Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện

Toàn bộ các quy trình thiết kế, chế tạo, đo đạc các thông số của các loại cảm biến hồng ngoại nói chung và quang trở hồng ngoại nói riêng sử dụng trong lĩnh vực quân sự là những bí mật c

MỞ ĐẦU

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ thuật đang từng ngày, từng giờ đem lại diện mạo mới cho tất cả các lĩnh vực của xã hội Trong quân sự, các vũ khí không ngừng được cải tiến để nhanh hơn, mạnh hơn, hiệu quả hơn trong các cuộc chiến Một trong những loại vũ khí được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi hiện nay là các tên lửa có gắn các đầu tự dẫn hồng ngoại Với những ưu điểm vượt trội về sự cơ động, tính hiệu quả khi tìm diệt các mục tiêu: Tên lửa, máy bay tầm thấp,…của đối phương, những tên lửa này đã và đang được sử dụng, nghiên cứu, phát triển rộng rãi trong quân đội nhiều quốc gia “Đôi mắt “ của khí tài này là các cảm biến hồng ngoại dạng quang trở Đây là loại cảm biến mà nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn do bức xạ hồng ngoại gây ra với các vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp Bức xạ hồng ngoại là những sóng điện từ có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy, nằm trong khoảng từ 0,75µm đến 1000 µm [dựa vào khoảng bước sóng có thể chia thành các loại: hồng ngoại gần (0,75µm đến 3 µm), hồng ngoại trung bình (3µm đến 6µm), hồng ngoại xa (6 µm đến 15 µm), hồng ngoại siêu xa (> 15 µm)] Do đặc tính không thể quan sát bằng mắt thường và có khả năng gây nên các hiện ứng: nhiệt điện, hỏa điện, quang điện,… nên bức xạ hồng ngoại được sử dụng làm tín hiệu thu, phát quan trọng trong lĩnh vực quân sự Quá trình nghiên cứu về cảm biến hồng ngoại và các hệ thiết bị đo đạc kèm theo đã được tiến hành từ cuối những năm 1800, nhưng đến chiến tranh Thế Giới thứ 2 thì các cảm biến hồng ngoại mới bắt đầu được đưa vào sử dụng trong quân

sự Toàn bộ các quy trình thiết kế, chế tạo, đo đạc các thông số của các loại cảm biến hồng ngoại nói chung và quang trở hồng ngoại nói riêng sử dụng trong lĩnh vực quân

sự là những bí mật công nghệ mà các nước không chuyển giao cho nước khác Đây chính là lý do mà những nghiên cứu chuyên sâu về quang trở hồng ngoại sử dụng trong quân sự ở Việt Nam còn gặp rất nhiều khó khăn trên con đường chế tạo, khảo sát, tiến tới đưa các quang trở hồng ngoại vào thay thế cho các linh kiện cũ hoặc cung cấp cho

các vũ khí mới sản xuất Trước yêu cầu cấp thiết của quân đội, nhóm nghiên cứu tại Bộ môn Vật lý – Khoa Hóa Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã và đang tiến hành nghiên cứu, chế tạo, khảo sát các quang trở hồng ngoại hoạt động ở nhiệt độ phòng phục vụ cho nhu cầu quốc phòng Nghiên cứu về nhiễu và xác định năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại là những vấn đề có ý nghĩa quan trọng vì nó cho phép đánh giá chất lượng và triển vọng ứng dụng thực tiễn của quang trở hồng ngoại, đặc biệt

trong lĩnh vực quân sự Vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ đo

nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại hoạt động ở nhiệt độ phòng ”

Mục tiêu của đề tài là xây dựng một hệ thiết bị đủ khả năng đo các thông số đặc trưng của quang trở hồng ngoại, để phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá, so sánh cũng như hiệu chỉnh công nghệ chế tạo quang trở hồng ngoại

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Danh mục tài liệu tham khảo, luận văn

được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm xây dựng hệ đo

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Trong quá trình thực hiện luận văn, đã xây dựng thành công hệ đo các thông số của quang trở hồng ngoại hoạt động ở nhiệt độ phòng Các kết quả đo đạc các mẫu quang trở của Nga trên cơ sở sử dụng hệ đo đã xây dựng phù hợp với các số liệu được cung cấp bởi phía đối tác, đồng thời phân tích một số thông số kỹ thuật quan trọng của quang trở khi sử dụng trong mục đích quân sự

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về quang trở hồng ngoại

1.1.1 Lịch sử phát triển

Trong lĩnh vực quân sự, người ta thường ví các cảm biến hồng ngoại như

“ những đôi mắt của các cuộc chiến” Các quốc gia có nền quân sự phát triển như Mỹ, Nga, Trung Quốc,… luôn coi lĩnh vực phát triển các cảm biến hồng ngoại là một lĩnh vực trọng điểm nhằm tạo ra những ưu thế vượt trội so với đối thủ trong các cuộc chiến Cảm biến hồng ngoại có vai trò quan trọng trong các ứng dụng quân sự như: Thu thập mục tiêu, tìm kiếm và theo dấu mục tiêu, chỉ thị mục tiêu Bên cạnh đó, các cảm biến hồng ngoại còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự như: Công nghiệp ôtô, hàng không, y tế, kiểm tra chất lượng sản phẩm,…theo thống kê, trong khoảng một thập kỷ gần đây, thị trường cảm biến hồng ngoại phát triển mạnh mẽ với mức tăng 70%

về số lượng và 40% về giá trị [3, 9, 14] Cảm biến hồng ngoại được chia thành hai loại chính là cảm biến quang và cảm biến nhiệt, bắt đầu được nghiên cứu từ những năm

