(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC

ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN

BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Vũ Toàn Thắng

Hà Nội - 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC

ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN

BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Vũ Toàn Thắng

Hà Nội - 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Những nội dung, 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, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam Các kết quả này chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Người hướng dẫn khoa học

PGS TS Vũ Toàn Thắng

Hà Nội, ngày 14 tháng 03 năm 2022

Nghiên cứu sinh

Vũ Văn Quang

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã được sự hướng dẫn tận tình của tập thể hướng dẫn khoa học, được tạo điều kiện của Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí, các Giảng viên thuộc Bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi được các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tư vấn nhiều ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài Đồng thời, tôi cũng được các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng như của Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong quá trình hoàn thành các thủ tục, nội dung của luận án

Tôi xin được chân thành cảm ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin được bày tỏ sự biết ơn đến thầy giáo hướng dẫn: PGS Vũ Toàn Thắng

Tôi xin được cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, cảm ơn người vợ thương yêu đã chia sẻ, tạo thuận lợi trong thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu

Xin trân trọng cám ơn!

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của luận án: 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Đối tượng nghiên cứu 3

5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7 Những đóng góp mới của luận án 4

8 Cấu trúc luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO VẬN TỐC CỦA NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 6

1.1 Bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại và các nghiên cứu liên quan 6

1.2 Mô tả hệ thống đo được đề xuất 17

1.3 Mục tiêu, khó khăn và các đóng góp dự kiến 20

Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 22

2.1 Các lý thuyết liên quan đến bức xạ hồng ngoại 22

2.1.1 Các đơn vị bức xạ 23

2.1.2 Đặc điểm không gian của đối tượng nguồn nhiệt và nền hồng ngoại 28

2.2 Các thành phần trong hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng các mô-đun cảm biến PIR 29

2.2.1 Cảm biến nhiệt điện pyroelectric 30

2.2.2 Thấu kính Fresnel 34

2.3 Các lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên cơ bản và bài toán xác định thời gian trễ 36

iv

2.3.1 Dữ liệu xác định và dữ liệu ngẫu nhiên 36

2.3.2 Các thuộc tính thống kê cơ bản 41

Kết luận chương 2 43

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG PHÉP ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 44

3.1 Phân tích các sai số và độ không đảm bảo đo của hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại 44

3.2 Giải pháp xác định và hiệu chỉnh độ song song hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR 47

3.2.1 Thiết lập thí nghiệm vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR so với bề mặt mục tiêu của nguồn nhiệt tham chiếu được điều biến 49

3.2.2 Phân tích độ nhạy của phép đo 53

3.2.3 Xác định độ không đảm bảo đo vị trí quang trục của từng mô-đun cảm biến PIR và độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR 57 3.3 Các giải pháp nâng cao độ chính xác trong việc xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra của hai mô-đun cảm biến PIR 60

3.3.1 Phương pháp tương quan chéo cổ điển 63

3.3.2 Phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert 66

3.3.3 Ứng dụng biến đổi Fourier cho các đánh giá tương quan 69

Kết luận chương 3 72

CHƯƠNG 4 CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ THỰC NGHIỆM 74

4.1 Khảo sát hệ thống xác định vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR 74

4.1.1 Thí nghiệm xác định và hiệu chỉnh vị trí quang trục mô-đun PIR 76

4.1.2 Khảo sát độ không đảm bảo đo của phương pháp xác định quang trục mô-đun cảm biến PIR 82

4.1.3 Thực nghiệm đo vị trí quang trục của các mô-đun cảm biến PIR 85

4.2 Thực nghiệm đo giá trị vận tốc 89

4.2.1 Mô tả bố trí thí nghiệm 89

4.2.2 Phân tích độ không đảm bảo đo cho thời gian trễ với các phương pháp số khác nhau 90

4.2.3 Thực nghiệm đo vận tốc với các đối tượng thực tế 95

v

Kết luận chương 4 98

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107

PHỤ LỤC A THIẾT KẾ MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR 108

PHỤ LỤC B SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU CHO MÔ-ĐUN CẢM BIẾN 111

