Dau do buc xa hoa dien

Nội dung chủ đạo của đề tài này là tìm hiểu mạng cảm nhận không dây, việc sử dụng vi điều khiển CC1010 tạo nên một nút mạng và nút mạng này hoạt động độc lập trong môi trường như thế nà

Tóm tắt nội dung đề tài

Tìm hiểu nguyên lý đầu đo bức xạ hoả điện và khai thác ứng dụng nằm trong

mảng đề tài Mạng cảm nhận không dây WSN (Wireless Sensor Network) Nội dung

chủ đạo của đề tài này là tìm hiểu mạng cảm nhận không dây, việc sử dụng vi điều khiển CC1010 tạo nên một nút mạng và nút mạng này hoạt động độc lập trong môi trường như thế nào Ngoài ra khoá luận này còn tìm hiểu về phổ bức xạ điện từ được dùng khi tính toán bức xạ điện từ, các định luật về bức xạ điện từ Tiếp đến tìm hiểu thêm về nguyên lý cấu tạo, hoạt động, các phương pháp đo, cách phân tích và phân loại các đầu đo hoả điện Khoá luận này cũng đề cập đến vấn đề các nguyên lý mạch khuếch đại điện tử và thiết kế mạch khuếch đại ghép nối đầu đo hoả điện với hệ đo

Cuối cùng đề tài trình bày các thí nghiệm chạy mô phỏng mạch điện tử bằng phần mềm Circuit Marker và các kết quả thu được

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

======o0o=====

Nguyễn Thị Loan

TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ ĐẦU ĐO BỨC XẠ HỎA ĐIỆN

VÀ KHAI THÁC ỨNG DỤNG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Vương Đạo Vy

HÀ NỘI - 2005

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan 6

1.1 Gới thiệu về mạng cảm nhận không dây 6

1.1.1 Đặc điểm chung của mạng cảm nhận không dây - WSN .6

1.1.2 Đặc tính của ứng dụng thu thập thông tin môi trường 8

1.2 Đặc điểm, tính chất và nguyên tắc hoạt động của sensor nhận hồng ngoại vật 11

1.2.1 Cơ sở lý thuyết về phổ hồng ngoại 11

1.2.2 Phân loại máy đo bức xạ 12

1.3 Sự bức xạ và các định luật bức xạ 17

1.3.1 Sự hấp thụ, sự phản xạ, sự truyền đối với bức xạ 17

1.3.2 Luật bức xạ 18

1.3.3 Phát xạ quang phổ và tập hợp phát xạ 23

1.3.4 Sự thay đổi nhiệt bức xạ .23

Chương 2: Lý thuyết về đầu đo hoả điện 26

2.1 Đầu đo hoả điện 26

2.1.1 Lý thuyết chung 26

2.1.2 Phân loại 27

2.2 Các thông số kỹ thuật 28

2.2.1 Vùng nhạy 28

2.3 Cách đo bức xạ 31

2.3.1 Sơ đồ thực hiện phép đo 31

2.3.2 Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại: 32

2.3.3 Đồ thị đặc trưng độ nhạy của tín hiệu ra .33

2.3.4 Tín hiệu ra của đầu đo loại kép 33

2.3 Sơ đồ mạch điện tử 33

Chương 3: Khuếch đại thuật toán 35

3.1 Những lý thuyết chung để xây dựng một tầng khuếch đại 35

3.1.1 Các tính chất và tham số cơ bản 35

3.1.2 Hệ số khuếch đại Ko 36

3.1.3 Đặc tính biên độ - tần số 37

3.1.4 Hệ số khuếch đại đồng pha 39

3.1.5 Hệ số nén đồng pha 40

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm 42

4.1 Tìm hiểu nguyên lý mạch khuếch đại 42

4.1.1 Nguyên lý mạch khuếch đại 42

4.1.2 Tín hiệu ra của sensor hỏa điện đầu đo loại kép 43

Kết Luận 46

Một số từ viết tắt

4 RS232 Chuẩn truyền thông nối tiếp qua máy tính

Më ®Çu

Trong rất nhiều ứng dụng phục vụ sản xuất, nghiên cứu, bảo vệ môi trường, cảnh báo các thảm họa thiên nhiên… chúng ta cần biết một số tham số liên quan đến môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lượng mưa, v v Những tham số này sẽ được dùng để đánh giá điều kiện môi trường, để từ đó đưa ra những quyết định đúng đắn Đặc biệt khi người ta cần khảo sát môi trường tại những nơi có độ độc hại cao, địa hình hiểm trở… thì những tham số đó cần được truyền đến trung tâm xử lý Trong hoàn cảnh đó thì phương thức truyền thông tin hiệu quả nhất sẽ là phương thức truyền