1800 bởi William Herschel Quang trở hồng ngoại thuộc dòng cảm biến quang, được bắt đầu nghiên cứu, chế tạo và đưa vào ứng dụng từ những năm 1940, sử dụng lớp màng nhạy hồng ngoại là các vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp như PbS, PbSe, InSb,… Quang trở sử dụng vật liệu Lead sulfide (PbS) là dòng quang trở hồng ngoại ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự với nhiệm vụ nhận biết dải bước sóng hồng ngoài từ 1

µm đến 3 µm, trở thành một bộ phận quan trọng trong các tên lửa thông minh trong suốt chiến tranh Thế Giới thứ II và tới tận ngày nay Bên cạnh PbS, các dạng vật liệu

đa dạng khác đã và đang được nghiên cứu, chế tạo ứng dụng cho quang trở hồng ngoại

để mở rộng dải bước sóng làm việc như: Lead Selenide (PbSe), Lead Telluride (PbTe), Indium Antimonide (InSb)… cung cấp độ nhạy tương đối tốt ở dải bước sóng hồng ngoại trung bình (3-6 µm), vật liệu MCT - Mercury Cadmium Telluride (HgCdTe) cho phép mở rộng dải nhạy ánh sáng hồng ngoại tới vùng hồng ngoại xa (6-16 µm) Hiện

nay các nhà khoa học thuộc các trung tâm, viện nghiên cứu cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới vẫn tiếp tục cải thiện các thông số làm việc của quang trở hồng bằng cách sử dụng các vật liệu mới và cấu trúc mới [12, 18, 19, 20]

1.1.2 Phân loại

Trên bảng 1.1 trình bày cách phân loại các loại quang trở hồng ngoại thông dụng hiện nay theo vật liệu chế tạo, dải bước sóng và nhiệt độ làm việc [4, 7]

Bảng 1.1: Phân loại quang trở hồng ngoại

Vật liệu chế tạo Dải bước sóng làm việc

Krumman, Boeing, L3 Electronics của Mỹ; Softradir và EADS (Pháp), BAE System

(Anh), Reihmetal (Đức), Hamamatsu và NEC (Nhật), Saphir (Nga), SCD (Israel)…,

1.1.3 Cấu tạo

Các loại cảm biến hồng ngoại tùy theo mục đích sử dụng mà có cấu tạo khác nhau Trên hình (1.1 và 1.2) lần lượt là cấu tạo thông dụng của cảm biến hồng ngoại dạng quang trở hoạt động ở nhiệt độ phòng và hình ảnh quang trở hồng ngoại của hãng

(2): Điện cực ngoài – thường sử dụng Au

(3): Dây nối – thường sử dụng Ag

(4): Điện cực trong – Sử dụng kim loại thích hợp để đảm bảo tiếp xúc Ohmic

độ không đổi đó Khi được chiếu sáng bởi các bức xạ hồng ngoại trong dải bước sóng thích hợp, quá trình hấp thụ trong vật liệu bán dẫn các phô tôn của bức xạ hồng ngoại

sẽ tạo ra các hạt tải tự do (điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và lỗ trống điện tích dương ở vùng dẫn) Kết quả là làm tăng độ dẫn điện của vật liệu hay giảm điện trở của các quang trở hồng ngoại Trên hình (1.3) là một mạch tín hiệu đơn giản miêu tả quá trình lấy tín hiệu ra dạng điện áp từ sự thay đổi điện trở của quang trở hồng ngoại [2, 4, 17, 19,]

Hình 1.3 Mạch tín hiệu ra từ quang trở hồng ngoại

Điện áp nguồn VB cấp cho quang trở RC nối tiếp với điện trở R, tín hiệu điện áp được lấy ra từ điện trở R thay đổi khi có bức xạ hồng ngoại chiếu tới quang trở Nhược

R

điểm quang trở hồng ngoại hồng ngoại hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn là hiệu suất lượng tử của các cảm biến hồng ngoại loại này thường không cao do chùm dòng điện tử phải trải qua một quãng đường bằng chiều dài của quang trở nên có nhiều điện

tử bị tái hợp trở lại với các lỗ trống điện tích dương, ngoài ra các quang trở hoạt động ở dải bước sóng hồng ngoại trung bình và dài cần tới các hệ thống làm lạnh Tuy nhiên, nhờ có những ưu điểm như: thời gian đáp ứng và độ nhạy tương đối cao, cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, độ tin cậy cao… nên các linh kiện quang dẫn này vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng quân sự và dân sự

1.1.5 Các thông số đặc trưng của quang trở hồng ngoại

Mỗi cảm biến hoạt động đều có một bộ các thông số đặc trưng được cung cấp bởi các nhà sản suất, đối với quang trở hồng ngoại, những thông số quan trọng nhất quyết định tới khả năng hoạt động trong các ứng dụng mà chúng ta cần phải xác định

đó là: Độ nhạy (điện áp), ngưỡng nhạy và năng suất phát hiện, nhiễu [4, 5, 26, 27]