PHỤ LỤC C THIẾT KẾ HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN TRỤC QUANG HỌC CỦA MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR 113

PHỤ LỤC D GIAO DIỆN PHẦN MỀM THU NHẬN DỮ LIỆU ĐO 114

PHỤ LỤC E LƯỢC TRÍCH MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ THU NHẬN TÍN HIỆU 115

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Pyroelectric FOV Field Of View - Trường nhìn của hệ thống quang học,

θx, θ y Góc theo phương ngang, dọc của trường nhìn của hệ thống

quang học

T Nhiệt độ nói chung, oK hoặc oC

T s Nhiệt độ bề mặt nguồn nghiệt tham chiếu, oK hoặc oC

T b Nhiệt độ môi trường nền, oK hoặc 0C

T ob Nhiệt độ trung bình của bề mặt đối tượng đo, oK hoặc 0C

PIR, V

V O Biên độ điện áp đầu ra của mô-đun cảm biến PIR, V

Kỳ vọng của một đại lượng ngẫu nhiên

R xy (η) Tương quan chéo của hai dữ liệu ngẫu nhiên x(t), y(t) tại độ trễ η

ζ Độ lệch chuẩn của một đại lượng ngẫu nhiên

vii

η Độ trễ theo thời gian của hai tín hiệu đầu ra, s

u c (.) Độ không đảm bảo đo của đại lượng kết hợp

d Khoảng cách giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR

Hàm Lambertain tại nhiệt độ T, W/cm2

f m Tần số điều biến màn trập, Hz

ω m Tần số điều biến góc, bằng 2πf m

Q(T s , T b ) Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt và nền (công

thức 3.14)

K(ω m ) Hệ số phụ thuộc vào tần số điều biến (công thức 3.14)

Góc lệch giữa vị trị quang trục của mô-đun cảm biến PIR và

trục đối xứng của mặt phẳng mục tiêu (mục 3.2) CCF Cross-Correlation Function - Hàm tương quan chéo cổ điển CCFHT Cross-Correlation Function with Hilbert Transform - Hàm

tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert DFT Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourier rời rạc thuận IDFT Inverse Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourier rời rạc

ngược FFT Fast Fourier Transform - Biến đồi Fourier nhanh

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các công nghệ cảm biến ứng dụng trong giám xác và xác định vận tốc

phương tiện giao thông 6

Bảng 2.1 Các đơn vị bức xạ 24

Bảng 4.1 Thông số phục vụ mô phỏng 74

Bảng 4.2 Độ không đảm bảo đo vị trí góc của mô-đun cảm biến PIR 84

Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm đo vị trí góc của quang trục hai mô-đun cảm biến PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu 87

Bảng 4.4 Một số thông số bố trí thí nghiệm 90

Bảng 4.5 Các thông số cài đặt phục vụ tính toán mô phỏng SNR của mô-đun cảm biến PIR 91

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ

nh Bố trí thí nghiệm trong nghiên cứu của Z Zhang và cộng sự [15] 9

nh Mô tả thành phần trong nút cảm biến thu nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại trong nghiên cứu của Z Zhang [15] 9

nh Tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR khi kết hợp với thấu kính (a) và ở các khoảng cách khác nhau (b) trong nghiên cứu của Zappi [16] 10

nh Sơ đồ hệ thống theo dõi con người trong nghiên cứu của B.Yang [17] 11

nh Sơ đồ nút cảm biến trong nghiên cứu của B.Yang [17] 11

nh Sơ đồ bố trí cảm biến hồng ngoại nhiệt điện (PIR) và tín hiệu đầu ra trong nghiên cứu của Yun [19] 12

nh Minh họa thiết lập đo lường trong công bố của Brian Donovan [21] 13

nh Triển khai thiết lập đo lường trong nghiên cứu của Enas Odat [22] 14

nh Các tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến PIR, được tạo ra khi xe đi qua với các tốc độ khác nhau trong nghiên cứu của Odat [22] 15

nh Kết quả các phép đo thô của cảm biến PIR (trái) và Các phép đo biến đổi sóng con (phải) trong nghiên cứu của Enas Odat [22] 16

