Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại.

Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại.Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại.Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại.Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại.Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại.Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại.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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Toàn Thắng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việc theo dõi chuyển động nguồn nhiệt (con người, động vật, phương tiện giao thông, v.v) thông tin tín hiệu xạ hồng ngoại áp dụng nhiều lĩnh vực khác giao thông, y tế, an ninh,v.v Các hệ thống giám sát tín hiệu hồng ngoại hoạt động điều kiện khác khơng gian (trong nhà/ngồi trời) thời gian (ban ngày/ban đêm) Sử dụng cảm biến xạ hồng ngoại điều kiện khác có số ưu điểm như: giảm chi phí thiết lập hệ thống theo dõi giảm thiểu yêu cầu phần cứng phục vụ cho việc tính tốn Đặc biệt, lĩnh vực giao thông vận tải, toán liên quan đến việc kiểm soát lưu lượng, vận tốc phương tiện giao thông nhận nhiều quan tâm Trong đó, hệ thống cảm biến xạ hồng ngoại ứng dụng cách hiệu để giải vấn đề Trong kỷ nguyên số cách mạng công nghiệp 4.0, đô thị thông minh – smart city, hệ thống kiểm sốt giao thơng xây dựng với nút đo lường bố trí khắp vị trí Các hệ thống lắp đặt thiết bị cảm biến mang tính linh động, di động dễ dàng tích hợp mạng lưới cảm biến Thống kê cho thấy, nghiên cứu gần tập trung vào tín hiệu đầu cảm biến xạ hồng ngoại để xác định gần vị trí, hướng tốc độ chuyển động nguồn nhiệt, phụ thuộc vào đối tượng mục tiêu nguồn nhiệt vị trí lắp đặt (trong nhà / ngồi trời) Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào vấn đề phát xuất nguồn nhiệt, phát hướng di chuyển nguồn nhiệt Có nghiên cứu quan tâm đến việc ước lượng tốc độ di chuyển đưa phân tích đánh giá độ xác phép đo Do đó, toán xác định vận tốc chuyển động nguồn nhiệt tín hiệu xạ hồng ngoại cần phải có nghiên cứu chuyên sâu nhằm nâng cao độ xác đo lường sử dụng cảm biến hồng ngoại Dựa sở vấn đề nêu, đề tài luận án “Nghiên cứu nâng cao độ xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển xạ hồng ngoại” Mục tiêu luận án - Đưa phân tích nguyên lý hoạt động ứng dụng hệ thống quang học với cảm biến xạ hồng ngoại pyroelectric (PIR) vào việc thu nhận tín hiệu xạ hồng ngoại từ nguồn nhiệt tự nhiên (máy móc, phương tiện giao thơng, người, v.v.) để làm thông tin đưa kết đo vận tốc di chuyển đối tượng nguồn nhiệt - Cung cấp giải pháp xử lý hai toán yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến xạ hồng ngoại PIR: (1) Độ song song hai quang trục hai mô-đun cảm biến PIR (2) Xác định thời gian trễ dựa hai chuỗi thời gian hai tín hiệu đầu hai cảm biến - Cung cấp phương pháp, mơ hình tốn học thuật tốn để xử lý toán nêu đưa phân tích độ khơng đảm bảo đo hệ thống thơng qua phương pháp, mơ hình tốn học thuật toán Nội dung nghiên cứu - Nội dung 1: Nghiên cứu xây dựng hệ quang-điện tử mô-đun cảm biến hồng ngoại thụ động phục vụ cho việc đo vận tốc đối tượng nguồn nhiệt - Nội dung 2: Nghiên cứu phân tích yếu tố ảnh hưởng