vô tuyến vì vậy dự án “Xây dựng mạng cảm nhận không dây WSN thu thập các thông số môi trường trên cơ sở vi điều khiển CC1010” đang được nghiên cứu và triển

khai rộng khắp trên thế giới bởi những lợi ích to lớn và hiệu quả bất ngờ mà nó mang lại Để dáp ứng tính thời sự và tính thực tiễn của vấn đề này, một nhóm nghiên cứu bao gồm một số học viên cao học, và các sinh viên thuộc trường ĐH Công Nghệ ĐHQG Hà Nội, và một nhón sinh viên thuộc trường ĐH Dân Lập Hải Phòng đã bắt

tay vào nghiên cứu dưới sự hướng đẫn và chỉ đạo của của thầy giáo PSG-TS Vương

Đạo Vy Mạng cảm nhận không dây bao gồm nhiều nút mạng hoạt động độc lập

trong môi trường, mỗi nút mạng thu thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm trong một khoảng thời gian xác định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động của môi trường Bài toán này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng thường xuyên cung cấp thông số môi trường và gửi về một trạm gốc (base station) có kết nối với máy tính để phân tích, xử lý Mỗi nút cảm nhận có gắn các đầu đo vừa trực tiếp đo số liệu và truyền về trạm gốc, vừa chuyển tiếp dữ liệu nhận được từ các nút con trong topology dạng cây, gửi về cho nút cha Nhằm mục đích đưa đầu đo cảm nhận hồng ngoại vào hoạt động trong mạng WSN, tôi đã tìm hiểu đầu đo bức xạ hỏa điện và khai thác ứng dụng, kết nối với hệ thống điểm đo trên mỗi nút mạng

Để hoàn thành khoá luận này tôi xin bày tỏ lời chân thành cám ơn đến thầy giáo PGS-TS Vương Đạo Vy Người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn và chỉ đạo tôi trong suốt quá trình thực hiện khoá luận này

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo, cô giáo, các cán bộ trong trường Đã trang bị cho tôi những kiến thức về khoa học và những kinh nghiệm sống trong suốt thời gian tôi học tập tại trường Đồng thời tạo điều kiện cho tôi về trang thiết bị, máy móc và môi trường học tập lành mạnh Làm nền tảng cho tôi có thể hoàn thành khoá luận một cách tốt nhất và đúng thời gian quy định của trường

Nhân đây tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị, các bạn trong nhóm nghiên cứu và người thân trong gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất về vật chất, tinh thần, luôn đi sát và giúp đỡ tôi những lúc tôi gặp khó khăn, chia sẻ những tâm tư và nguyện vọng của tôi khiến tôi có đủ nghị lực vươn lên hoàn thành tốt khoá luận này

Chương 1: Tổng quan

1.1 Gới thiệu về mạng cảm nhận không dây

1.1.1 Đặc điểm chung của mạng cảm nhận không dây - WSN

Đặc điểm chung

Mạng cảm nhận không dây - WSN (Wireless Sensor Network) hiện đang được nghiên cứu và triển khai rộng khắp trên toàn thế giới bởi những lợi ích to lớn và những hiệu quả bất ngờ mà nó đem lại Để có một mạng cảm nhận không dây có thể ứng

dụng tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của chúng tôi với sự hướng dẫn của thầy giáo