nh Mô tả bố trí của hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt 17

nh Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống đo 18

nh Mô tả khái niệm góc khối 24

nh Cường độ bức xạ trên bề mặt dạng Lambertian 25

nh Phổ phát xạ của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau 27

nh Mô tả đặc điểm không gian góc của đối tượng nguồn nhiệt 29

nh Sơ đồ mạch điện tương đương cho cảm biến PIR 31

nh Mô tả cấu hình hệ quang học cho mô-đun cảm biến PIR 32

nh Đặc điểm không gian mô tả cho đối tượng nguồn nhiệt và cảm biến PIR 34 nh Thấu kính phẳng lồi so với Thấu kính Fresnel 35

nh Nguyên lý hoạt động của thấu kính Fresnel với cảm biến hồng ngoại thụ động 35

nh Phân loại dữ liệu ngẫu nhiên 38

nh Mô tả các hàm lấy mẫu của dữ liệu ngẫu nhiên [40] 39

nh Ảnh hưởng của góc nghiêng giữa hai trục quang đến kết quả đo 48

nh Minh họa quang trục của mô-đun cảm biến PIR căn chỉnh hoàn hảo (a) và căn chỉnh không hoàn hảo (b) 51

nh Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu 53

nh Mô tả hình học về ảnh hưởng của độ lệch trục quang học của mô-đun cảm biến 55

nh Mô tả đồ thị của (a) àm tương quan chéo - CCF và (b) àm tương quan

chéo kết hợp biến đổi Hilbert - CCFHT 62

nh Hình dạng (trên) và hình cắt 3D (dưới) của mô-đun cảm biến PIR 75

nh Thiết kế 3D (trên) và hình ảnh thực (dưới) của hệ thống xác định/căn chỉnh vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR 76

nh Mô tả hệ số truyền của cửa sổ quang học cảm biến PIR [59] 77

nh Mô tả hệ số truyền của thấu kính Fresnel [60] 77

trong nghiên cứu tại các nhiệt độ bề mặt T khác nhau 79

nh Mô tả hình chiếu bằng bề mặt các phần tử cảm PIR [53] 80

nh Đồ thị giá trị hệ số Q theo nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt, khi nhiệt độ môi trường nền T b = 25 0 C 81

nh Giá trị hệ số đáp ứng K(ω) theo tần số ω 82

nh Mô tả tín hiệu được quan sát trong thời gian cố định 84

nh Tín hiệu điện áp đầu ra của mô-đun cảm biến PIR phần tử kép theo thời gian ở các góc quay khác nhau 86

nh Kết quả thử nghiệm của PSD chuẩn hóa và biên độ phổ chuẩn hóa ở tần

số điều biến qua các góc quay khác nhau cho hai mô-đun cảm biến PIR 88

nh Bố trí hệ thống hai (02) mô-đun hồng ngoại PIR phục vụ đo vận tốc nguồn nhiệt: Nhìn từ trên xuống (h nh trên) và nh n đối diện (h nh dưới) 89

xi

nh Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu đo của hệ mô-đun cảm biến PIR 90

nh Mô tả vị trí tương đối của nguồn nhiệt với trường nhìn của cảm biến PIR tại khoảng cách R 92

nh Mô hình toán học tính toán tín hiệu điện áp đầu ra trên nền tảng Simulink 92

nh Mô tả tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR với v = 90 km/h và T ob = 33 0 C 93

nh Đồ thị giá trị tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR của mô-đun cảm biến PIR trong các trường hợp mục tiêu di chuyển với các tốc độ khác nhau và chênh lệch nhiệt độ

so với môi trường khác nhau 93

nh Độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương quan chéo 94

nh Độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert 94

nh So sánh độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ giữa hai phương pháp 95

nh Mô tả dữ liệu thu nhận từ 02 mô-đun cảm biến PIR 96

nh Kết quả thử nghiệm đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và CCFHT 97

nh Sai lệch trong phép đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và CCFHT so với phương pháp tham chiếu sử dụng camera 97

nh ản vẽ thiết kế các hình chiếu của vỏ mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR 108

