làm thân thước và mặt nạ……… Hình 3.3 Hình ảnh bề mặt bản in khuôn của thân thước và mặt nạ…….. Hình 3.4 Kết quả đo khuôn của thân thước và mặt nạ………………….. Hình 3.5 Các dụng cụ dùng làm sạch đế……………………………….. Hình 3.6 Quy trình công nghệ làm thân thước và mặt nạ………………. Hình 3.7 Thiết bị phủ cảm quang………………………………………. 59 Hình 3.8 Thiết bị chiếu sáng PEM800…………………………………. Hình 3.9 Hình ảnh tổng thể của thân thước và mặt nạ…………………. 59 Hình 3.10 Hình ảnh bề mặt khuôn ………………………………………. Hình 3.11 Hình ảnh bề mặt thân thước………………………………….. Hình 3.12 Kết quả đo kích thước vạch của khuôn (Mask) và thân thước.. Hình 3.13 Hình ảnh bề mặt của thân thước……………………………… Hình 3.14 Hình ảnh bề mặt mặt nạ tại 4 cửa sổ…………………………. Hình 3.15 Kết quả đo khuôn của thân thước và mặt nạ………………….. 53 54 55 56 57 58 60 61 61 62 62 63 63 5 Chương 4 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình4.14 Sơ đồ cấu trúc của thước kính theo phương pháp chiếu thuôn.. Sơ đồ mạch điện phát-thu nhận và xử lý sơ bộ tín hiệu………. Dạng tín hiệu ra sau khi đã được xử lý sơ bộ…………………. Sơ đồ khối của mạch điện thu nhận và xử lý tín hiệu………… Sơ mạch logic xác định chiều dịch chuyển của thân thước chính. Sơ đồ mạch logic đếm 1/4 xung …………………..………….. Đếm 1/4 xung bằng vi xử lý……………………….…….……. Sơ đồ mạch điện đếm xung bằng phương pháp sử dụng vi xử lý Sơ đồ mạch đếm xung bằng cách kết hợp đếm logic và vi xử lý. Sơ đồ ghép nối vi xử lý với máy tính………………………….. Hình ảnh đầu đọc quang điện……………………………….…. Hình ảnh mạch điện thu nhận và xử lý sơ bộ tín hiệu……….… Hệ thống mạch thu nhận tín hiệu và đánh giá thước chế tạo….. Hình ảnh tín hiệu ra của mạch điện thu nhận và xử lý ……….. 66 67 68 68 69 70 70 71 72 74 75 76 76 77 6 MỞ ĐẦU Thế kỷ 21, nhu cầu của con người trong nghiên cứu khoa học, công nghiệp, phục vụ đời sống và chăm sóc sức khỏe con người… ngày càng đa dạng và phức tạp; đòi hỏi các thiết bị máy móc ngày càng tinh xảo, thuận tiện cho người sử dụng và có độ chính xác cao. Để đáp ứng nhu cầu đó công nghệ cơ khí buộc phải phát triển mạnh mẽ và kết hợp với sự tiến bộ của ngành vi điện tử, điều khiển tự động và đo lường cơ khí. Ngày nay đa số các máy công cụ hiện đại đều được điều khiển theo chương trình số. Đây là điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những dự án Tự động hóa linh hoạt, trên máy công cụ điều khiển số riêng lẻ (CNC – Machine tools) hay trên các trung tâm gia công điều khiển số (CNC engineering Center). Trong mỗi hệ điều khiển số, cụm vi sử lý, và cụm ngoại vi tương thích cũng như phần mềm điều khiển là không thể thiếu trong mỗi hệ điều khiển số (Computered Nummerial Control). Khi gia công các chi tiết cơ khí đạt độ chính xác cao hoặc bề mặt định hình phức tạp, không thể không sử dụng các thiết bị gia công chính xác như máy công cụ điều khiển số, trung tâm gia công. Công tác đảm bảo độ chính xác cho quá trình gia công đó được thực hiện qua hệ thống xác định vị trí của đầu dao, bàn máy trên máy CNC hay trong trung tâm gia công. Các đại lượng cần xác định ở đây là đoạn đường trong chuyển động thẳng và các góc trong chuyển động quay có điều chỉnh, với độ chính xác theo yêu cầu. Một thiết bị đo lường hiện đại không thể thiếu phục vụ cho quá trình gia công các chi tiết phức tạp là máy đo tọa độ (Coodinate Measuring Machine – CMM), với khả năng đo rộng, tốc độ đo cao, dễ dàng chuyển giao các thông số phục vụ cho quá trình thiết kế ngược giúp giảm thiểu thời gian 7 thiết kế và chế tạo thử. Ngoài ra, hệ thống đo lường dịch chuyển còn được sử dụng rộng rãi trong Robot và các cơ cấu của thiết bị vi cơ khí MEMS. Để xác định đoạn đường (theo tọa độ tuyệt đối hoặc tương đối) và đảm bảo độ chính xác đo lường và điều khiển vị trí, trong các máy đo tọa độ CMM và máy công cụ điều khiển số CNC, hệ thống đo dịch chuyển thẳng là linh hồn của hệ thống. Mỗi phương dịch chuyển thẳng cần một thước đo với độ phân giải và độ chính xác phù hợp. Ngoài ra, trong các nghiên cứu khoa học cũng như các thiết bị điều khiển tự động khác có yêu cầu xác định, điều khiển vị trí các vật thể và các bộ phận máy cũng cần sử dụng các thiết bị đo này. Thực tế thì các máy CNC và CMM thường gồm một hệ thống đo với nhiều thước. Tuy nhiên giá thành các thước đo độ dài hiện còn cao so với nền kinh tế kỹ thuật của nước ta. Điều này đã hạn chế sự phát triển của các hệ thống đo lường và điều khiển tự động là một trong 4 lĩnh vực ưu tiên phát triển ở nước ta hiện nay. Trong các máy đo tọa độ (CMM) và máy gia công điều khiển bằng chương trình số (CNC) trong công nghiệp chế tạo cơ khí nói chung hiện nay đã đạt độ chính xác gia công đến micrômet và nhỏ hơn nữa, do đó đòi hỏi hệ thống đo lường dịch chuyển đảm bảo độ chính xác điều khiển tương ứng. Ở các nước phát triển, hệ thống đo lường dịch chuyển đo được các trường đại học kết hợp với các viện nghiên cứu, chế tạo dụng cụ đo triển khai vào sản phẩm công nghiệp và chế tạo cơ khí từ những năm 90 của thế kỷ trước; điển hình như các hãng Mitutoyo - Nhật bản, Haidenhain, Zaiss CHLB Đức, Fagos – Tây ban nha... Hiện nay số lượng các thiết bị đang và sẽ sử dụng cho nhu cầu tự động hóa ở nước ta rất lớn. Tuy nhiên các hệ thống đo này đều nhập ngoại, giá thành rất cao so với điều kiện kinh tế của nước ta (từ vài chục triệu đến hàng trăm triệu đồng), nên hạn chế việc sử dụng trong điều khiển và tự động hóa 8 các thiết bị gia công. Các cơ sở nghiên cứu trong nước hiện tiếp cận với vấn đề này mới chỉ ở mức độ tìm hiểu, khảo sát. Trong công cuộc Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, hệ thống đo lường dịch chuyển là một bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị CNC 3 trục, 5 trục; Hiện nay các thiết bị này đang được nghiên cứu để chế tạo trong nước tại các viện nghiên cứu và các trường Đại học và có kế hoạch triển khai trong công nghiệp, luận văn này sẽ đóng góp một phần cho việc nội địa hóa các thiết bị quan trọng này. Các nguyên lý cơ bản của chuyển đổi đo độ dài của các thước đo dịch chuyển độ dài điện tử là: điện cảm, điện dung, quang điện... Tuy nhiên, các thước đo loại này là những sản phẩm tích hợp của nhiều ngành công nghệ cao như cơ khí chính xác, quang học và điện tử là những lĩnh vực còn chưa phát triển đủ mạnh ở nước ta. Với khả năng hiện có, Luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cứu là chế tạo thước khắc vạch quang điện tử có thân thước và mặt nạ được chế tạo bằng phương pháp quang khắc. Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của người hướng dẫn khoa học - Tiến sỹ Nguyễn Thị Phương Mai, các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học Trường Đại học Bách khoa Hà nội và Viện Itims Trường ĐHBK Hà nội. Qua đây cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô giáo trong bộ môn, các đồng nghiệp và đặc biệt là Tiến sỹ Nguyễn Văn Vinh, Kỹ sư Nguyễn Thành Hùng-ĐHBK HN, Kỹ sư Nguyễn Văn Toán – Viện Itims đã trực tiếp cùng tôi trong quá trình làm thực nghiệm chế tạo thân thước và phần xử lý tín hiệu đo. Do kiến thức và thời gian hạn chế nên Luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi các thiếu sót về nhiều mặt. Em rất mong được sự góp ý của các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện, có thể giúp ích hiệu quả cho công việc thiết kế, chế tạo và sản xuất thước kính trong điều kiện Việt nam. 9 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THƯỚC KÍNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO LƯỚI VẠCH TRÊN THÂN THƯỚC 1.1 Tổng quan về thước kính Thước kính là một hệ thống đo sử dụng đầu đọc quang điện tử để đo khoảng dịch chuyển dài của các cơ cấu chấp hành, kết quả đo được lưu trữ và hiển thị dưới dạng số. Hiện nay, thước kính rất phong phú và đa dạng cả về mẫu mã và chủng loại. Hình 1 là hình ảnh thước kính của một số hãng cung cấp hiện đã có mặt tại Việt nam. 10 Thước kính của hãng Sony Thước kính của hãng Renishow Thước kính của hãng Mitutoyo Thước kính của hãng Haidenhain Hình 1. Hình ảnh một số loại thước kính hiện đã có mặt tại Việt nam. 1.1.1 Một số ứng dụng của thước kính Thước kính là thiết bị đo dịch chuyển dài có độ chính xác cao do thân thước được làm từ thủy tinh có độ ổn định rất cao. Vì vậy, thước kính được đặc biệt sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi độ chính xác cao. 1.1.1.1 Ứng dụng của thước kính trong máy đo 3 tọa độ Ngày nay, máy đo 3 tọa độ (CMM) đã trở nên rất quen thuộc với các cơ sở nghiên cứu và sản xuất của Hình 1.2 Máy đo tọa độ của Mitutoyo 11 nước ta, bởi lẽ nó hỗ trợ rất hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu cũng như trong việc kiểm định chất lượng sản phẩm. Máy đo tọa độ hiện có tại Việt Nam được xuất xứ từ rất nhiều hãng sản xuất thiết bị đo nổi tiếng trên thế giới như Mitutoyo, Tesa, Mahr…Hình 1.1 là hình ảnh một dạng máy đo 3 tọa độ của hãng Mitutoyo. Máy đo 3 tọa độ rất đa dạng về chủng loại, phạm vi đo cũng như độ chính xác, tuy nhiên chúng có một điểm chung là đều sử dụng 3 thước kính đo dịch chuyển dài trên 3 trục X, Y, Z để xác định tọa độ của đầu đo so với điểm chuẩn 1.1.1.2 Ứng dụng của hệ đo dịch chuyển dài trong các máy gia công CNC Để xác định chính xác vị trí tương đối của dao cắt so với chi tiết gia công, hoặc lượng dịch chuyển của chi tiết gia công theo các trục tọa độ, các máy gia công điều khiển số và các đồ gá của máy thường được lắp các bộ thước kính đo dịch chuyển thẳng và góc. Hình 1.2 là hình ảnh đồ gá có sử dụng 3 thước kính. Hình1.3 Đồ gá có sử dụng 3 thước kính 1.