đến kết đo, đặc biệt việc đảm bảo độ song song hai quang trục hai mô-đun cảm biến hồng ngoại - Nội dung 3: Nghiên cứu phương pháp, mơ hình tốn học để giải toán xác định vận tốc nguồn nhiệt thơng qua xác định độ trễ hai tín hiệu đầu hai mô-đun cảm biến Đối tượng nghiên cứu Hệ thống đo lường vận tốc di chuyển nguồn nhiệt sử dụng cảm biến xạ hồng ngoại thụ động – cảm biến pyroelectric Các nguồn nhiệt hướng đến ứng dụng thực tế: phương tiện giao thông, người, v.v Các đại lượng, yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt xạ hồng ngoại đề cập nghiên cứu Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng Trên sở nghiên cứu lý thuyết, tài liệu nước nước đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt xạ hồng ngoại, tác giả tiến hành phân tích, đánh giá nội dung tồn để nghiên cứu giải pháp khắc phục Theo đó, tác giả xây dựng mơ hình thực nghiệm đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt xạ hồng ngoại Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án phân tích xác định mức độ ảnh hưởng yếu tố quan trọng đến độ xác đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt xạ hồng ngoại Bên cạnh đó, luận án đưa phương pháp chỉnh hệ thống quang học cho mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR Luận án đưa đánh giá độ xác việc ứng dụng thuật toán xử lý liệu áp dụng toán cụ thể hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến hồng ngoại PIR Các kết nghiên cứu sở khoa học cho việc chế tạo hệ thống đo vận tốc sử dụng cảm biến hồng ngoại, đồng thời nguồn tài liệu học thuật cho nghiên cứu Những đóng góp luận án Thứ nhất, luận án xây dựng hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển xạ hồng ngoại với cấu tạo từ hai mô-đun cảm biến Pyroelectric đề cập hai toán liên quan đến hai yếu tố ảnh hưởng đến kết phép đo: (1) Độ song song hai quang trục hai mơ-đun cảm biến (2) độ trễ hai tín hiệu đầu theo thời gian hai mô-đun cảm biến Thứ hai, luận án thiết lập phương pháp xác định vị trí quang trục mơ-đun cảm biến PIR dựa nguồn nhiệt tiêu chuẩn điều biến – nhằm xác định độ song song hai quang trục hai mơ-đun phân tích liên quan đến độ không đảm bảo đo độ phân giải phép đo Trong điều kiện số yếu tố lý tưởng hóa, với mơ-đun cảm biến chế tạo, phép đo vị trí quang trục mơ-đun cảm biến hồng ngoại đạt 0,0175o nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt tiêu chuẩn 50 oC Theo đó, với thiết bị xây dựng thực tế, phép đo vị trí quang trục mơ-đun cảm biến hồng ngoại đạt đến độ phân giải 0,02 o Thứ ba, luận án phát triển áp dụng thuật tốn xử lý tín hiệu ngẫu nhiên để giải toán xác định độ trễ hai tín hiệu đầu theo thời gian hai mơ-đun cảm biến hồng ngoại PIR, để từ xác định vận tốc nguồn nhiệt di chuyển Kết đo đạc thực tế cho thấy, với nguồn nhiệt di chuyển khoảng cách m ÷ 10 m so với vị trí cài đặt hệ đo dải vận tốc 20 km/h ÷ 100 km/h có sai lệch đạt tới 3,5% so với kết đo sử dụng phương pháp đo tham chiếu khác - sử dụng thiết bị ghi hình Cấu trúc luận án Luận án chia thành chương: Chương 1: Tổng quan đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển xạ hồng ngoại; Chương 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển xạ hồng ngoại; Chương 3: Các giải