nh nh ảnh vỏ mô-đun cảm biến hồng ngoại sau khi được chế tạo 110

nh Sơ đồ mạch điện biến đổi của mô-đun cảm biến PIR 111

nh nh ảnh bo mạch biến đổi tín hiệu sau khi được chế tạo 112

nh C Một số hình ảnh bố trí hệ thống hiệu chuẩn trục quang học của mô-đun cảm biến PIR 113

nh Giao diện phần mềm thu nhận dữ liệu đo được viết trên nền tảng Qt 114

xạ hồng ngoại trong những điều kiện khác nhau như vậy có một số ưu điểm như: giảm chi phí thiết lập hệ thống theo dõi và giảm thiểu yêu cầu về phần cứng phục

vụ cho việc tính toán

Đặc biệt, trong lĩnh vực giao thông vận tải, bài toán liên quan đến việc kiểm soát lưu lượng, vận tốc phương tiện giao thông đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm Trong đó, các hệ thống cảm biến bức xạ hồng ngoại được ứng dụng một cách hiệu quả để giải quyết vấn đề này Trong kỷ nguyên số và cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ở các đô thị thông minh, hệ thống kiểm soát giao thông được xây dựng với những nút đo lường bố trí trên khắp các vị trí Các hệ thống được lắp đặt thiết bị cảm biến như vậy sẽ mang tính linh động, di động và dễ dàng được tích hợp trong mạng lưới cảm biến

Thống kê cho thấy, những nghiên cứu gần đây tập trung vào tín hiệu đầu ra của các cảm biến bức xạ hồng ngoại để xác định gần đúng vị trí, hướng và tốc độ chuyển động của nguồn nhiệt, phụ thuộc vào đối tượng mục tiêu nguồn nhiệt và vị trí lắp đặt (trong nhà / ngoài trời) Tuy nhiên, những nghiên cứu đó chủ yếu tập trung vào các vấn đề phát hiện sự xuất hiện của nguồn nhiệt, phát hiện hướng di chuyển của nguồn nhiệt Có rất ít nghiên cứu quan tâm đến việc ước lượng tốc độ di chuyển và đưa ra các phân tích đánh giá độ chính xác của phép đo Do đó, bài toán xác định vận tốc chuyển động của nguồn nhiệt bằng tín hiệu bức xạ hồng ngoại vẫn cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu nhằm nâng cao độ chính xác đo lường sử dụng cảm biến hồng ngoại

2

Trong một số nghiên cứu gần đây, các cấu trúc và các thông số của hệ thống quang học (bao gồm thấu kính và cảm biến) đã được đề xuất, cùng với nhiều giải pháp lắp đặt cảm biến trong các ứng dụng khác nhau Các nghiên cứu cũng cung cấp các thuật toán xử lý tín hiệu bức xạ hồng ngoại thu nhận từ cảm biến được lắp đặt trong môi trường hoạt động thực tế Trên cơ sở đó, luận án đã tổng hợp, phân tích, kế thừa các kết quả nghiên cứu trên thế giới, đề ra giải pháp khắc phục các tồn tại mà hướng nghiên cứu đo vận tốc sử dụng cảm biến hồng ngoại chưa đề cập tới,

sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường cũng như cải tiến hệ thống cơ khí lắp đặt cảm biến để đạt được mục tiêu:

―Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển

bằng bức xạ hồng ngoại‖

2 Mục tiêu của luận án:

Mục tiêu của đề tài luận án nhằm đưa ra các giải pháp để nâng cao độ chính xác đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại, bao gồm:

Thứ nhất, luận án cần đưa ra các phân tích nguyên lý hoạt động và ứng dụng

hệ thống quang học với cảm biến bức xạ hồng ngoại pyroelectric (PIR) vào việc thu nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại từ các nguồn nhiệt trong tự nhiên (máy móc, phương tiện giao thông, con người, v.v.) để làm thông tin và đưa ra kết quả đo vận tốc di chuyển của các đối tượng nguồn nhiệt này