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thước kính Cấu trúc của thước kính bao gồm 2 phần chính là thân thước và bộ phận đầu đọc. Thân thước thường được làm bằng thủy tinh quang học và trên bề mặt được tạo 2 dãy lưới các vạch sáng và tối xen kẽ nhau trên suốt chiều dài thân thước. Trên dãy vạch chính, các vạch sáng và tối được khắc đều đặn trên toàn thân thước. Trên dãy vạch phụ, dãy các vạch tham khảo được khắc gián đoạn trên suốt chiều dài thân thước (dãy vạch phụ này thường được dùng để đọc vạch chẵn, hạn chế hành trình...). Chiều dầy của vạch sáng và tối được chế tạo bằng nhau và tổng chiều dầy của chúng được gọi là bước vạch T. Các vạch tối trên thân thước cho phép ánh sáng truyền qua còn các vạch sáng thì cho phép ánh sáng phản xạ trên bề mặt chúng. Tùy thuộc vào ánh sáng truyền tới các phần tử thu nhận tín hiệu là do nguồn sáng chiếu ánh sáng xuyên qua 12 các vạch tối hay phản xạ trên các vạch sáng của thân thước mà người ta chế tạo ra các loại thước kính theo phương pháp chiếu thuôn hay phản xạ. Hình vẽ 1.4 là sơ đồ cấu trúc của hệ thống đo dịch chuyển dài sử dụng đầu đọc quang điện theo phương pháp chiếu thuôn và phản xạ. a. Phương pháp chiếu thuôn b. Phương pháp phản xạ Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc của thước kính. Bộ phận đầu đọc bao gồm hệ tạo nguồn sáng song song (nguồn chiếu sáng và thấu kính hội tụ), mặt nạ và một dãy tế bào quang điện. Mặt nạ là một tấm chắn một phần ánh sáng tới thân thước. Trên thân mặt nạ được tạo 5 cửa sổ chắn sáng, trong đó có 4 cửa sổ chính a, b, c, d được sử dụng để xác định lượng dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước và chúng được chế tạo lệch pha nhau 1/4 bước vạch T như được thể hiện trên hình 1.5 (trong đó: m, n, k là các số nguyên). Cửa số còn lại được chế tạo để đọc vạch khắc tham khảo trên thước chính. Tại mỗi cửa sổ trên mặt nạ, lưới vạch được tạo ra có quy luật giống với quy luật tạo vạch trên thân thước. Dãy các tế bào quang điện A, B, C, D được đặt đối diện với các cửa sổ trên mặt nạ để thu nhận ánh sáng từ nguồn sáng chiếu xuyên qua các vạch tối trên mặt nạ và thân thước. 13 (m + 0.25)T (k + 0.75)T (n + 0.5)T 1 2 a c b d 3 A B C D 4 1-Chùm sáng song song; 2-Mặt nạ; 3-Thân thước; 4-Tế bào quang điện Hình 1.5. Sơ đồ vị trí tương quan của các cửa sổ a, b, c, d so với thân thước. Trong quá trình hoạt động, ánh sáng được phát liên tục từ nguồn sáng xuyên qua các vạch tối trên các cửa sổ của mặt nạ và thân thước chính để tới bề mặt các tế bào quang điện. Như thể hiện trên hình 1.5, khi đầu đọc di chuyển tương đối (dịch chuyển sang trái hoặc phải) so với thân thước chính một lượng dx sẽ tạo sự thay đổi khe sáng từ nguồn sáng tới các tế bào quang điện. Khi đó, diện tích bề mặt tế bào quang điện bị chiếu sáng sẽ thay đổi một lượng là ds = h.dx với h là chiều dài của vạch sáng, tối trên mặt nạ. Sự thay đổi của ds sẽ kéo theo sự thay đổi lượng quang thông dΦ tới bề mặt các tế bào quang điện A, B, C, D. Vì các cửa sổ a, b, c, d đặt lệch pha nhau 1/4 chu kỳ T nên diện tích chùm sáng chiếu tới bề mặt các tế bào quang điện tương ứng là khác nhau gây nên hiệu ứng quang điện (hiện tượng các tế bào bị suy giảm điện trở khi chịu tác động của ánh sáng) khác nhau tại các tế bào quang điện. Khi thước kính ở trạng thái như hình 1.5:  Tại cửa sổ a: Các vạch sáng trên cửa sổ che kín các vạch tối trên thân thước, không cho ánh sáng đi qua. Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện A đạt cực đại (Rmax). 14  Tại cửa sổ b: Các vạch sáng và tối trên cửa sổ trùng khít với các vạch trên thân thước, diện tích bề mặt tế bào quang điện B bị chiếu sáng đạt giá trị cực đại. Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện B đạt cực tiểu (Rmin).  Tại cửa sổ c: Các vạch sáng trên cửa sổ che đi 1/2 vạch tối bên trái trên thân thước làm cho diện tích chiếu sáng tới tế bào quang điện C bị giảm đi một nửa so với tế bào quang điện B (ta gọi vị trí này là vị trí trung hoà). Lúc này điện trở của tế bào quang điện C là R0 = (Rmax + Rmin)/2.  Tại cửa sổ d: Các vạch sáng trên cửa sổ che đi 1/2 vạch tối bên phải trên thân thước làm cho diện tích chiếu sáng tới tế bào quang điện D cũng bị giảm đi một nửa so với tế bào quang điện B. Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện D cũng là R0. Khi đầu đọc dịch chuyển sang bên phải 1 chu kỳ T so với thước kính: ⇒ Tại 1/4 chu kỳ đầu: - Tại A: Rmax giảm đến R0 - Tại C: R0 tăng đến Rmax - Tại B: Rmin tăng đến R0 - Tại D: R0 giảm đến Rmin ⇒ Tại 1/4 chu kỳ tiếp theo: - Tại A: R0 giảm đến Rmin - Tại C: Rmax giảm đến R0 - Tại B: R0 tăng đến Rmax - Tại D: Rmin tăng đến R0 ⇒ Tại 1/4 chu kỳ sau: - Tại A: Rmin tăng đến R0 - Tại C: R0 giảm đến Rmin - Tại B: Rmax giảm đến R0 - Tại D: R0 tăng đến Rmax ⇒ Tại 1/4 chu kỳ cuối: - Tại A: R0 tăng đến Rmax - Tại C: Rmin tăng đến R0 - Tại B: R0 giảm đến Rmin - Tại D: Rmax giảm đến R0 Như vậy, điện trở của các tế bào quang điện A, B, C, D lại trở về giá trị ban đầu sau khi đầu đọc dịch chuyển tương đối so với thân thước 1 chu kỳ. Quá trình này diễn ra liên tục tạo nên các tín hiệu chu kỳ. Sử dụng mạch cầu với các điện trở RA, RB và R0 sẽ thu được điện áp ra U1 có dạng cosin; với các 15 điện trở R C, R D và R0 sẽ thu được điện áp ra U2 có dạng Sin. Nói cách khác, điện áp U1 và U2 sẽ là hai điện áp hình hình sin lệch pha nhau 900 và biến thiên theo dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước với chu kỳ bằng chu kỳ vạch khắc T trên thân thước. Hình 1.6 là sơ đồ mạch cầu và dạng tín hiệu ra. RA RC R0 R0 U2 U1 U0 U0 RB RD R0 U U1 R0 U2 x T T Hình 1.6 Sơ đồ mạch cầu và dạng tín hiệu ra của đầu đọc quang học. Khi đó, chiều dịch chuyển và lượng dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước được xác định thông qua chiều biến thiên và số lần biến thiên giá trị các tín hiệu ra của đầu đọc quang học. Độ phân giải của hệ thống được quyết định bới giá trị bước của vạch T trên thân thước chính và khả năng xử lý các tín hiệu ra U1 và U2. 1.1.3 Phương pháp xử lý tín hiệu 1.1.3.1 Thủ thuật chia nhỏ chu kỳ tín hiệu. 16 Các thiết bị đo dịch chuyển dài thường đạt được độ phân giải và độ chính xác nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước cơ sở T. Ví dụ, với thước cặp có bước vạch trên thước chính là 1mm nhưng lại có độ chính xác là 0,1; 0,05; 0,02; hoặc với dụng cụ đo dịch chuyển dài hiển thị số ELECTRA có bước cơ sở T= 20 µ m lại có độ phân giải chỉ là 1 µ m. Điều đó được thực hiện nhờ thủ thuật chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch trên thân thước chính. Chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch trên thân thước là một thủ thuật thường thấy trong các dụng cụ đo lường với nhiều phương pháp khác nhau. Với thước cặp, việc tăng độ phân giải của dụng cụ được thực hiện nhờ thủ thuật chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch khắc bằng du xích. Số vạch chia trên du xích sẽ quyết định độ phân giải của dụng cụ đo. Chẳng hạn với bước cơ sở trên thân thước cặp là 1mm thì số vạch trên du xích là 10, 20 và 50 sẽ cho độ phân giải của thước cặp lần lượt là 1/10, 1/20 và 1/50. Trong các dụng cụ đo hiển thị số, việc tăng độ phân giải của dụng cụ được thực hiện nhờ thủ thuật chia nhỏ chu kỳ (nội suy) tín hiệu nhận được. Để nội suy tín hiệu nhận được, người ta phải sử dụng cả 2 tín hiệu điện áp U1 và U2 thu được từ các mạch cầu như trên hình 1.6, bởi lẽ nếu chỉ với một tín hiệu Sin thì từ 1 giá trị của U1 hoặc U2 sẽ có hai giá trị chuyển vị x1 và x2. Nếu sử dụng cả 2 điện áp U1 và U2 thì với mỗi cặp U1 và U2 sẽ xác định duy nhất một gía trị x. Như vậy, với mỗi chu kỳ ta có thể chia nhỏ được n lần mong muốn. Để chia nhỏ chu kỳ T ra nhỏ hơn N lần (tức là chia T ra làm N chu kỳ T1 sao cho T = N.T1), ta sẽ phải thiết kế một mạch điện tử sao cho khi đầu vào ứng với mỗi một cặp giá trị độc lập của sin và cos thì ta sẽ phát ra 1 xung và nếu có tất cả N cặp sin và cosin thì ta sẽ có N xung phát ra. Tuy nhiên, sự phụ thuộc của U vào x là không tuyến tính, tại các sườn của sóng hình Sin, sự thay đổi của U theo x khá rõ ràng và dễ xác định nhưng ở lân cận các điểm cực trị, mỗi sự thay đổi của x kéo theo sự thay đổi khó phát hiện của 17 điện áp U1 và U2. Vì vậy, nếu chia một chu kỳ thành quá nhiều phần nhỏ sẽ làm giảm độ chính xác của bộ chia. Hiện nay, các hãng sản xuất thiết bị đo chiều dài hiển thị số thường chỉ chia nhỏ chu kỳ tín hiệu tới 20 lần. Để nhận được độ phân giải sẽ là 1 µm với bước cơ sở T = 20 µm, hãng Heidenhain sử dụng bộ chia nhỏ tín hiệu ra làm 20 lần hoạt động trên nguyên lý so sánh tín hiệu vào ở mức cao. Như vậy, dòng điện ra của mạch cầu 1.6 có dạng: 3600 3600 I1 = a.Cos ( x) = a.Cos ( x) = a.Cos (180.x) T 20 I 2 = a.Sin( 0 (1.1) 0 360 360 x) = a.Sin( x) = a.Sin(180.x) T 20 (1.2) Trong đó, a - biên độ dòng điện x - là độ dịch chuyển của đầu đọc so với thước kính Để có độ phân giải là 1 µm, bộ chuyển đổi tín hiệu có khả năng tạo xung tại các vị trí có x là: 0, 1, 2, .. .,19 µm, nghĩa là nó phải phát xung tại các góc 180.n với n = 0, 1, 2, ... 19. Để làm điều này, hãng Heidenhain đã sử dụng các mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán với dòng I1 mắc vào cửa cộng và dòng I2 mắc vào cửa trừ như hình vẽ 1.7. I 1 = a.Cos( 18° .x ) R/cos(18° .n) U1 I 2 = a.Sin( 18° .x ) U2 + - 18° .n R/sin(18° .n) 0° 18° .n 360° Hình 1.7 M ạch khuyếch đại thuật toán sử dụng để tạo xung 18 Để tạo xung tại các vị trí góc 180.n, người ta mắc thêm hai điện trở R1=R/Cos(180.n) vào cửa cộng và R2 = R/Sin(180.n) vào cửa trừ của mạch so sánh. Khi đó, U1 = I1.R1, U2 = I2.R2. Như vậy, khi đầu đọc di chuyển tương đối so với thân thước một lượng x = n (n = 0, 1, 2, ... 19) sẽ làm cho U1 = U2. Khi đó mạch khuyếch đại thuật toán sẽ phát ra 1 xung. Nếu ta dùng 20 khuếch đại thuật toán và 40 điện trở mắc theo nguyên lý như trên thì ta sẽ có 20 đầu ra là 20 xung phát ra trong 1 chu kỳ. Tuy nhiên, thực tế không thể mắc được một mạch gồm 20 mạch khuyếch đại thuật toán như vậy bởi lẽ các giá trị điện trở đặc biệt là Ri = R/Cos (180. n) ( n = 0,1,..19) sẽ có những giá trị điện trở âm (Ví dụ n =10 thì R10 = - R), hơn nữa việc dùng 20 mạch khuyếch đại và 40 điện trở như vậy sẽ làm mạch rất cồng kềnh. Do hàm Sin và Cos là hai hàm tuần hoàn với chu kỳ T=3600 nhưng độ lớn giá trị lại chỉ nằm trong vùng 00 đến 900 và Cosα = Cos(3600 - α), Sinα = Sin(1800 + α), vì vậy các xung lớn hơn 1800 thì đều được biểu diễn bằng các góc nhỏ hơn 1800. Như vậy, các xung có giá trị góc là: 1980, 2160, 2340, 2520, 2880, 3060, 3240, 3420, thì sẽ lần lượt được thay bằng các xung có giá trị góc là: 180, 360, 540, 720, 1080 , 1260, 1440, 1620. Xung 00 thay cho xung 1800 và xung 900 thay cho xung 2700. Đối với các góc α = 1080 , 1260, 1440, 1620 sẽ cho các giá trị Cosα <0, tuy vậy người ta vẫn lấy giá trị điện trở dương nhưng lấy đảo tín hiệu vào. 19 Với cách xử lý như trên thì thực tế hãng Heidenhain chỉ sử dụng 10 mạch khuếch đại thuật toán làm nhiệm vụ so sánh để tạo ra 10 xung từ 00 đến 1620. Do mỗi xung này có thể thay thế cho 1 xung phát lệch pha với nó 1/2 chu kỳ nên khi ta tổng hợp 10 xung này có thể tương đương với tổng hợp 20 xung theo nguyên lý đã trình bày ở trên. Tín hiệu ra của 10 mạch khuyếch đại thuật toán được đưa vào 1 bộ EXOR như hình vẽ 1.8 để thực hiện quan hệ logic A ⊕ B = A.B + A.B . Nghĩa là hàm EXOR = 1 khi các biến A,B lấy các giá trị khác nhau và EXOR = 0 khi các biến A, B lấy các giá trị bằng nhau. Tại các góc đặc biệt 00 và 900, giá trị Sin và Cos triệt tiêu nên các giá trị R sẽ không xác định. Vì vậy các xung tại 00 và 900 không thể tạo ra bằng cách so sánh hai tín hiệu Sin và Cos như trên được. Vì vậy, người ta tạo xung tại vị trí góc 00 bằng cách so sánh giá trị của I2 ( Sin) và mức 0V và tạo xung tại vị trí góc 900 bằng cách so sánh giá trị của I1 dảo ( - Cos) và mức 0V. 20 I 1 (Cos)+ R - + - 0° 0° , 36° , 72° , 108° , 144° R/cos18° I 2 (Sin) + R/sin18° + - 18° + - 36° + - 54° + - 72° f1 EXOR - R/cos36° R/sin36° R/cos54° R/sin54° TÝn hiÖu tí i Bé ®Õm R/cos72° R/sin72° R/sin90° 18° , 54° , 90° , 126° , 162° + - 90° + - 108° + - 126° + - 144° + - 162° EXOR f2 R/ cos108° R/sin108° R/ cos126° R/sin126° R/ cos144° R/sin144° R/ cos162° R/sin162° Hình 1.8 Mạch nguyên lý chuyển đổi tín hiệu theo Heidenhain Khi đó, tín hiệu ra của hàm EXOR sẽ có dạng như hình 1.9. Trong đó ⇒ Xung X1 là tổng hợp từ các xung 00, 360, 720, 1080, 1440. ⇒ Xung X2 là tổng hợp từ các xung 180, 540, 900, 1260, 1620.