pháp nâng cao độ xác phép đo vận tốc nguồn nhiệt xạ hồng ngoại; Chương 4: Các tính tốn thực nghiệm; Kết luận Chương TỔNG QUAN VỀ ĐO VẬN TỐC CỦA NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.1 Bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt xạ hồng ngoại nghiên cứu liên quan Giám sát chuyển động nguồn nhiệt thơng tin tín hiệu xạ hồng ngoại áp dụng môi trường kháu (trong nhà trời), điều kiện thời tiết khác (ngày đêm) Việc sử dụng cảm biến hồng ngoại tốn dẫ đến việc giảm chi phí thiết lập hệ thống theo dõi (thay cho hệ thống camera loại cảm biến khác) giảm thiểu lượng tiêu thụ cho việc tính tốn Các hệ thống cài đặt cảm biến xạ hồng ngoại thụ động định hướng cac thiết bị có tính di động cao dễ dàng tích hợp mạng cảm biến [1] Trong nhiều cơng trình nghiên cứu, cảm biến PIR chủ yếu sử dụng cho ứng dụng phát định vị Trong nghiên cứu Z Zhang [15], thuật toán cảnh báo với ngưỡng tín hiệu khơng đổi đề xuất để phát mục tiêu di chuyển phép đo cảm biến PIR Trong nghiên cứu B.Yang [17], phân lớp Naive Bayes sử dụng để phân tích phép đo cảm biến PIR với mục đích định vị người nhà Yun cộng [19] đặc điểm tín hiệu đầu cảm biến nguồn nhiệt (con người) qua vùng phát cảm biến Một số nghiên cứu định cung cấp kết hữu ích việc cài đặt hệ cảm biến phân tích tín hiệu đầu hệ cảm biến đó, để xác định diện vật nóng vị trí vật nóng khơng gian xác định Đặc biệt số nhóm đưa phương pháp tính tốn xác định vận tốc nguồn nhiệt Tác giả nhận thấy rằng, tồn không gian lớn cho việc nghiên cứu tính chất thơng tin đầu cảm biến hồng ngoại đối tượng nguồn nhiệt di chuyển, cần nâng cao tính xác việc xác định vận tốc nguồn nhiệt dựa thông tin 1.2 Mô tả hệ thống đo Hệ đo bao gồm hai (02) mô-đun cảm biến xạ hồng ngoại thụ động đặt cách khoảng d cố định, trục quang hai mơ-đun cảm biến vng góc với phương chuyển động đối tượng nguồn nhiệt (hình 1.11) Trong nghiên cứu “mô-đun” cảm biến dùng để hệ quang học bao gồm cảm biến, thấu kính vỏ, nhằm phân biệt với cảm biến nói riêng Hình 1.11 Mơ tả bố trí hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt Hệ thống áp dụng cho nguồn nhiệt với xạ đặc trưng bước súng ữ 14 àm l di bc súng làm việc cảm biến PIR hệ quang học sử dụng nghiên cứu Khi nguồn nhiệt qua trường nhìn mơ-đun cảm biến, tín hiệu điện áp đẩu cảm biến xuất – thu hai chuỗi thời gian tương ứng Việc xác định độ trễ hai tín hiệu – coi khoảng thời gian nguồn nhiệt qua hai trục quang hai cảm biến, cho phép xác định vận tốc nguồn nhiệt với công thức: v=d/τ (1.5), với d – khoảng cách hai trục quang học hai cảm biến; τ – độ trễ hai tín hiệu theo thời gian hai mơ-đun cảm biến Tuy nhiên để đảm bảo độ xác phép đo đại lượng vận tốc, số giả thiết sau coi đúng, mà không làm ảnh hưởng đến tính ứng dụng tốn: (i) Vận tốc nguồn nhiệt không đổi di chuyển qua trường nhìn cảm biến Nguồn nhiệt di chuyển vng góc với hai trục quang hai cảm biến (ii)Góc FOV hai mô-đun cảm biến Các góc FOV đề cập góc khối (iii) Hệ biến đổi tín hiệu cho hai mơ-đun cảm biến Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Trong chương này, sở lý thuyết liên quan đến toán xác định vận tốc vận tốc nguồn nhiệt nâng cao tính xác phép đo 2.1 Các lý thuyết liên quan đến xạ hồng