Độ nhạy điện áp S u

Độ nhạy điện áp được định nghĩa là tỷ số giữa giá trị bình phương trung bình của tín hiệu điện áp sinh ra trên giá trị bình phương trung bình của công suất bức xạ tới quang trở (1.1) Dạng biến điệu của bức xạ là tín hiệu dạng hình sin hoặc xung vuông được tạo ra thông qua bộ điều biến tín hiệu

2 C u

một đơn vị công suất bức xạ chiếu vào Trong phép đo đạc để xác định độ nhạy điện áp phải có nguồn bức xạ ở các nhiệt độ khác nhau và có khả năng điều khiển dễ dàng công suất bức xạ phát và phổ phát xạ Thiết bị này giúp cho chúng ta dễ dàng tính toán được chính xác công suất phát xạ cũng như phổ bức xạ chiếu tới quang trở Ngoài ra, bức xạ từ nguồn này phải được biến điệu thành các tín hiệu xoay với những tần số nhất định để phù hợp với yêu cầu sử dụng trong tên lửa Mặt khác, thông qua điều biến tín hiệu quang, tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến cũng có dạng xoay chiều và dễ dàng

tính toán giá trị bình phương trung bình của điện áp tín hiệu ra theo thời gian

Nhiễu

Trong phép đo đạc, ở đầu ra của quang trở, ngoài tín hiệu có ích còn có một tín hiệu hỗn loại với tần số và biên độ ngẫu nhiên, đây chính là nhiễu của quang trở [17, 28] Các tín hiệu này có thể ở dạng điện áp hoặc dòng điện và không quan hệ trực tiếp với công suất tín hiệu phát xạ hay phổ phát xạ Vì nhiễu là một quá trình ngẫu nhiên nên giá trị của nó phù hợp nhất là đo ở dạng bình phương trung bình của biên độ điện áp ( Uon2 ) Nhiễu là thông số quan trọng, nó liên quan đến ngưỡng nhạy của cảm biến và cho phép đánh giá công nghệ chế tạo cũng như khả năng hoạt động của cảm biến, do đó đo đạc độ lớn của nhiễu và phân tích phổ nhiễu của quang trở là một trong những phép đo quan trọng cần phải thực hiện Trong quá trình sử dụng quang trở trong tên lửa cần thông tin chi tiết về biên độ tín hiệu nhiễu ở các dải tần số từ đó thiết

kế mạch điều khiển một cách phù hợp, tăng độ chính xác khi bám mục tiêu, tránh nhiễu động giả

Các nguồn nhiễu:

Đối với quang trở hồng ngoại, các nguồn nhiễu chủ yếu cần quan tâm là:

a Nhiễu do nhiệt: Điện tử tự do trong chất bán dẫn đều nằm ở trạng thái

chuyển động nhiệt hổn loại Kết quả là trong một thời điểm bất kỳ nào đó số lượng

điện tử chuyển động về hướng này sẽ khác với số lượng điện tử về hướng ngược lại

Vì vậy trên hai đầu của quang trở sẽ xuất hiện một biến thiên suất điện động trong dải tần f1 f2 được xác định bởi công thức [17, 28]:

2

1

f 2

Ở đây: R là điện trở của cảm biến

T là nhiệt độ của cảm biến

k= 1,38.10-23 (J/K)

f

 là dải thông

b Nhiễu do thăng giáng hạt tải: Dòng điện là các dòng hạt tải Giá trị dòng

điện được xác định bởi số lượng các hạt tải, các hạt tải này lại thăng giáng theo thời gian, vì vậy sinh ra nhiễu Sự thăng giáng dòng điện được viết dưới dạng [17, 28]:

c Nhiễu phát sinh - tái hợp: Là do thăng giáng về số lượng và thời gian sống

của hạt tải, công thức biểu diễn cho nguồn nhiễu này [17, 28]:



ở đây  là thời gian sống của hạt tải, N là tổng số hạt tải tự do

Thăng giáng dòng ig sẽ sinh ra trên trở tải một điện áp nhiễu:

d Nhiễu bức xạ: Nhiễu này xác định bởi sự thăng giáng tín hiệu quang rơi

trên quang trở tức là thăng giáng số lượng phôtôn đến quang trở từ nguồn bức xạ bên ngoài cũng như từ các phần tử khác của cảm biến nằm gần phần tử nhạy [28]

Thăng giáng công suất bức xạ từ nguồn phát là vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T BB

trong dải tần f lên quang trở có điện tích A sẽ là:

Phổ của nhiễu này không phụ thuộc vào tần số, phụ thuộc trực tiếp vào diện tích quang trở, độ ổn định của nguồn phát hồng ngoại và điều kiện đo đạc (những nguồn nhiệt trong môi trường) Thực tế các quang trở ngày nay đều có diện tích màng nhạy hồng ngoại rất bé để giảm nhiễu bức xạ [4, 5], trong quá trình đo đạc cần đảm bảo sự

ổn định của nguồn phát hồng ngoại và tiến hành phép đo trong môi trường không có những nguồn nhiệt có nhiệt độ cao để giảm ảnh hưởng của nguồn nhiễu này Trong quá trình đo đạc, đối với các quang trở lý tưởng thì nhiễu bức xạ đóng vai trò là thành phần nhiễu chính, các nguồn nhiễu còn lại thì mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào các điều kiện tiến hành phép đo