PG-TS Vương Đạo Vy đã đang và sẽ nghiên cứu, làm thí nghiệm để có thể đưa vào

ứng dụng trong thực tế một thời gian gần đây nhất Mạng cảm nhận không dây bao gồm nhiều nút mạng, mỗi nút mạng được xây dựng dựa trên một vi điều khiển Các vi điều khiển ngày nay có mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp Khi được cung cấp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập trong các môi trường ở những vị trí địa lý khác nhau Những vi điều khiển này nếu kết hợp với một bộ thu phát sóng vô tuyến và các bộ cảm biến (đặc biệt là cảm biến vi cơ điện tử MEMs) sẽ là một nút mạng trong WSN Nút mạng này có khả năng hoạt động độc lập và đo các thông số khác nhau tại các vị trí của nó WSN gồm một tập hợp các nút mạng Đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các ứng dụng có thể đề cập đến như thu thập dữ liệu thông tin môi trường Các thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất, độ pH trong văn phòng, phân xưởng, nhà kho, hầm mỏ, viện bảo tàng, trong nông nghiệp, trong y tế, trong công nghiệp, trong nhiều trường hợp là mối quan tâm lớn WSN chính

là giải pháp thích hợp nhất để thỏa mãn nhu cầu đó WSN còn có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn môi trường hoặc định vị sự di chuyển của các đối tượng trong phạm vi của nó Tuy nhiên đây là một chủ đề lớn không thuộc phạm vi nghiên cứu của khoá luận này

Các họ vi điều khiển hiện nay có nhiều chủng loại, trong các thử nghiệm sau

đã chọn vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon làm nút mạng WSN vì những ưu

điểm nổi bật của nó Phần sau đây của khoá luận sẽ cho chúng ta thấy các đặc điểm ứng dụng thu thập thông tin môi trường, và đánh giá khả năng và hạn chế của vi điều khiển CC1010 và kiến nghị kiến trúc mạng của hệ thống WSN cho chức năng thu thập

dữ liệu môi trường sử dụng CC1010 Để hiểu được hoạt động của CC1010, ta hãy đi xem cấu trúc bên trong của CC1010 Hình 1.1 cho ta thấy toàn bộ cấu trúc bên trong

của vi điều khiển CC1010 Vi điều khiển CC1010 được tạo nên từ vi điều khiển 8051

và được ghép nối thêm với các chức năng khác như: các đường vào ra, các bộ nhớ đệm, bộ thu phát không dây, …

Vi điều khiển 8051 và các thành phần phụ trợ khác

• Tốc độ xử lý bằng 2.5 lần 8051 chuẩn

• 32 kB flash, 2048 + 128 Byte SRAM

• 3 kênh ADC 10 bit, 4 bộ định thời, 2 cổng UART, RTC, Watchdog, SPI, mã hóa DES, 26 chân vào ra chung

• Nguồn cung cấp 2.7 - 3.6 V

Bộ thu phát sóng vô tuyến

• 300-1000MHz

• Tiêu thụ dòng rất thấp (9.1 mA trong chế độ thu)

• Công suất phát có thể lập trình được (có thể lên tới +10dBm) Tốc độ thu phát dữ liệu lên tới 76.8 kbit/s

Nhờ có 3 kênh vào ADC và các cổng vào ra chung, nên có thể nối ba bộ cảm biến môi trường vào mỗi nút mạng, (CC1010) phù hợp với nhu cầu đo Mạch ứng dụng CC1010 tương đối đơn giản, thuận tiện để chế tạo ra các nút WSN hoạt động như một thiết bị độc lập Việc lập trình cho CC1010 được phép sử dụng các thư viện của

8051 và các bộ dịch cho 8051 Có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình C để lập trình cho CC1010 Trong CC1010 có tích hợp một bộ gỡ rối, hỗ trợ môi trường phát triển Keil µVision2 qua cổng nối tiếp

Hình 1.1: Mô hình cấu trúc CC1010

1.1.2 Đặc tính của ứng dụng thu thập thông tin môi trường

Nhu cầu thu thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động của môi trường Bài toán này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng, thường xuyên cung cấp thông số môi trường và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base station) có kết nối với máy tính để phân tích, xử lý Yêu cầu đối với các mạng kiểu này là thời gian sống phải dài hay nói cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít Mạng cho ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, mỗi nút mạng có một nút cha duy nhất Trạm gốc sẽ là gốc của cây Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ được gửi đến cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo (nút ông), cứ như vậy, dữ liệu sẽ được chuyển về trạm gốc

Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là: hiện tượng thắt cổ chai (bottle-neck) khi số lượng nút mạng lớn, một vài nút mạng vì một số lý do nào đó mà không hoạt động Để mạng tiếp tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại,

nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết vấn

đề tiêu thụ năng lượng của các nút mạng tối ưu nhất Phần mềm nhúng phải được thiết

kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với bài toán truyền thông các thông số đo được như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng chúng không thay đổi nhanh theo thời gian Hình 1.2 chỉ ra Topology của mạng WSN

Hình 1.2: Cấu hình mạng dạng cây của mạng cảm nhận không dây Trong cấu trúc mạng này, nút cảm nhận có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường và chuyển tiếp về nút mạng tiếp theo nếu như nút mạng đó ở quá xa trạm gốc Trạm gốc thực hiện chức năng thu thập dữ liệu từ các nút mạng cảm nhận sau đó xử

lý, tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển

Các nút cảm nhận có gắn các đầu đo vừa trực tiếp đo số liệu và truyền về trạm gốc, vừa chuyển tiếp dữ liệu nhận được từ các nút con trong topology dạng cây, và gửi

về cho nút cha

Việc chọn kiểu kiến trúc xuất phát từ yêu cầu chức năng của mạng, với chức năng thu thập đữ liệu từ môi trường thì Topology hình cây như đã trình bày ở trên là thích hợp nhất Nhưng trong thực tế, khi triển khai mạng thì lại mắc phải một số khó khăn do địa hình và hạn chế về khoảng cách truyền (nhỏ hơn 200m), dung lượng bộ nhớ của CC1010 mà kiến trúc mạng thực tế có sự thay đổi chút ít cho phù hợp với yêu cầu thực tế

Topology mạng trong thực tế có thêm các nút mạng trung gian để khắc phục nhược điểm giới hạn về khoảng cách Ngoài việc giao tiếp giữa nút mạng còn có thể

thực hiện giao tiếp giữa nút mạng và máy tính và máy tính được truyền qua cổng nối tiếp RS232

Đó là tổng quan về phần cứng của CC1010, nhưng phần phức tạp nhất trong việc ứng dụng CC1010 lại là phần mềm nhúng trên vi điều khiển Phần mềm được chấp nhận rộng rãi và trở thành hệ điều hành riêng cho vi điều khiển trong việc xây dựng WSN là TinyOS Phần mềm này có kích thước nhỏ, mã nguồn mở, dùng mô hình hướng sự kiện, với bộ lập lịch đơn giản cho phép vi điều khiển xử lý nhiều nhiệm vụ song song trong sự hạn chế về tài nguyên tính toán và bộ nhớ TinyOs sử dụng bộ lập lịch thao tác kiểu FIFO (vào trước ra trước) kết nối mềm dẻo giữa các phần cứng và các ứng dụng TinyOs đang được thử nghiệm với CC1010

Phục vụ cho việc thu thập các tín hiệu về môi trường như: độ ẩm, áp suất, độ

PH, nhiệt độ, nồng độ mặn trong nước, mức nước,… thì điều không thể thiếu được là phải sử dụng đầu đo, các đầu đo thích hợp ở đây là các đầu đo dạng MEMs, nhưng cũng có thể sử dụng các đầu đo thông thường để phục vụ cho những mục đích cụ thể nào đó Tôi đã đi vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đầu đo bức xạ hoả điện và từng bước đi khai thác ứng dụng đầu đo này, nhằm thu thập thông tin môi trường về bức xạ hồng ngoại vật, đây là một mắt xích nhỏ trong chuỗi công việc của mảng đề tài

mạng cảm nhận không dây ở trên Để đầu đo này có thể ghép nối với nút mạng trong

hệ thống WSN, tôi đã thiết kế mạch điện tử, nhằm gia công tín hiệu nhận được từ đầu