ngoại Bức xạ vật đen mơ tả phương trình vật đen Planck: (2.6) ( ) ( ) () Bước sóng đỉnh phát xạ cực đại nhiệt độ vật đen định đưa định luật Wien: (2.7) ( ) ( ) ∫ ( [ ) ] (2.8) Hình 2.3 Phổ phát xạ vật đen nhiệt độ khác Đặc điểm không gian đối tượng nguồn nhiệt hồng ngoại Trong định lượng xạ đối tượng nguồn nhiệt độ thoát M hàm bước sóng, độ hàm không gian Trong nghiên cứu này: Việc chia tỷ lệ hàm M (λ , x, y) từ mặt phẳng đối tượng sang mặt phẳng hình ảnh thực đơn giản cách giảm kích thước đối tượng theo tỷ lệ độ dài tiêu cự cảm biến hiệu với phạm vi mục tiêu M (λ, xR / f, y / f) 2.2 Các thành phần hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến PIR Cảm biến PIR: cảm biến nhiệt phân mà trình chuyển đổi lượng xạ thành tín hiệu điện bao gồm ba giai đoạn Đầu tiên chuyển đổi nhiệt thông lượng Ф(t) đến bề mặt cảm biến thành thay đổi nhiệt độ vật liệu T(t); thứ hai, chuyển đổi nhiệt / điện thay đổi nhiệt độ T (t) thành dòng điện nguồn dòng Ip (t); thứ ba, biến đổi tín hiệu dòng điện Ip (t) thành hiệu điện V(t) ( ) (2.13) ( ) () ( ) ( ) (2.14) ( ) (2.15) Ở đây: Cth – nhiệt dung phần tử cảm pyroelectric Gth – độ dẫn nhiệt phần tử cảm pyroelectric η – hệ số hấp thụ xạ cảm biến C – điện dung tương đương cho mạch điện điện dung song song ( ) – thông lượng xạ hồng ngoại đối tượng nguồn nhiệt đến bề mặt phần tử cảm Theo đó, hàm truyền tương ứng phần tử cảm pyroelectric xác định là: ( ) (2.16) ( ) ( )( ) Thấu kính Fresnel thấu kính Lồi Plano thu gọn vào để tạo thành thấu kính phẳng giữ đặc tính quang học mỏng nhiều bị hấp thụ Hình 3.6 Mơ tả hình học ảnh hưởng độ lệch trục quang học mơđun cảm biến PIR Theo đó, công thức (3.29), thành phần tham gia ảnh hưởng đến giá trị độ không đảm bảo đo ̂ bao gồm: - Hệ số Q(Ts, Tb) –phụ thuộc chênh lệch thông lượng xạ hồng ngoại bề mặt nguồn nhiệt trường nhìn phần tử cảm PIR, hay cụ thể phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt Ts nhiệt độ Tb Về mặt giá trị, hệ số cịn phụ thuộc vào tiết diện thấu kính Al, tiêu cự f kích thước cao he phần tử cảm (xem hình 3.6, cơng thức (3.14)) Giá trị Q(Ts, Tb) lớn dẫn đến ( ̂ ) nhỏ - Hệ số K(ωm) – phụ thuộc biên độ tín hiệu điện áp đầu so với thông lượng xạ theo tần số điều biến ωm Theo công thức (3.14), giá trị K(ωm) phụ thuộc vào việc lựa chọn tần số điều biến ω hệ số khuếch đại Ka mạch biến đổi tín hiệu mô-đun cảm biến PIR Giá trị K(ωm) lớn dẫn đến ( ̂ ) nhỏ Như đề cập trên, việc tăng giá trị hệ số khuếch đại Ka mạch biến đổi tín hiệu khơng đạt hiệu thực tế,vì dẫn đến việc tăng giá trị nhiễu, hay giá trị công thức (3.29, 3.30) Mặt khác, theo công thức (3.14), giá trị K(ωm) thay đổi theo ωm, ωm tối ưu trường hợp xác định theo giá trị thơng số thời gian liên quan đến tính chất cảm biến PIR, τth τe, bằng: √ 3.3 Các giải pháp nâng cao độ xác việc xác định độ trễ hai tín hiệu đầu hai mô-đun cảm biến PIR Hãy xem xét mô hình tốn học hai tín hiệu đầu hai mô-đun cảm biến PIR: (3.32) ( ) ( )( ) { ( ) ()( ) đó, r1 (t), r2 (t) tín hiệu đầu kỹ thuật số hai mơ-đun cảm biến PIR có nhiễu; s(t) – tín hiệu đầu khơng nhiễu; q1(t), q2(t) tín hiệu nhiễu Khơng tính tổng qt, tín hiệu s(t), q1(t), q2(t) q trình ngẫu nhiên dừng, với giá trị trung bình có phương sai tương ứng: σs, σq1, σq2; trình ngẫu nhiên độc lập với Bài toán yêu cầu xác định thời gian trễ τ0 dựa giá trị trình r1(t)và r2(t) Phương pháp tương quan chéo cổ điển Thời gian trễ ước lượng xác định tham số để hàm tương quan ( ̃ ) đạt giá trị cực đại chéo Theo phân tích dựa lý thuyết liệu ngẫu nhiên, độ lệch chuẩn đại lượng thời gian trễ ước lượng theo phương pháp tương quan chéo cổ điển xác định là: √ ( ) [( )] (3.54) Phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert Biến đổi Hilbert áp dụng cho tín hiệu thực x(t) đưa tín hiệu thực (̃ ) theo định nghĩa: ( ) (3.5 ( ) ( ) ̃ ∫ 5) Khi xác định độ trễ thời gian vận chuyển s0, vị trí tối đa hàm tương quan chéo CCF thay vị trí mà hàm tương quan chéo kết hợp ( ) qua qua giá trị biến đổi Hilbert CCFHT ̃ Độ lệch chuẩn đại lượng thời gian trễ ước lượng theo phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert xác định là: ( ) ( ) (3.7 2) Độ không đảm bảo đo thời gian trễ hai tín hiệu phụ thuộc vào yếu tố sau: - Dải tần làm việc B mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR - Giá trị Ntotal – Thể độ rộng tín hiệu quan sát tần số lấy mẫu hệ thống - Giá trị SNR – tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu từn mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR Chương CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ THỰC NGHIỆM Trong chương này, tính tốn liên quan đến độ khơng đảm bảo đo hệ thống liên quan đến phương pháp phân tích chương thực tính tốn thực dựa thông số thiết kế hệ quang học cảm biến hồng ngoại PIR, thiết kế hệ thống đo, hệ thống hiệu chuẩn, v.v 4.1 Tính tốn thiết kế hệ thống xác định vị trí quang trục mơ-đun cảm biến PIR Bảng 4.1 Thông số mô-đun cảm biến PIR Thơng số Giá trị Đơn vị Kích thước phần tử cảm, he x we 2×1 mm × mm Khoảng trống hai phần tử mm cảm, wg Hằng số thời gian nhiệt, τTh 0.5 s Hằng số thời gian điện, τe 0.08 s Khuếch đại cảm biến, Kd 2200 V∙s/W Khuếch đại mạch biến đổi, Ka 20 Đường kính thấu kính, D 50 mm Tiêu cự, f 50.9 mm Kích thước lỗ kim, HP x WP 45 × 45 mm × mm Khoảng cách, R 850 mm Dải bước sóng làm việc, λ1 ÷ λ2 ÷ 12 µm Độ phát xạ nguồn nhiệt, ε Độ suy giảm cho khí quyển, η Độ truyền thấu kính, τ 0.55 Nhiệt độ nền, Tb 298 K Độ không đảm bảo đo phương pháp xác định vị trí góc quang trục mơ-đun mô tả mục 3.2 Các thành phần K(ωm), Q(Ts, Tb) cơng thức (3.29) xác định cơng thức tốn học dựa thơng số bảng 4.1 Thành phần cịn lại cơng thức (3.29) thể thành phần nhiễu n(t) tín hiệu đầu mơ-đun cảm biến PIR Nguồn gây tín hiệu nhiễu n(t) có kể đến như: nhiễu nhiệt độ xạ, nhiễu Johnson tương ứng trở kháng shunt, nhiễu khuếch đại nhiễu nguồn nuôi, v.v Việc khảo sát rời rạc yếu tố cho độ lớn n(t) khiến công việc trở nên khó khăn khó giải điều kiện thí nghiệm sẵn có Vì vậy, nghiên cứu, việc xác đinh độ lớn σn cách tiếp cận thống kê Giá trị σn xác định thông qua khoảng quan sát tín hiệu điện áp đầu mơ-đun cảm biến khơng có đối tượng nguồn nhiệt đầu vào khoảng thời gian xác định Khi ước tính thống kê σn xác định bằng: ̂ √ ∑ ( ) ( ) Với hai mô-đun cảm biến phương sai nhiễu xác định bằng: ̂ ̂ Sử dụng công thức (4.7), với điều kiện sau: - Tần số điều biến chập f=0,8 Hz tương ứng ω = 5,.0265 Hz - Nhiệt độ bề mặt vật đen Tbl = 50 0C (tương ứng 323 K) 200 0C (tương ứng 473 K) Nhiệt độ giá trị nhiệt độ phòng tiêu chuẩn Tbk = 20 0C Độ khơng đảm bảo đo vị trí góc mơ-đun cảm biến PIR từ cơng thức (3.29) thể bảng 4.2 Bảng 4.2 Độ không đảm bảo đo vị trí góc mơ-đun cảm biến PIR Tbl = 50 oC Tbl = 200 oC ( ̂ )= ( ̂ ( ̂ )= ( ̂ ) = = ) 0,00027 rad = 0,000305 rad = 0,2177 x 10-4 0,2449 x 10-4 0,0155 o 0,0175 o rad = 0,0012 o rad = 0,0014 o Theo kết thu bảng (4.2), nhiệt độ bề mặt vật đen lớn, dẫn đến thông lượng xạ hồng ngoại đến phần tử cảm cảm biến PIR lớn, làm cho độ không đảm bảo đo vị trí góc mơ-đun cảm biến PIR nhỏ Tuy nhiên, để đạt mức cài đặt nhiệt độ Tbl = 200 oC yêu cầu chất lượng thiết bị cao, dẫn đến chi phí phục vụ cho thí nghiệm hao tổn Mặt khác, với việc cài đặt nhiệt độ Tbl = 50 oC, kết tính tốn với độ không đảm bảo đo cho hai mô-đun cảm biến PIR chế tạo khả quan so với phân tích ban đầu đề cập đến mục 3.2 Khi vị trí quang trục mơ-đun cảm biến xác định, mô-đun hiệu chỉnh vị trí tương ứng, theo cơng thức (3.31) độ song song hai quang trục hai mô-đun hiệu chỉnh với độ không đảm bảo đo đạt 0,0234 o 4.2 Thực nghiệm đo giá trị vận tốc Bảng 4.3 Các thơng số cài đặt phục vụ tính tốn mơ SNR môđun cảm biến PIR o Nhiệt độ môi trường nền, Tbk 30 C Khoảng cách từ mục tiêu đến hệ 02 10 m mô-đun cảm biến, L Chiều dài mục tiêu, W 5m Dải vận tốc khảo sát 20 km/h ÷ 100 km/h Nhận thấy rằng, độ lớn biên độ tín hiệu mục tiêu thời gian thể tín hiệu mục tiêu phụ thuộc vào: vận tốc di chuyển mục tiêu, nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt mục tiêu nhiệt độ (hình 4.13) Hình 4.17 Đồ thị giá trị tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR mơ-đun cảm biến PIR trường hợp mục tiêu di chuyển với tốc độ khác chênh lệch nhiệt độ so với mơi trường khác Theo đó, dải vận tốc đối tượng mục tiêu quan tâm, giá trị SNR thấp vận tốc nguồn nhiệt di chuyển lớn Xét trường hợp chênh lệch nhiệt độ ΔT = oC, SNR90 = 2,76 Độ không đảm bảo đo cho việc ước lượng thời gian trễ xác định theo phương pháp tương quan chéo cổ điển (mục 3.3.1) phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert (mục 3.3.2) phụ thuộc vào vận tốc đối tượng nguồn nhiệt theo tần số lấy mẫu Hình 4.20 So sánh độ khơng đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ hai phương pháp Thực nghiệm đo vận tốc với đối tượng thực tế Hình 4.22 Kết thử nghiệm đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF CCFHT Hệ thống thực nghiệm đo vận tốc đặt bên lề đường cho trục quang học cảm biến vng góc với hướng di chuyển đối tượng phương tiện giao thơng Một máy quay video có tốc độ 200 khung hình / giây sử dụng để đánh giá vận tốc xe từ điểm tham chiếu – vạch kẻ đường cách m Vận tốc tham chiếu xác định thời điểm – tương ứng với khung hình, phương tiện chạm vào vạch kẻ Sai số phép đo vận tốc sử dụng máy quay làm tham chiếu đạt 2% cho dải vận tốc mục tiêu khoảng 20 km/h ÷ 100 km/h Trong trình thực nghiệm, phương tiện mục tiêu hệ thống đo có chiều dài hình dạng khác nhau, từ xe gắn máy đến xe xe tải, di chuyển với vận tốc từ 20 km/h đến 100 km/h Khoảng cách từ di chuyển xe đến hệ thống đo thay đổi từ m đến 10 m Dữ liệu tín hiệu đo thu với phương tiện qua trường nhìn cảm biến khoảng thời gian giây mà khơng có tham gia đối tượng nguồn nhiệt khác (hình 4.21) Một điều cần lưu ý là, tần số lấy mẫu hệ vi điều khiển cài đặt 1000 Hz, kỹ thuật nội suy FFT pruning, liệu tín hiệu đầu hai mơ-đun cảm biến xử lý tần số lấy mẫu 4000 Hz Hình 4.23 Sai số phép đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF CCFHT KẾT LUẬN Các kết đạt luận án sau trình nghiên cứu sau: Luận án đề xuất đưa phương pháp tiếp cận giải toán xử lý yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến xạ hồng ngoại PIR: (1) Đảm bảo độ song song hai quang trục hai mô-đun cảm biến PIR (2) Xác định thời gian trễ dựa hai chuỗi thời gian hai tín hiệu đầu hai cảm biến Cụ thể: Thứ nhất, luận án xây dựng hệ thống thực nghiệm phân tích để xác định hiệu chỉnh vị trí quang trục mơ-đun cảm biến hồng ngoại so với mặt phẳng mục tiêu nguồn nhiệt điều biến Đây bước quan trọng nhằm đảm bảo độ song song hai quang trục hai mơ-đun cảm biến PIR Theo đó, phân tích đánh giá hệ số ảnh hưởng đến độ phân giải phép đo Thứ hai, luận án thực giải toán xác định độ trễ hai tín hiệu đầu theo thời gian hai mơ-đun cảm biến, việc xây dựng mơ hình tốn học cho tín hiệu theo thời gian mơ-đun cảm biến góc nhìn liệu ngẫu nhiên dừng, nhằm giải toán cách đặc thù tiếp cận thực tế Luận án ứng dụng hai phương pháp xử lý tín hiệu gồm: kỹ thuật tương quan chéo cổ điển tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert, đồng thời áp dụng biến đổi Fourier nhằm giảm khối lượng tính tốn loại bỏ yếu tố nhiễu tín hiệu xuất tần số cao không mong muốn Đồng thời đánh giá độ không đảm bảo đo việc xác định độ trễ hai tín hiệu Luận án xây dựng mơ hình hệ thống thực nghiệm đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt với hai (02) mô-đun hệ thống quang học với cảm biến xạ hồng ngoại pyroelectric (PIR) vào việc thu nhận tín hiệu xạ hồng ngoại từ nguồn nhiệt tự nhiên Các mơ-đun cảm biến hồng ngoại chế tạo hồn thiện kết hợp yếu tố quang-cơ-điện tử, với thơng số chính: cảm biến PIR làm việc di bc súng àm ữ 14 àm; thu kớnh Fresnel với đường kính 50 mm, tiêu cự 50,9 mm; chuyển đổi tương tự sang số với tần số lấy mẫu lên đến 4000 Hz Kết tiền đề để phát triển thiết bị đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt sử dụng cảm biến xạ hồng ngoại Việt Nam Các đánh giá tính tốn liên quan đến kết hai toán đề cho thấy hợp lý mơ hình tốn học hệ thống đo thiết kế chế tạo Cụ thể, hệ hiệu chỉnh xác định vị trí quang trục mơ-đun cảm biến hồng ngoại đạt tới 0,0175 o cài đặt nhiệt độ vật đen 50 oC đạt tới 0,0014 o cài đặt nhiệt độ vật đen 200 oC, trường hợp số điều kiện lý tưởng hóa Độ khơng đảm bảo đo thời gian trễ hai tín hiệu hai mơ-đun cảm biến đạt tới × 10-4 s sử dụng phương pháp tích hợp tương quan chéo với biến đổi Hilbert tần số lấy mẫu 4000 Hz Trong phép đo thực tế, đối tượng nguồn nhiệt phương tiện giao thơng khác nhau, thí nghiệm cho thấy, sai lệch kết hệ đo so với phương pháp đo tham chiếu (sử dụng camera ghi hình) 3,5% dải vận tốc 20 km/h ÷ 100 km/h Một số đề xuất cho việc mở rộng nghiên cứu a Mặc dù nghiên cứu luận án tập trung giải hai toán liên quan đến hai yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo phép đo xác định vận tốc nguồn nhiệt, nhiên mơ hình tốn học hạn chế dựa việc cố định – lý tưởng hóa điều kiện biên định Các điều kiện kể đến: vận tốc nguồn nhiệt di chuyển qua trường nhìn cảm biến, độ vng góc với hai trục quang hai cảm biến, khác biệt trường nhìn hai mô-đun cảm biến nhau, mạch biến đổi tín hiệu cho hai mơ-đun cảm biến, v.v Do cần đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố kể đến độ không đảm bảo đo hệ thống sử dụng phương pháp đề cập nội dung nghiên cứu b Cung cấp giải pháp đảm bảo tính ổn định hệ thống hiệu chỉnh xác định góc lêch quang trục mô-đun cảm biến hồng ngoại Hệ thống hiệu chỉnh xác định góc lệch quang trục mơ-đun cảm biến hồng ngoại hệ thống yêu cầu độ xác cao thành phần hệ thống cần đảm bảo tính ổn định định Các mơ hình tốn học đánh giá chương luận án dựa giả thiết ổn định Đặc biệt, cụ thể hơn, yếu tố quan trọng cần giữ ổn định vấn đề nhiệt độ: nhiệt độ môi trường nhiệt độ nguồn nhiệt tiêu chuẩn Điều dẫn đến việc cần phải có phương án cách nhiệt cho hệ đo yêu cầu kỹ thuật thiết bị hệ thống phải đảm bảo c Thực thêm thuật toán xử lý liệu đo Trong khuôn khổ định luận án, việc so sánh đánh giá hàng loạt thuật toán xử lý liệu đo hệ đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng hai mô-đun cảm biến PIR dường bất khả thi Tuy nhiên, gợi mở cho nghiên cứu mở rộng, theo đó, nghiên cứu kế thừa kết nghiên cứu so sánh kết đo sử dụng thuật toán khác Một hướng mở rộng đáng quan tâm sử dụng phương pháp học máy –tiếp cận với mơ hình tốn học bao trùm yếu tố khơng xác định, cho dù có mặt hạn chế yêu cầu khối lượng liệu đo DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Vu Van Quang, Ngo Van Linh, Doan Van Phuc, Vu Toan Thang (10/2020) Vehicle speed estimation using two roadside passive infrared sensors, International Journal of Modern Physics B (IJMPB), ISI Q3, IJMPB's Volume No.34, Issue No 22n24, Vũ Văn Quang, Vũ Toàn Thắng (10/2020) Đo vận tốc phương tiện giao thơng tín hiệu tương tự cặp cảm biến chuyển động hồng ngoại, Hội nghị đo lường toàn quốc, Hà Nội Vu Van Quang, Vu Toan Thang (05/2021) A novel system for measuring vehicle speed via analog signals of pyroelectric infrared sensors, International Journal of Modern Physics B (IJMPB), ISI Q3, IJMPB’s Volume No 35, Issue No 14n16 4, Vu Toan Thang, Vu Van Quang, Ngoc-Tam Bui (10/2021), A Setup for Measuring the Centering Error of a Dual-Element Pyroelectric Infrared Sensor Module, MDPI Sensors, ISI Q1, Volume 21 25 ... VỀ ĐO VẬN TỐC CỦA NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.1 Bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt xạ hồng ngoại nghiên cứu liên quan Giám sát chuyển động nguồn nhiệt thơng tin tín hiệu xạ hồng. .. PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG PHÉP ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 3.1 Phân tích sai số độ khơng đảm bảo đo hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt xạ hồng ngoại Đại lượng vận tốc v xác. .. độ xác đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt xạ hồng ngoại Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án phân tích xác định mức độ ảnh hưởng yếu tố quan trọng đến độ xác đo vận tốc di chuyển nguồn nhiệt xạ hồng