Ngưỡng nhạy và năng suất phát hiện D*

Ngưỡng nhạy n được định nghĩa là công suất bức xạ bé nhất chiếu tới quang trở làm xuất hiện trên nó một tín hiệu bằng tín hiệu nhiễu hoặc lớn gấp một số lần theo quy ước [4, 26, 27] Trong đo đạc thường sử dụng ngưỡng nhạy  *n để có thể so sánh các quang trở với diện tích màng nhạy hồng ngoại và dải tần số hoạt động khác nhau

2 on

* n

*

* n

1.2.1 Các thiết bị cơ bản trong hệ đo

Hệ đo các thông số đặc trưng của quang trở hồng ngoại đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu, chế tạo cũng như kiểm tra, hiệu chỉnh các quang trở hồng ngoại trước khi đưa vào ứng dụng thưc tế Ở Việt Nam từ trước đến nay, chỉ có một số nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, nhà máy Z181 Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng,… đã và đang tiến hành xây dựng một số hệ thiết bị đo đạc các thông số của quang trở Tuy nhiên những nghiên cứu này vẫn chưa đáp ứng được những nhu cầu thực tế của quân đội trong việc đo đạc, hiệu chỉnh, kiểm tra khả năng hoạt động của quang trở hồng ngoại Trên hình 1.4 trình bày sơ đồ sắp xếp các thiết bị của hệ đo các thông số của quang trở hồng ngoại [2, 26]

Hình 1.4 Sơ đồ các thiết bị của hệ đo

- là hệ số phát xạ của nguồn, đối với vật đen tuyệt đối =1

Bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại tuân theo định luật Wien:

m

b T

Trong công thức này:

- mlà bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại

- b là hằng số Wien, b= 2,898.10-3 m.K

Một số nguồn phát hồng ngoại được sử dụng trong các hệ đo là: Bóng đèn sợi đốt Vonfram, nguồn vật đen,….Mặc dù chưa thể chế tạo được nguồn vật đen tuyệt đối tuy nhiên các nguồn vật đen được sản suất phục vụ cho các nghiên cứu về quang trở hồng ngoại có thể đạt tới hệ số phát xạ ~ 1, các nguồn vật đen này được xem như nguồn vật đen tuyệt đối với công suất phát xạ và phổ phát xạ ổn định Trên hình 1.7

là phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối ở các nhiệt độ khác nhau tương ứng với công suất phát xạ và cực đại của phổ phát xạ khác nhau [4]

Hình 1.7 Phổ phát xạ của nguồn vật đen tuyệt đối

Trên hình 1.8, 1.9 là một số nguồn vật đen thông dụng hiện nay được sản suất bởi các hãng của Mỹ như Newport Corporation, Boston Electronics,… với khả năng điều khiển nhiệt độ của nguồn vật đen rất chính xác và hệ số phát xạ ~ 1 [15] Các nhóm nghiên

cứu trong nước trước đây thường sử dụng các nguồn vật đen tự chế hoặc dùng bóng đèn sợi đốt Vonfram có hệ số phát xạ có độ chính xác không cao, dẫn tới những hạn chế trong kết quả của phép đo

Hình 1.8 Nguồn vật đen của hãng

Newport Corporation

Hình 1.9 Nguồn vật đen của hãng

Boston Electronics

1.2.1.3 Bộ điều biến quang

Các quang trở hoạt động trong tên lửa cung cấp các tín hiệu điện áp dạng xoay chiều cho hệ thống điều khiển quỹ đạo bay, ngoài ra với mục đích hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu nên tín hiệu quang tới quang trở hồng ngoại cần phải được điều biến

Hệ đo các thông số đặc trưng của quang trở do vậy cần sử dụng bộ điều biến quang Tín hiệu hồng ngoại từ nguồn phát đi qua bộ điều biến sẽ tạo thành các tín hiệu xung dạng vuông, dạng hình sin ở các tần số khác nhau tùy theo yêu cầu đo đạc

Cấu tạo cơ bản của bộ điều biến bao gồm:

Hình 1.10 Bộ điều biến quang của hãng

Scitek

Hình 1.11 Bộ điều biến quang của hãng

Stanford Research systems

1.2.1.4 Bộ khuếch đại tín hiệu và lọc tần

Thông thường tín hiệu thu được từ các quang trở rất bé nên trong quá trình sử dụng trong các ứng dụng cũng như việc đo đạc, khảo sát các thông số của quang trở đều cần tới các mạch khuếch đại [4] Thực chất của khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp không chứa thông tin, được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào, chứa thông tin [11, 16] Kết quả là tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo Sơ

đồ tổng quát của mạch khuếch đại như hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại

Các mạch khuếch đại thường sử dụng các linh kiện là transistor hoặc các khuếch đại thuật toán làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, hình 1.13 và 1.14 chỉ ra một số mạch

khuếch đại tín hiệu sử dụng transistor và IC 741 Bên cạnh quá trình khuếch đại cần các bộ lọc tần số của tín hiệu ở các khoảng tần số khác nhau Đối với các quang trở sử dụng trong tên lửa, các tần số được quan tâm là 200 Hz, 800 Hz và 1000 Hz Bộ lọc tần với độ phân giải cao cũng cần thiết để khảo sát phổ nhiễu của tín hiệu

Hình 1.13 Mạch khuếch đại dùng khuếch

đại thuật toán

 Trở kháng lối vào và lối ra

Trở kháng lối vào và lối ra của bộ khuếch đại được định nghĩa:

Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu dải tần Ở vùng tần số thấp có méo thấp Mt, ở vùng tần số cao có méo tần số cao Mc, chúng được xác định theo biểu thức:

Trong đó: K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình

Kc là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao

Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp

 Hiệu suất khuếch đại

Được định nghĩa là đại lượng tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr và công suất một chiều của nguồn cung cấp P0

r

0

P P

số Các máy hiện sóng số ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn do khả năng lưu trữ, sao chép, truyền dữ liệu tới máy tính, tăng khả năng tính toán và xử lý các tín hiệu Trên hình 1.15 và 1.16 là hai loại máy hiện sóng tương tự và máy hiện sóng số Các hệ

đo hiện đại ngày nay đều sử dụng các thiết bị hiện sóng dạng số

Hình 1.15 Máy hiện sóng OS 5040A,

40Mhz (EZ-Hàn Quốc)

Hình 1.16 Máy hiện sóng TDS2024C,

200Mhz (Tektronix-Mỹ)

Trong quá trình xây dựng hệ đo cần đảm bảo khả năng phối hợp và hoạt động

ổn định của từng bộ phận hợp thành, liên tục kiểm tra và tiến hành các hiệu chỉnh cần thiết để kết quả đo đạc có độ chính xác, tin cậy và lặp lại

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG HỆ ĐO

2.1 Hệ đo sử dụng trong phòng thí nghiệm

Căn cứ vào các thông số quan trọng cần đo đạc của quang trở, các tài liệu tham khảo [2, 4, 26], các nhiệm vụ được giao cũng như hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu, sơ đồ ghép nối các thiết bị tổng quát xây dựng nên hệ đo sử dụng trong phòng thí nghiệm được nhóm tác giả đưa ra như hình 2.1 Tùy vào thông số cần đo đạc

mà nhóm tác giả lựa chọn các thành phần thiết bị khác nhau

Toàn bộ hệ đo các thông số đặc trưng của quang trở hồng ngoại được chia làm 8 khối thiết bị chính:

1 Khối nguồn cung cấp điện

2 Khối nguồn phát hồng ngoại

3 Bộ điều biến tín hiệu quang

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị của hệ đo

2.1.1 Các sơ đồ thiết bị đo thông số khác nhau của quang trở hồng ngoại

Từ sơ đồ các thiết bị tổng quát, nhóm tác giả xây dựng nên các sơ đồ đo các thông số của quang trở như sau:

 Sơ đồ thiết bị đo thông số điện trở tối, điện trở sáng

 Sơ đồ thiết bị phân tích nhiễu

 Sơ đồ thiết bị đo độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện

2.1.1.1 Sơ đồ đo thông số điện trở tối, điện trở sáng

Được bố trí như trên hình 2.2

Các điều kiện đo đạc gồm có: nguồn vật đen được thiết lập ở nhiệt độ 500 K với khẩu độ mở của cửa số phát là 1.524 cm, khoảng cách tới quang trở 40 cm, nhiệt độ của môi trường 298 K Mục đích của sơ đồ này là xác định điện trở tối và điện trở sáng của các quang trở ở cùng một điều kiện đo đạc qua đó đánh giá sơ bộ khả năng hoạt

Hình 2.2 Sơ đồ đo điện trở sáng, điện trở tối

động của quang trở cũng như so sánh các quang trở với nhau Nguyên lý hoạt động của

sơ đồ là: bộ điều biến quang điều biến tín hiệu bức xạ hồng ngoại chiếu tới khối cảm biến, khối cảm biến được cấp nguồn từ khối nguồn điện, biến thiên điện được tính toán

và đo đạc thông qua đồng hồ đo Keithley 2612 A và được lưu trữ trên máy tính Kết quả đo đạc thông số điện trở tối, điện trở sáng của các mẫu quang trở Q1, Q2 được chỉ

ra trong chương 3

2.1.1.2 Sơ đồ phân tích nhiễu

Bố trí như trên hình (2.3) Nguyên lý hoạt động của sơ đồ là: khối cảm biến được cấp nguồn 30 V từ khối nguồn điện, do không có bức xạ hồng ngoại từ nguồn vật đen chiếu tới quang trở nên điện trở của quang trở hầu như không thay đổi, tín hiệu ra

từ khối cảm biến theo lý thuyết là tín hiệu điện áp một chiều không đổi theo thời gian, tất cả những tín hiệu thay đổi trong trường hợp này là nhiễu, kết quả phân tích phổ nhiễu khi chưa có quang trở và khi có quang trở được trình bày trong chương 3

Phổ của tín hiệu nhiễu thu được sẽ cung cấp thông tin về nhiễu ở các dải tần số khác nhau Các dải tần số có biên độ tín hiệu nhiễu cao sẽ được phân tích, kiểm tra chi tiết, đặc biệt là ở các tần số mà quang trở hồng ngoại hoạt động trong tên lửa là 200,

800, 1000 Hz thông qua sơ đồ trên hình (2.4)

Hình 2.3 Sơ đồ phân tích nhiễu của quang trở

2.1.1.3 Sơ đồ đo độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện

Độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại theo sự thay đổi nhiệt độ của của nguồn phát được đo đạc theo sơ đồ trên hình (2.5)