Thứ hai, luận án cung cấp giải pháp xử lý hai bài toán về các yếu tố ảnh hưởng chính đến hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại PIR: (1) Độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR và (2) Xác định thời gian trễ dựa trên hai chuỗi thời gian là hai tín hiệu đầu ra của hai cảm biến

Thứ ba, luận án cung cấp các phương pháp, mô hình toán học và các thuật toán để xử lý các bài toán nêu trên và đưa các phân tích độ không đảm bảo đo của

hệ thống thông qua các phương pháp, mô hình toán học và các thuật toán này

3 Nội dung nghiên cứu

- Nội dung 1: Nghiên cứu xây dựng hệ quang-điện tử là các mô-đun cảm biến hồng ngoại thụ động phục vụ cho việc đo vận tốc đối tượng nguồn nhiệt

23

Trong thế giới hồng ngoại, các bức xạ chủ yếu đến từ nguồn nhiệt và là phản

xạ nền của bức xạ vật đen [25] Tất cả các vật thể trên nhiệt độ 0 oK đều phát ra bức

xạ hồng ngoại dưới dạng sóng điện từ Nhiệt trong vật thể gây ra dao động phân tử,

do đó gây ra dao động của các electron Các dao động electron này tạo ra bức xạ Lượng bức xạ được phát ra phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ vật thể và đặc điểm bề mặt (độ phát xạ) của vật thể Vật thể nóng hơn phát ra nhiều bức xạ hơn so với vật thể lạnh; và vật thể có bề mặt gồ ghề phát ra nhiều bức xạ hơn so với vật thể có bề mặt nhẵn hơn

2.1.1 Các đơn vị bức xạ

Các khái niệm bức xạ là cần thiết cho việc xác định về thông lượng (công suất) tới các cảm biến và đầu dò hồng ngoại Các khái niệm này cho phép xác định mức năng lượng hồng ngoại được thu nhận trên bề mặt cảm biến Thông lượng phát ra từ của cả nguồn nhiệt và môi trường nền Khi đó, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR – Signal to Noise Ratio) cho cảm biến liên quan đến tỷ lệ giữa thông lượng hồng ngoại từ nguồn nhiệt mục tiêu và môi trường nền Mặt khác, hai giả thiết quan trọng được đưa ra trong đo bức xạ hồng ngoại: (1) Các nguồn phát xạ là không kết hợp, nên có thể bỏ qua hiện tượng giao thoa; và (2) nhiễu xạ được bỏ qua nên bức xạ hồng ngoại được coi là truyền theo đường thẳng

Góc khối là một tham số mà nhiều đơn vị đo bức xạ được đưa ra liên quan đến

nó Một góc khối có đơn vị là steradian (sr) và là góc đặc trưng một diện tích trên bề mặt hình cầu nhìn từ tâm của hình cầu Giá trị của góc khối là diện tích cho trước trên mặt cầu chia cho bình phương bán kính mặt cầu, được cho bởi công thức:

24

nh 1 Mô tả khái niệm góc khối

trong đó A là diện tích đặc trưng của góc khối trên bề mặt hình cầu Số steradian lớn nhất trên một mặt cầu bán kính R là πR 2 / R 2 = π sr Nếu R lớn hơn nhiều so với

bất kỳ kích thước nào của phần diện tích quan tâm, thì phần tiết diện tương ứng A

trên mặt cầu có thể được coi là phẳng

Các đơn vị đo bức xạ [26] được trình bày trong Bảng 2.1 Lượng năng lượng được phát ra hoặc hấp thụ, trên một đơn vị thời gian là thông lượng hoặc công suất

Độ thoát là lượng công suất mà một nguồn cung cấp trên một đơn vị góc khối Bức

xạ được xác định là thông lượng/công suất trên một đơn vị diện tích Độ thoát liên quan công suất để lại một bề mặt, còn bức xạ liên quan đến lượng điện năng xuất hiện trên một bề mặt

W

W/sr

W/cm2

W/cm2

W/(cm2.sr)