đo này và đưa vào nút mạng

1.2 Đặc điểm, tính chất và nguyên tắc hoạt động của sensor nhận hồng ngoại vật

1.2.1 Cơ sở lý thuyết về phổ hồng ngoại

Ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia hồng ngoại đều là những dạng khác nhau của bức xạ điện từ, chúng giống nhau về bản chất nhưng chỉ khác nhau về độ dài bước sóng Hình ảnh dưới đây cho ta cái nhìn tổng quan về phổ của bức xạ điện từ Tia gamma, tia X, tía cực tím, vùng ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, vi sóng, sóng ngắn, sóng dài,… phổ của tia hồng ngoại là một phần khá rộng nằm trong dải phổ, bắt đầu từ vùng có bước sóng 0.4µm đến vùng 20µm và được chia thành ba vùng: vùng hồng ngoại gần, vùng hồng ngoại trung bình và vùng hồng ngoại xa

Bức xạ hồng ngoại IR hay là bức xạ nằm sau vùng ánh sáng màu đỏ, Là vùng ánh sáng mà ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường Nhưng nó cũng có bản chất như một ánh sáng bình thường Trong thực tế nó gần giống như bức xạ phát ra từ một lò nóng, ta có thể quan sát được khi ta tăng nhiệt độ lên và nó có màu đỏ sẫm Trong trường hợp đó, có thể một vài bức xạ nhiệt có thể nhìn thấy khi ta tăng nhiệt độ lên Vì vậy bức xạ hồng ngoại cũng giống như bức xạ nhiệt, nó đi qua mắt người nhưng ta không nhìn thấy nó

Bất kỳ một vật nào cũng có thể phát ra nhiệt độ hay nói cách khác là bức xạ hồng ngoại Một ví dụ rất nổi tiếng về hồng ngoại là cảnh báo sự xâm phạm bằng việc quan sát bức xạ nhiệt do sự chuyển động của cơ thể người tạo nên trên nền tường lạnh Một vài lý do khác nữa là bức xạ hồng ngoại có thể sử dụng cho những mục đích chuyên dụng như trong quân đội (dùng vào mục đích có thể nhìn thấy trong đêm để tránh sự phát hiện của địch) hay trong lĩnh vực vũ trụ ( quan sát những ngôi sao, hay những hành tinh) Ngoài ra dải phổ hồng ngoại rất rộng, và đã tồn tại các các sản phẩm trong công nghiệp, như là cửa sổ, lăng kính, thấu kính, gương, hay các bộ lọc màu, thậm chí ngày nay người ta còn tao ra Camera hồng ngoại và ti vi hồng ngoại Bức xạ hồng ngoại còn có thể điều khiển và thay đổi đưa vào sử dụng giống như các thiết bị quang, rất phổ biến và dễ dàng Hình 1.4 cho ta thấy hình ảnh phổ của bức xạ điện từ

Hình 1.4: Phổ bức xạ điện từ

1.2.2 Phân loại máy đo bức xạ

Sensor nhận hồng ngoại – Body Intrared sensor là một loại đầu đo được thiết

kế để thu nhận tín hiệu hồng ngoại từ vật thể phát ra, tương ứng với nhiệt độ mà vật đó phát ra, mà mỗi nhiệt độ do vật phát ra lại tương ứng với một bước sóng Có nhiều cách nhận biết được bức xạ do vật đó phát ra Thời xưa, khi chưa có các dụng cụ đo hiện đại, người ta nhận biết hồng ngoại một cách rất đơn giản là đánh giá một cách tương đối về nhiệt độ bức xạ do vật phát ra, thông qua việc quan sát màu sắc Hình 1.5 cho ta biết cách người ta quan sát nhiệt độ đầu tiên bằng mắt người, còn bảng 1.1 dưới đây lại cho ta mối quan hệ giữa nhiệt độ và bước sóng Mỗi một bước sóng tương ứng với một màu sắc, do vậy bằng việc quan sát bước sóng của bức xạ phát ra từ vật ta có thể đoán được nhiệt độ của bức xạ đó Bằng phương pháp này ta chỉ có thể quan sát được những bức xạ có nhiệt độ tương đối lớn, còn đối với những bức xạ có nhiệt độ nhỏ như bức xạ từ cơ thể người thì ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường, khi đó muốn biết được bức xạ này ta lại phải nhờ đến một số dụng cụ phụ trợ khác như máy đo.Vệc này sẽ được đề cập đến trong phần sau, khi nói về máy đo bức xạ tự động Do vậy việc xác định theo phương pháp này chỉ mang tính tương đối, và còn phải dựa vào

kinh nghiệm của người quan sát, thường có thể nhận biết từ nhiệt độ cỡ 700 oC trở lên Bảng 1.1 được Forsyth đưa ra vào năm 1941, nó đã được thể hiện trong hội nghị lịch

sử về nhiệt độ vào tháng 11 năm 1939 Đây là hội nghị đánh dấu sự phát triển trong tương lai cho ngành nhiệt biểu học