Hình 2.5.Sơ đồ đo độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện Hình 2.4 Sơ đồ phân tích nhiễu chi tiết của quang trở

Các điều kiện đo đạc ban đầu gồm có: nguồn vật đen được thiết lập ở nhiệt độ

500 K với khẩu độ mở của cửa số phát là 1.524 cm, khoảng cách tới quang trở 40 cm, nhiệt độ của môi trường 298 K Mục đích của sơ đồ này là xác độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại đối với bức xạ hồng ngoại ở các nhiệt độ khác nhau của nguồn vật đen Bức xạ hồng ngoại phát ra từ nguồn vật đen ở các nhiệt độ khác nhau được điều biến qua bộ điều biến quang trước khi chiếu tới quang trở gắn trên khối cảm biến Tín hiệu điện áp biến thiên từ khối cảm biến sau khi đi qua khối tiền khuếch đại được đưa vào khối khuếch đại Lock – In, có thể quan sát trực tiếp kết quả đo trên bộ khuếch đại Lock – In hoặc thông quá khối hiển thị và máy tính

2.1.2 Phân tích hoạt động chi tiết của các thiết bị trong sơ đồ đo

2.1.2.1 Khối nguồn cung cấp điện

Trong hệ đo này nhóm tác giả sử dụng các ắc quy 12 V ghép nối tiếp tạo thành khối nguồn cung cấp điện

 Phân loại, cấu tạo

Có nhiều cách để phân loại ắc quy, tuy nhiên có thể phân loại thành hai dòng cơ bản là ắc quy chì (axít) và ắc quy kiềm Trong hai dòng này thì ắc quy chì (axít) được

sử dụng rộng rãi hơn Cấu tạo cơ bản của ắc quy

chì được chỉ ra trên hình 2.2 bao gồm: phân khối

bản cực dương, phân khối bản cực âm và dung dịch

axít H2SO4 loãng (nồng độ γ =1,1÷ 1,3 g/cm3) Cấu

tạo của một bản cực trong ắc quy gồm có phần

khung xương và chất tác dụng trát lên nó

Khung xương của bản cực dương và âm có cấu

tạo giống nhau Chúng được đúc từ chì có pha

thêm ( 5 ÷ 8% ) Sb và tạo hình dạng mặt lưới

Hình 2.6 Cấu tạo cơ bản của ắc quy

Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính đúc Trong thành phần của chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng, tăng diện tích tham gia phản ứng hóa học Phần đầu mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc quy đơn được hàn với nhau tạo thành phân khối bản cực dương Các bản cực âm hàn với nhau tạo thành phân khối bản cực âm

 Nguyên lý làm việc của ắc quy

Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình ắc quy cung cấp điện cho mạch ngoài gọi là quá trình phóng điện Quá trình ắc quy được dự trữ năng lượng gọi là quá trình nạp điện Năng lượng của ắc quy quan hệ với quá trình biến đổi hoá học của các bản cực và dung dịch điện phân được trình bày trong bảng sau:

Bảng 2.1 Quá trình biến đổi hóa học trong ắc quy

Trạng thái ắc quy Bản cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm

Khi nối bản cực dương và bản cực âm xuất hiện suất điện động sinh ra dòng điện một chiều chạy từ cực dương sang cực âm Trong sơ đồ thiết bị, nguồn cung cấp điện bao gồm nhiều bộ ắc quy đơn ghép lại với nhau cung cấp nguồn điện một chiều 30 V cho khối cảm biến 4 Trong quá trình sử dụng khối nguồn cung cấp điện thường xuyên được kiểm tra giá trị của điện áp cung cấp và tiến hành xạc lại khi cần thiết

2.1.2.2 Khối nguồn phát hồng ngoại

Trong hệ đo này chúng tôi sử dụng khối nguồn phát hồng ngoại là nguồn vật đen (BB) Models 67031 của hãng Newport (Mỹ) cung cấp [15]

 Cấu tạo

Cấu tạo của nguồn phát hồng ngoại bao gồm hai bộ phận là bộ điều khiển nhiệt độ và khối vật đen Khối vật đen có cấu chính tạo bao gồm khoang rỗng, lò nhiệt và 2 cặp nhiệt điện (hình 2.7)

Hình 2.7 Cấu tạo của khối vật đen

Khoang rỗng là một cấu trúc dạng hình nón với góc mở 20o được chế tạo từ thép không gỉ đặc biệt và được xử lý để có thể phủ lớp vật liệu phát xạ cao trên bề mặt một cách đồng đều Sự kết hợp của khả năng phát xạ cao của lớp bề mặt và cấu trúc hình học của khoang rỗng tạo ra khả năng phát xạ đồng nhất và rất hiệu quả Khoang rỗng được đốt nóng bởi lò nhiệt điện trở, dòng đốt nóng điện trở cung cấp bởi bộ điều khiển nhiệt độ Các thông số về nhiệt độ được liên tục cập nhập trên màn hình LCD của khối điều khiển Sự thay đổi nhiệt độ của khối vật đen được

cung cấp cho khối điều khiển sử dụng hai cặp nhiệt điện loại S (plantium/plantium 10% Rhodium), trong hai cặp nhiệt điện này, một cặp được đặt ngay cạnh đỉnh của khoang rỗng, cặp còn lại được đặt ở khoảng giữa khoang rỗng

Bộ điều khiển nhiệt độ điều khiển toàn bộ quá chỉnh thiết lập, hiệu chỉnh nhiệt độ của khối vật đen dựa trên tín hiệu đầu vào từ các cặp nhiệt điện Một bộ vi

xử lý hoạt động theo PID tiêu chuẩn (tỷ lệ, tích phân và vi phân) được sử dụng để điều khiển và thu nhận các tín hiệu Theo yêu cầu sử dụng, bộ điểu khiển phải đảm bảo quá trình điều khiển nhiệt độ của nguồn vật đen một cách dễ dàng thông qua bảng điều khiển ở mặt phía trước của thiết bị Tất cả sự hiệu chỉnh bao gồm: các thông số và khả năng hiển thị có thể thao tác từ bảng phía trước Trên bảng này có 2 đèn LED hiển thị các mức cảnh báo nhiệt và 5 đèn LED bảy đoạn hiển thị nhiệt độ của vật đen Việc điều khiển thông số, lựa chọn và quá trình hiệu chỉnh được thực hiện đơn giản thông qua MENU phía trước, sử dụng 4 phím (trái, phải, trên, dưới)

 Tính năng

Tính năng chung của khối nguồn phát hồng ngoại được thể hiện trong bảng 2.2 Các tính năng quan trọng như độ chính xác và độ ổn định của nhiệt độ điều khiển, thời gian đốt nóng để đạt các nhiệt độ cần thiết lập sẽ được nhóm tác giả kiểm tra trước khi hệ thiết bị thực hiện các phép đo đạc thông số của quang trở hồng ngoại

Bảng 2.2 Tính năng của khối nguốn phát hồng ngoại

Độ phân giải Có thể lựa chọn 1 oC hoặc 0.1 oC

Thời gian đốt nóng

(từ nhiệt độ môi trường

tới 1050 oC)

35 phút

Thành phần cảm ứng Cặp nhiệt điện loại S

Thông số của khối vật đen được thể hiện trong bảng 2.3 Hệ số phát xạ của khoang rỗng đạt giá trị 0.99% với sai số +/- 0.01%, trên nguồn vật đen có các cửa sổ với khẩu độ mở khác nhau cho phép chúng ta thay đổi công suất phát xạ một cách dễ dàng

Bảng 2.3: Thông số của vật đen

Khe hở của khoang rỗng Đường kính: 1 inch

Loại khoang rỗng Dạng hình nón (góc mở 20o) lõm vào

Hệ số phát xạ của khoang rỗng 0.99% +/- 0.01%

Nhiệt độ đĩa tròn Cao hơn nhiệt độ môi trường một lượng nhỏ hơn

Bảng 2.4: Tính năng của khối điều khiển nhiệt độ

Điều khiển Theo PID tiêu chuẩn

Hiển thị Trên 2 màn hình:

Nhiệt độ của vật đen được hiển thị bởi màn hình LED ở trên, điểm thiết lập và các thông số được hiển thị ở màn hình LCD phía dưới

Tốc độ lấy mẫu Nhiệt độ của khoang rỗng được cập nhập liên tục 10 lần/ giây Chuyển đổi oF/oC Tùy chọn trên thiết bị

Báo động 5.0 A ở nguồn 120 VAC, 2.5 A ở nguồn 230 VAC

Môi trường hoạt động  Trong khoảng nhiệt độ từ 0oC đến 40o

C

 Độ ẩm tương đối nhỏ hơn 95%

Yêu cầu về công suất 210 -250 VAC, 50-60 Hz, công suất cực đại 500W

hồng ngoại của quang trở là A, nhiệt độ nguồn vật đen được thiết lập ở giá trị T s , nhiệt

độ môi trường Tb(hình 2.8):

Hình 2.8 Cửa sổ phát hồng ngoại và vị trí tương đối so với quang trở

Công suất bức xạ hồng ngoại do nguồn vật đen phát ra được tính theo biểu thức:

4 2 s

P T a  (2.1)

Công suất phát ứng với một đơn vị góc khối:

2 4 s

T aP

P: Công suất phát xạ của nguồn vật đen

: Hệ số phát xạ của nguồn (Đối với vật đen tuyệt đối, =1)

: Hằng số Stefan Boltzmann (5.67 x 10-12W/cm2K-4)

Ts: Nhiệt độ của nguồn hồng ngoại (K)

Tb: Nhiệt độ của môi trường (K)

F: Hệ số chuyển đổi của nguồn

a: Đường kính mở của cửa sổ phát

d: khoảng cách từ cửa số phát tới bề mặt quang trở

t: hệ số truyền trong môi trường

trong phép đo các thông số của quang trở hồng ngoại với nguồn vật đen tuyệt đối, F được lấy bằng 1, khoảng cách d được giữ nguyên trong các phép đo, hệ số truyền môi trường t được lấy bằng 1, nhiệt độ của môi trường là 298K, đường kính của cửa sổ phát hồng ngoại và nhiệt độ của nguồn vật đen được thay đổi nhằm thu đươc các công suất

và phổ hồng ngoại khác nhau tới bề mặt quang trở

2.1.2.3 Bộ điều biến quang

Trong hệ thiết bị đo các thông số của quang trở hồng ngoại chúng tôi lựa chọn bộ

điều biến quang SR540 được cung cấp bởi hãng Stanford Research Systems

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Thiết bị này có cấu tạo gồm có 2 bộ phận chính (hình 2.9)

1 Bộ điều khiển và hiển thị tần số

2 Mô tơ và đĩa điều chế tín hiệu

Hình 2.9 Bộ điều biến quang SR540

Bộ điều khiển và hiển thị tần số kết nối với mô tơ và đĩa điều chế tín hiệu thông qua dây nối xoắn, dễ dàng thay khoảng cách giữa hai bộ phận trong quá trình kết nối

bộ điều biến quang cùng với những thiết bị khác trong hệ đo Tần số tín hiệu thay đổi thông qua sự thay đổi vân tốc của mô tơ và số khe trên điều điều chế, tần số tín hiệu thu được được tính theo công thức (2.4) [21]

f=  n (2.4)

Trog đó  là vận tốc quay, (được điều khiển trực tiếp qua hệ thiết bị) và n là

số khe cho bức xạ qua trên đĩa, (được thay đổi cho phù hợp với dải tần số mong muốn)

Tùy thuộc vào khoảng tần số cần sử dụng mà có thể sử dụng hai loại đĩa điều chế đi kèm thiết bị Trên hình 2.10 là đĩa điều chế có thể sử dụng 5 hoặc 6 khe chắn sáng trong trường hợp cần tín hiệu điều biến tần số thấp, hình 2.11 là đĩa điều chế với số lượng khe chắn sáng có thể sử dụng 25 hoặc 30 khe chắn sáng trong trường hợp cần sử dụng tín hiệu điều biến cao

Hình 2.10 Đĩa điều chế có 5/6 khe Hình 2.11 Đĩa điều chế có 25/30 khe

Các đĩa chắn sáng được thiết kế với tính đối xứng rất cao đảm bảo tính đối xứng của tín hiệu điều biến bên cạnh khối lượng rất nhẹ giúp dễ dàng thay đổi tốc độ trong quá trình điều khiển tần số tín hiệu

 Tính năng hoạt động

Các tính năng hoạt động của thiết bị được miêu tả trong bảng 2.5, thông số quan trọng của bộ điều biến như độ chính xác của tần số tín hiệu điều biến được nhóm tác giả kiểm tra và so sánh với tài liệu cung cấp của hãng trước khi đưa thiết bị vào đo đạc các thông số của quang trở hồng ngoại

Bảng 2.5: Tính năng của bộ điều biến quang

Tần số tín hiệu điều biến  4Hz đến 400 Hz khi sử dụng đĩa điều chế 5/6

Điều khiển tần số 3 khoảng điều khiển:

 4 Hz đến 40 Hz

 40Hz đến 400 Hz

 400 Hz đến 3700 Hz

Kích thước  Bộ điều khiển: 7.7” x 5.1” x 1.8”

 Đường kính đĩa điều chế: 4.00”

2.1.2.4 Khối cảm biến

Nhóm tác giả tự thiết kế chế tạo khối cảm biến, có thể gắn các quang trở khác nhau trong quá trình đo đạc Nhiệm vụ của khối là phân áp cho quang trở, biến đổi tín hiệu bức xạ hồng ngoại từ nguồn vật đen sau khi được điều biến chiếu tới quang trở thành tín hiệu điện áp xoay chiều, sử dụng tín hiệu này là tín hiệu đầu vào của khối khuếch đại lọc tần

 Mạch nguyên lý

Mạch nguyên lý của khối cảm biến được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Proteus 7.0 như trên hình 2.12 Nguồn sử dụng 30V cấp cho khối cảm biến lấy tử khối nguồn cung cấp điện Điện trở R3=220 K, điện trở R9=51 K, giá trị của tụ C1=15µF Trong quá trình đo đạc, điện trở R9 được thay thế bởi một biến trở để có thể

dễ dàng thay đổi giá trị tín hiệu ra cho phù hợp với từng loại quang trở hồng ngoại được đo đạc

Hình 2.12 Khối cảm biến

 Tín hiệu từ khối cảm biến

Khi chưa có bức xạ chiếu vào quang trở, trong mạch đầu thu và quang trở có dòng điện tối I0:

N

0 3,9 QT

2.1.2.5 Khối khuếch đại tín hiệu và lọc tần số

Đối với hệ đo sử dụng trong phòng thí nghiệm, nhóm tác giả xây dựng khối khuếch đại tín hiệu và lọc tần bao gồm 2 thiết bị:

 Bộ tiền khuếch đại dải rộng nhiễu thấp SR560 cung cấp bởi hãng Stanford với vai trò khuếch đại tín hiệu từ khối cảm biến trên dải tần số rộng làm cơ sở cho quá trình phân tích nhiễu của quang trở và đo đạc độ nhạy điện áp cũng như ngưỡng nhạy

 Bộ khuếch đại Lock – In SR830 được cung cấp bởi hãng Stanford với khả năng

đo đạc các tín hiệu rất bé trên nền nhiễu lớn, có khả năng phân tích nhiễu ở các tần số khác nhau

 Bộ tiền khuếch đại dải rộng

 Cấu tạo

Hình (2.13) là mặt trước của bộ tiền khuếch đại dải rộng với các phím chức năng

và các lối vào và ra tín hiệu Cổng kết nối RS-232, nguồn điện được bố trí ở mặt sau [22]

Hình 2.13 Bộ tiền khuếch đại dải rộng

Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ tiền khuếch đại dải rộng trên hình 2.14