25

Bề mặt nguồn nhiệt thường được coi là bề mặt Lambertian, có thể áp dụng cho hầu hết các bề mặt tự nhiên và nhân tạo Bề mặt Lambertian bao gồm hầu hết các bề mặt thô ráp như sơn, vải, đá và gỗ không sáng bóng Các bề mặt đặc biệt, sáng bóng, thường không phải là Lambertian Trên bề mặt Lambertian cường độ thông lượng được xác định theo góc nhìn như ở hình 2.2

nh 2 Cường độ bức xạ trên bề mặt dạng Lambertian

Giá trị I n biểu thị cường độ pháp tuyến đối với bề mặt và góc θ được lấy so với

phương pháp tuyến Bức xạ tương ứng trên bề mặt Lambertian là không đổi theo góc Theo đó:

Ngoài ra, bề mặt Lambertian [27] tạo ra độ rọi tỷ lệ thuận với độ phát của nó:

Trong thế giới hồng ngoại, đặc tính hấp thụ và phát xạ của các nguồn nhiệt mục tiêu và môi trường nền thường được quan tâm hơn so với đặc tính phản xạ Điều này đặc biệt đúng vào ban đêm (chế độ hoạt động thông thường của các hệ thống hồng ngoại thụ động), khi không có phát xạ từ mặt trời Vào ban ngày, các phản xạ của ánh sáng mặt trời cũng nằm trong vùng hồng ngoại Tuy nhiên, đa số các vật thể tự nhiên và nhân tạo có độ phản xạ sóng hồng ngoại thấp và độ phát xạ (cũng như độ hấp thụ) cao Những vật thể này có xu hướng hấp thụ năng lượng mặt trời, và thực hiện hoạt động phát xạ trong điều kiện cân bằng nhiệt

26

Bức xạ hồng ngoại là một dạng sóng điện từ, với bước sóng từ 0,7 µm đến 1

mm, được phát ra từ các vật thể có nhiệt độ trên không tuyệt đối (0 oK) Nhiệt độ bề mặt của các vật thể và nhiệt lượng của chúng cung cấp năng lượng cần thiết để phát

ra sóng điện từ Hai khái niệm cơ bản đúng với bức xạ vật đen: (1) Vật có nhiệt độ cao hơn tương ứng với thông lượng phát xạ lớn hơn và (2) Vật có nhiệt độ cao hơn làm thay đổi phân bố quang phổ thông lượng về phía bước sóng ngắn hơn Những khái niệm này đúng bất kể đặc điểm phát xạ của nguồn nhiệt (bao gồm mục tiêu và môi trường nền)

Sự phân bố quang phổ và độ lớn của bức xạ của một vật thể chủ yếu là một

hàm của nhiệt độ và độ phát xạ của vật thể đó Hệ số phát xạ, ε(λ), mô tả các đặc điểm phát xạ của một đối tượng Vật thể có hệ số phát xạ bằng 1, ε(λ) = 1, được coi

vật đen hoàn hảo Bức xạ vật đen được mô tả bằng phương trình vật đen Planck [28] Theo đó, quang phổ của một vật là một hàm được xác định bởi:

T – nhiệt độ tuyệt đối theo thang đó Kelvin, [oK], (oK = oC + 273)

c 1 là hằng số bức xạ thứ nhất và c 2 là hằng số bức xạ thứ hai Giá trị của chúng được cho bởi:

với c là vận tốc của ánh sáng trong môi trường chân không, h là hằng số Planck, k

là hằng số Boltzmann, và T là nhiệt độ tuyệt đối trong hệ Kelvin

Hình 2.3 thể hiện phổ phát xạ của một vật đen hoàn hảo ở một số nhiệt độ khác nhau Có thể thấy rằng tổng độ phát xạ tăng khi nhiệt độ tăng, và độ phát xạ của từng nhiệt độ đạt cực đại ở một bước sóng nhất định

27

nh 3 Phổ phát xạ của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau

Bước sóng đỉnh của phát xạ cực đại đối với một nhiệt độ vật đen nhất định được đưa ra bởi định luật Wien:

với hằng số Stephan-Boltzmann ζ = 5,67 x 10-12 [W/ (cm2 oK4)] Mặt khác, các vật đen, vật xám và phần lớn các bộ phát quang phổ có thể được coi là nguồn có bề mặt Lambertian