Bảng 1.1: Mối tương quan giữa nhiệt độ và màu sắc

có thể xác định được nhiệt độ tương ứng của vật phát xạ Ngoài ra, ta cũng có thể nhận biết được bức xạ hồng ngoại nhờ đáp ứng quang phổ của bức xạ nhiệt Trong trường hợp này, thì người ta có thể sử dụng phương pháp đo bằng tay hay đo bằng máy tự động Có nhiều loại máy đo quang phổ như máy đo quang phổ một bước sóng, hai dải sóng, hay nhiều dải sóng Tuỳ thuộc vào mục đích mà ta nên chọn máy cho phù hợp

Hình 1.6: Phân loại bức xạ hỏa điện theo bước sóng

Đo bức xạ nhiệt bằng tay, hay nói cách khác là cách đo thủ công Sử dụng sự nhận biết màu sắc của mắt người, so sánh với phần thông tin chuẩn đã được lưu trữ

trong bộ nhớ Do vậy trong phương pháp này hoạt động của con người là rất cần thiết,

vì nó là một phần trong phép đo

Hình 1.7: Phương pháp đo bức xạ thủ công

⇒ Đích của tín hiệu (Target)

⇒ Hệ thống quang học (Opical System)

⇒ Hoạt động của mắt (Operator’s eye)

⇒ Khối chuẩn (Reference Unit)

⇒ Thiết bị đo (Measuring Instrument) Hình trên minh hoạ phép đo bằng thủ công, bức xạ hồng ngoại phát ra từ một nguồn sau đó được đi qua hệ thống thấu kính, và vào mắt người Để nhận biết được tín hiệu này mắt người phải so sánh với một khối chuẩn (Refenrece Unit), tín hiệu sau khi được so sánh được đưa đến thiết bị đo và các thông số được đọc ra ở thiết bị đo Dưới đây cho ta thấy hai loại nhóm máy đo thủ công

• Loại thứ nhất là loại máy đo không có hình sợi đốt xuất hiện (Disappearing filament) dựa trên sự kết hợp giữa độ chói của vật phát xạ và sợi đốt, bằng việc hiệu chỉnh dòng điện chạy trong đèn, thông qua việc quan sát Người quan sát có thể điều chỉnh dải bước sóng hoạt động sao cho dải bước sóng chỉ còn là một dải sáng hẹp, và có thể coi nó như là một sóng đơn sắc với bước sóng λe = 0.65µm

• Máy đo nhiệt hai màu ( two-colour pyrometers) máy đo này hoạt động nhờ tỷ số của cường độ bức xạ phát của vật trong hai bước sóng phổ khác nhau, hai bước sóng này thường được lấy là λ=0.55µm và 0.65µm

Ngoài cách đo thủ công như đã nêu ở trên thì ta có thể dùng máy đo tự động

Sơ đồ khối đơn giản nhất của máy đo tự động được chỉ ra trong hình 1.8 dưới đây:

Hình 1.8 Máy đo màu từ động

Sơ đồ khối bao gồm các khối cơ bản sau đấy

⇒ Hệ thống quang học (Optical System) hội tụ bức xạ đặt trước bộ

dò bức xạ

⇒ Bộ dò bức xạ (Radiation Detector) có thể dùng phát hiện ra nhiệt hay

còn gọi là đầu đo quang điện

⇒ Bộ chuyển đổi tín hiệu (Signal Converter), điều kiện là đầu ra của bộ

dò tín hiệu phải có tín hiệu

⇒ Thiết bị đo (Measuring Intrument) có thể có tín hiệu tương tự hay số ở

đầu ra

Đối với máy đo tự động có bốn loại, thể hiện trên hình 1.6:

⇒ Máy đo tổng số bức xạ sử dụng bộ dò bức xạ nhiệt, có đầu đo gắn liền

với bức xạ

⇒ Máy đo quang điện hoạt động theo phương thức chọn dải bước sóng hoạt

động trong phần tín hiệu chung bằng cách bắn phá phôtôn đầu đo quang

điện

⇒ Máy đo quang điện đo hai bước sóng, cũng có thể gọi là máy đo tỷ số,

thực hiện so sánh cường độ bức xạ phát trên hai bước sóng khác nhau

⇒ Máy đo nhiều bước sóng, máy dùng để đo bức xạ nguồn, nó hội tụ một

vài dải bước sóng và được gắn với đầu dò quang điện, thường dùng để đo

bức xạ của vật với hệ số phát thấp

1.3 Sự bức xạ và các định luật bức xạ

1.3.1 Sự hấp thụ, sự phản xạ, sự truyền đối với bức xạ

Bức xạ nhiệt là một phần trong bức xạ điện từ Ta biết rằng thông lượng nhiệt

ký hiệu là φ, và được định nghĩa là lượng nhiệt trong một đơn vị thời gian, xảy ra trên

bề mặt của chất rắn Trong thông lượng nhiệt lại được phân chia thành các phần như sau: φα là thông lượng hấp thụ, φρ là thông lượng phản xạ, φτ là thông lượng trưyền, dưới đây là định nghĩa về các hệ số:

Trong thí nghiêm trên được Harrison (1960) đã chỉ ra rằng tổng thông lượng phản xạ là φρ, nó bao gồm hai loại thông lượng phản xạ tại hai thành của vật, khi bức

xạ nhiệt tiếp xúc với bề mặt của vật thì một phần bức xạ bị phản xạ trở lại, phần còn lại đi vào trong vật, nhưng khi tiếp xúc với thành thứ hài của vật thì một phần bức xạ lài bị phản xạ trở lại, tạo ra hai thông lượng bức xạ: thứ nhất là φρ1, thứ hai là φρ2, thể hiện trên hình 1.9

Có một số trường hợp đặc biệt:

1 α = 1, ρ = 0, τ = 0 vật này gọi là vật đen tuyệt đối, trong trường hợp này toàn bộ bức xạ bị hấp thụ hoàn toàn

2 α = 0, ρ = 1, τ = 0 vật này gọi là vật trắng, và toàn bộ bức xạ đều bị phản xạ

3 α = 0, ρ = 0, τ = 1 vật này gọi là vật trong suốt và toàn bộ bức xạ đều được truyền đi

Khái niệm vật đen tuyệt đối rất quan trọng trong phép đo nhiệt, hình 1.10 là một vài ví dụ về cấu tạo tiếp xúc của vật đen tuyệt đối Khi ánh sáng đi qua một khe hẹp vào trong thành bình, bị phản xạ liên tiếp nhiều lần và suy yếu Tổng số năng lượng hấp thụ của vật đen này là hợp lại của nhiều lần phản xạ ở bên trong của vật Hệ

số bức xạ theo bước sóng được αλ, ρλ, τλ, ở bước sóng λ, cũng được tính theo công thức sau:

αλ = φλα/φ

τλ = φλτ/φ thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.2)

Giá trị của α, ρ, τ phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng, trạng thái bề mặt, nhiệt độ trong khi các hệ số phụ thuộc vào bước sóng αλ, ρλ, τλ, ứng với bước sóng λ

1.3.2 Luật bức xạ

Năng suất phát xạ là (W) được định nghĩa là tỷ số thông lượng nhiệt dφ trên

một đơn vị diện tích trên chính diện tích đó của một vật bất kỳ dA

T c

nghĩa là cường độ bức xạ của vật đen) Bước sóng λ, nhiệt độ tuyệt đối T, K là các hằng số

c1 là hằng số bức xạ thứ nhất có giá trị là c1=3,7415x10-16 Wm2

c2 là hằng số bức xạ thứ hai có giá trị là c2=14388 µm K

Áp dụng định luật Planck cho một dải bước sóng, từ bước sóng λ1 đến λ2 ,thay vào phương trình (1.8 ) ta được phương trình sau:

Wo,λ1 −λ2 = λ λ λ

λ λ

d e

c

t c

∫2 −−1

5 1

Với Wo,λ1−λ2 là năng suất bức xạ ở một dải bước sóng của vật đen

Theo Hackfoth (1960) đã chỉ ra rằng nếu λT << c2, thì công thức của định luật Planck có thể thay bằng công thức của định luật Wien dưới đây:

T c W

o

P o W o o

W

W W

W

λ

λ λ

λ

,

1 ,

=

∆

(1.11) Với Woλ,W là cường độ bức xạ tính theo định luật Wien và Woλ,P1 là cường độ bức xạ tính theo định luật Planck Sự sai khác trong việc tính toán giữa hai định luật kể trên đã được thống kê đưới bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2 Sự sai khác khi tính toán theo định luật Planck và định luật Wien

Đối với bất kỳ một nhiệt độ nào, thì phần dưới đường cong đáp ứng được tính

là tổng năng lượng bức xạ ở tất cả các bước sóng của vật đen

ε = W oλ

W

(1.15) Với W là cường độ bức xạ của một vật bất kỳ, và Wo là cường độ bức xạ của vật đen ở cùng một nhiệt độ

Theo định luật Kirchhoff, hệ số hấp thụ αλ bằng tổng độ phát xạ của vật không trong suốt của chính nó ελ,

Áp dụng định luật này cho một dải bước sóng ta có:

2 1 2

Hình 1.11: Cường độ bức xạ quang phổ thay đổi phụ thuộc vào bước sóng và

nhiệt độ theo phương trình của định luật Planck Theo định luật Stefan-Boltzmann, tổng năng suất bức xạ nhiệt cuả vật đen phụ thuộc vào bước sóng tại mỗi nhiệt độ được viết dưới dạng sau:

4 0

T d

W o λ δo

λ λ

λ =

∫∞

=

=

Với Woλ năng suất bức xạ của vật đen và σo là hằng số Bônzơman có giá trị

σo= 5,6697 x 10-8 W/m2 K4 Từ công thức (1.18) cho ta thấy năng suất bức xạ của vật đen tỷ lệ bậc bốn với nhiệt độ Để đơn giản ta có thể biểu diễn phương trình (1.18) thành phương trình (1.19)

Với ε là tổng bức xạ của vật đen

1.3.3 Phát xạ quang phổ và tập hợp phát xạ

Bức xạ quang phổ ελ và tổng bức xạ ε được tính theo công thức (1.14) và (1.15), một đặc điểm rất quan trọng là việc tính toán bức xạ ε và ελ để dùng trong những ứng dụng máy đo bức xạ Những vật liệu khác nhau thì có bức xạ khác nhau, và

bề mặt của vật cũng ảnh hưởng đến bức xạ của vật Ngoài ra bức xạ của vật còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như trọng lượng của vật, độ bóng, hay thô ráp của bề mặt, nhiệt

độ Do vậy, việc xác định bức xạ chỉ là tương đối

Mỗi một vật liệu có một độ bức xạ riêng và gọi là độ bức xạ đặc trưng ε’ và độ bức xạ đặc trưng theo bước sóng là ε’

λ. Việc tính toán ε’ và ε’

λ được thực hiện với vật

có bề mặt bình thường, và chỉ phụ thuộc vào độ bóng và độ dày của vật Một điều kiện cuối cùng nữa là tổng độ bức xạ của vật xám bằng độ bức xạ của vật trong suốt

Những vật mà có bề mặt gồ ghề, thô ráp, và có rãnh sắc thì có độ phát xạ lớn hơn Theo thuyết Maxwell thì độ bức xạ quang phổ có thể tính theo công thức sau:

1.3.4 Sự thay đổi nhiệt bức xạ

Đặt hai bản mạch song song với nhau, có cùng diện tích là A, nhiệt độ và độ phát xạ tương ứng là T1, T2, ε1, ε2, bức xạ nhiệt phát ra của mỗi một bản có cường độ tính theo công thức của định luật Stefan-Bolzmann, thông lượng nhiệt thay đổi giữa những bản mạch φ12 được tính theo công thức sau: