Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Những nội dung, số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, cơng bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với điều kiện Việt Nam Các kết chưa có tác giả công bố nghiên cứu khác Hà Nội, ngày 14 tháng 03 năm 2022 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS TS Vũ Toàn Thắng Vũ Văn Quang i LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực luận án, tơi hướng dẫn tận tình tập thể hướng dẫn khoa học, tạo điều kiện Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí, Giảng viên thuộc Bộ mơn Cơ khí Chính xác Quang học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ đồng nghiệp góp ý, tư vấn nhiều ý kiến cung cấp số tài liệu liên quan đến nội dung đề tài Đồng thời, Nghiên cứu sinh Bộ mơn Cơ khí xác Quang học, Viện Cơ khí chia sẻ, động viên q trình hồn thành thủ tục, nội dung luận án Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tập thể, cá nhân hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thời gian qua, đặc biệt xin bày tỏ biết ơn đến thầy giáo hướng dẫn: PGS Vũ Tồn Thắng Tơi xin cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè gia đình động viên, cảm ơn người vợ thương yêu chia sẻ, tạo thuận lợi thời gian thực đề tài nghiên cứu Xin trân trọng cám ơn! ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu luận án: Nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Những đóng góp luận án Cấu trúc luận án CHƢƠNG 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 1.2 Mô tả hệ thống đo đề xuất 17 1.3 Mục tiêu, khó khăn đóng góp dự kiến 20 Kết luận chương 21 CHƢƠNG 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 xạ hồng ngoại 22 2.1.1 Các đơn vị xạ 23 2.1.2 Đặc điểm không gian đối tượng nguồn nhiệt hồng ngoại 28 2.2 Các thành phần hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng 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 toán xác định thời gian trễ 36 iii 2.3.1 Dữ liệu xác định liệu ngẫu nhiên 36 2.3.2 Các thuộc tính thống kê 41 Kết luận chương 43 CHƢƠNG 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 sai số độ khơng đảm bảo đo hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt xạ hồng ngoại 44 3.2 Giải pháp xác định hiệu chỉnh độ song song hai quang trục hai môđun cảm biến PIR 47 3.2.1 Thiết lập thí nghiệm vị trí quang trục mơ-đun cảm biến PIR so với bề mặt mục tiêu nguồn nhiệt tham chiếu điều biến 49 3.2.2 Phân tích độ nhạy phép đo 53 3.2.3 Xác định độ khơng đảm bảo đo vị trí quang trục mô-đun cảm biến PIR độ song song hai quang trục hai mô-đun cảm biến PIR 57 3.3 Các giải pháp nâng cao độ xác việc xác định độ trễ hai tín hiệu đầu 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 đánh giá tương quan 69 Kết luận chương 72 CHƢƠNG CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ THỰC NGHIỆM 74 4.1 Khảo sát hệ thống xác định vị trí quang trục mơ-đun cảm biến PIR 74 4.1.1 Thí nghiệm xác định hiệu chỉnh vị trí quang trục mơ-đun PIR 76 4.1.2 Khảo sát độ không đảm bảo đo phương pháp xác định quang trục mô-đun cảm biến PIR 82 4.1.3 Thực nghiệm đo vị trí quang trục mơ-đun cảm biến PIR 85 4.2 Thực nghiệm đo giá trị vận tốc 89 4.2.1 Mơ tả bố trí thí nghiệm 89 4.2.2 Phân tích độ khơng đảm bảo đo cho thời gian trễ với phương pháp số khác 90 4.2.3 Thực nghiệm đo vận tốc với đối tượng thực tế 95 iv Kết luận chương 98 KẾT LUẬN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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 LƢỢC TRÍCH MỘT SỐ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN, ĐIỀU KHIỂN VÀ THU NHẬN TÍN HIỆU 115 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT λ Bước sóng điện từ trường, μm α (λ) Hệ số hấp thụ theo bước sóng ρ(λ) Hệ số phản xạ theo bước sóng κ(λ) Hệ số truyền theo bước sóng ε(λ) Hệ số phát xạ theo bước sóng Ω Góc khối, sr - steradian Γ Năng lượng xạ, J Φ Thông lượng (công suất) xạ, W I Cường độ xạ, W/sr M Độ thoát (độ phát), W/cm2 E Bức xạ, W/cm2 L Độ rọi, W/(cm2.sr) PIR Pyroelectric Infrared sensor - Cảm biến hồng ngoại thụ động Pyroelectric FOV Field Of View - Trường nhìn hệ thống quang học, θx, θy Góc theo phương ngang, dọc trường nhìn hệ thống quang học T Nhiệt độ nói chung, oK oC Ts Nhiệt độ bề mặt nguồn nghiệt tham chiếu, oK oC Tb Nhiệt độ môi trường nền, oK 0C Tob Nhiệt độ trung bình bề mặt đối tượng đo, oK 0C V(t) Tín hiệu điện áp đầu theo thời gian mô-đun cảm biến PIR, V VO Biên độ điện áp đầu mô-đun cảm biến PIR, V Kỳ vọng đại lượng ngẫu nhiên Rxy(η) Tương quan chéo hai liệu ngẫu nhiên x(t), y(t) độ trễ η ζ Độ lệch chuẩn đại lượng ngẫu nhiên f Tiêu cự thấu kính, mm vi Al Tiết diện thấu kính t Đại lượng theo thời gian, s η Độ trễ theo thời gian hai tín hiệu đầu ra, s fs Tần số lấy mẫu, Hz u(.) Độ không đảm bảo đo đại lượng độc lập uc(.) Độ không đảm bảo đo đại lượng kết hợp d Khoảng cách hai quang trục hai mô-đun cảm biến PIR Hàm Lambertain nhiệt độ T, W/cm2 fm Tần số điều biến trập, Hz ωm Tần số điều biến góc, 2πfm Q(Ts, Tb) Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt (công thức 3.14) K(ωm) Hệ số phụ thuộc vào tần số điều biến (cơng thức 3.14) Góc lệch vị trị quang trục mô-đun cảm biến PIR trục đối xứng 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 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các công nghệ cảm biến ứng dụng giám xác xác định vận tốc phương tiện giao thông Bảng 2.1 Các đơn vị xạ 24 Bảng 4.1 Thông số phục vụ mô 74 Bảng 4.2 Độ không đảm bảo đo vị trí góc mơ-đun cảm biến PIR 84 Bảng 4.3 Kết thực nghiệm đo vị trí góc quang trục hai mơ-đun cảm biến PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu 87 Bảng 4.4 Một số thơng số bố trí thí nghiệm 90 Bảng 4.5 Các thơng số cài đặt phục vụ tính tốn mơ SNR mô-đun cảm biến PIR 91 viii DANH MỤC HÌNH VẼ nh Bố trí thí nghiệm nghiên cứu Z Zhang cộng [15] nh Mô tả thành phần nút cảm biến thu nhận tín hiệu xạ hồng ngoại nghiên cứu Z Zhang [15] nh Tín hiệu đầu cảm biến PIR kết hợp với thấu kính (a) khoảng cách khác (b) nghiên cứu Zappi [16] 10 nh Sơ đồ hệ thống theo dõi người nghiên cứu B.Yang [17] 11 nh Sơ đồ nút cảm biến nghiên cứu B.Yang [17] 11 nh Sơ đồ bố trí cảm biến hồng ngoại nhiệt điện (PIR) tín hiệu đầu nghiên cứu Yun [19] 12 nh Minh họa thiết lập đo lường công bố Brian Donovan [21] 13 nh Triển khai thiết lập đo lường nghiên cứu Enas Odat [22] 14 nh Các tín hiệu điện áp đầu cảm biến PIR, tạo xe qua với tốc độ khác nghiên cứu Odat [22] 15 nh Kết phép đo thô cảm biến PIR (trái) Các phép đo biến đổi sóng (phải) nghiên cứu Enas Odat [22] 16 nh Mơ tả bố trí hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt 17 nh Mô tả nguyên lý hoạt động hệ thống đo 18 nh Mô tả khái niệm góc khối 24 nh Cường độ xạ bề mặt dạng Lambertian 25 nh Phổ phát xạ vật đen nhiệt độ khác 27 nh Mô tả đặc điểm khơng gian góc đối tượng nguồn nhiệt 29 nh Sơ đồ mạch điện tương đương cho cảm biến PIR 31 nh Mơ tả cấu hình hệ quang học cho mơ-đun cảm biến PIR 32 nh Đặc điểm không gian mô tả cho đối tượng nguồn nhiệt cảm biến PIR 34 nh Thấu kính phẳng lồi so với Thấu kính Fresnel 35 nh Nguyên lý hoạt động thấu kính Fresnel với cảm biến hồng ngoại thụ động 35 nh Phân loại liệu ngẫu nhiên 38 nh Mô tả hàm lấy mẫu liệu ngẫu nhiên [40] 39 ix nh Tổng quan kiến trúc hệ đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng hai mô-đun cảm biến PIR 45 nh Sự phụ thuộc độ không đảm bảo đo tương đối vận tốc vào độ không đảm bảo đo độ song song hai mô-đun cảm biến PIR 47 nh Ảnh hưởng góc nghiêng hai trục quang đến kết đo 48 nh Minh họa quang trục mơ-đun cảm biến PIR chỉnh hồn hảo (a) chỉnh khơng hồn hảo (b) 51 nh Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo vị trí quang trục mô-đun cảm biến PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu 53 nh Mơ tả hình học ảnh hưởng độ lệch trục quang học mô-đun cảm biến 55 nh Mô tả đồ thị (a) àm tương quan chéo - CCF (b) àm tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert - CCFHT 62 nh Hình dạng (trên) hình cắt 3D (dưới) mô-đun cảm biến PIR 75 nh Thiết kế 3D (trên) hình ảnh thực (dưới) hệ thống xác định/căn chỉnh vị trí quang trục mơ-đun cảm biến PIR 76 nh Mô tả hệ số truyền cửa sổ quang học cảm biến PIR [59] 77 nh Mơ tả hệ số truyền thấu kính Fresnel [60] 77 nh Giá trị hàm Lambertian hệ quang học mô-đun cảm biến PIR nghiên cứu nhiệt độ bề mặt T khác 79 nh Mơ tả hình chiếu bề mặt phần tử cảm PIR [53] 80 nh Đồ thị giá trị hệ số Q theo nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt, nhiệt độ môi trường Tb= 25 0C 81 nh Giá trị hệ số đáp ứng K(ω) theo tần số ω 82 nh Mơ tả tín hiệu quan sát thời gian cố định 84 nh Tín hiệu điện áp đầu mô-đun cảm biến PIR phần tử kép theo thời gian góc quay khác 86 nh Kết thử nghiệm PSD chuẩn hóa biên độ phổ chuẩn hóa tần số điều biến qua góc quay khác cho hai mô-đun cảm biến PIR 88 nh Bố trí hệ thống hai (02) mơ-đun hồng ngoại PIR phục vụ đo vận tốc nguồn nhiệt: Nhìn từ xuống (h nh trên) nh n đối diện (h nh dưới) 89 x 44 Chrzanowski, K (2019) Report B01/19 Introduction to Boresight of ElectroOptical Surveillance Systems; INFRAMET: Stare Babice, Poland Available online: https://www.inframet.com/Literature/Boresigh_Intro.pdf 45 M Kastek, H Madura, M Morawski, T Piatkowski, E Powiada, H Polakowski (2007), Test bed for measurement of angular parameters of passive infrared sensors, Infrared Phys Technol., 49, pp 198-201 46 Shankar M., Burchett J.B., Hao, Q.; Guenther, B.D., Brady, D.J (2006) Humantracking systems using pyroelectric infrared detectors Opt Eng., 45, 106401 47 Alexander Zaltz; Douglas Christo (1982), Methods for the control of centering error in the fabrication and assembly of optical elements, Proceedings volume 0330 of Optical Systems Engineering II, Los Angeles, United States, 48 FAS Military Analysis Network (2019), Infrared Propagation and Detection Available online: http://fas.org/man/dod101/navy/docs/es310/IR prop/IR prop.html 49 Hing Cheung So; Yiu Tong Chan; K.C Ho; Yuan Chen (2013), Simple Formulas for Bias and Mean Square Error Computation, IEEE Signal Processing Magazine, Volume: 30 Issue: 50 Xiaoming Lai, H Torp (1999) Interpolation methods for time-delay estimation using crosscorrelation method for blood velocity measurement, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 46(2):277–290, ISSN 08853010 51 Joseph C Hassab, R Boucher (1979), Optimum estimation of time delay by a generalized correlator, IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, 27(4):373– 380, ISSN 0096-3518 52 Wen Ma, Jianguo Huang (2002) Accurate time delay estimation based on SINC filtering In Signal Processing, 2002 6th International Conference on, volume 2, pages 1621–1624 vol.2, doi: 10.1109/ICOSP.2002.1180109, 2002 53 Y.T Chan, J Riley, J Plant (1980), A parameter estimation approach to timedelay estimation and signal detection, IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, 28(1): 8-16, ISSN 0096-3518 54 Fan Di, Cao Maoyong, Sun Nongliang (2009), Time delay estimation based on wiener filter in ultrasonic detection of sediments in drilling hole In Computer Science and Engineering, 2009 WCSE ’09 Second International Workshop on, vol 2, pp 582–585 55 C Guetbi, D Kouame, A Ouahabi, J.P Chemla (1998), Methods based on wavelets for time delay estimation of ultrasound signals, IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, vol.3, pp 113–116 105 56 Shiyuan Zhou, Yao Xu, Hongbo Wang, Chunguang Xu (2013), Time delay estimation via third-order cumulant Far East Forum on Nondestructive Evaluation/Testing: New Technology Application (FENDT), 2013, pp 77–81 57 Robert Hanus (2019), Time delay estimation of random signals using crosscorrelation Hilbert Transform, Measurement, vol 146, pp 792–799 58 S Holm (1987), FFT Pruning Applied to Time Domain Interpolation and Peak Localization, IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol 35, pp 1776 – 1778 59 Tài liệu kỹ thuật cảm biến PIR hãng Murata, https://www.murata.com/~/media/webrenewal/products/sensor/infrared/datasheet_p ir.ashx?la=en 60 Danh mục thấu kính Fresnel hang Kube Kube single Fresnel lens, https://kube.ch/wp-content/uploads/documents/kube_single_fresnel_lenses.pdf 106 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Vu Van Quang, Ngo Van Linh, Doan Van Phuc, Vu Toan Thang (08/2020), 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, 08/2020 Vu Van Quang, Vu Toan Thang (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 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 21 107 PHỤ LỤC A THIẾT KẾ MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR nh Bản vẽ thiết kế hình chiếu vỏ mơ-đun cảm biến hồng ngoại PIR 108 nh Bản vẽ thiết kế hình chiếu vỏ mơ-đun cảm biến hồng ngoại PIR 109 nh Hình ảnh vỏ mơ-đun cảm biến hồng ngoại sau chế tạo 110 PHỤ LỤC B SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU CHO MÔ-ĐUN CẢM BIẾN nh Sơ đồ mạch điện biến đổi mơ-đun cảm biến PIR 111 nh Hình ảnh bo mạch biến đổi tín hiệu sau chế tạo 112 PHỤ LỤC C THIẾT KẾ HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN TRỤC QUANG HỌC CỦA MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR nh C Một số hình ảnh bố trí hệ thống hiệu chuẩn trục quang học mô-đun cảm biến PIR 113 PHỤ LỤC D GIAO DIỆN PHẦN MỀM THU NHẬN DỮ LIỆU ĐO nh Giao diện phần mềm thu nhận liệu đo viết tảng Qt 114 PHỤ LỤC E LƢỢC TRÍCH MỘT SỐ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN, ĐIỀU KHIỂN VÀ THU NHẬN TÍN HIỆU Lược trích chương tr nh tính tốn mơ tín hiệu đầu mô-đun cảm biến PIR, giao diện lập trình MATLAB-2020 ii=15; v(ii)=20+(ii-1)*5; veloci=v(ii)/3.6; %km/h to m/s w=5; x0=-2; %% c1=3.741844e4; c2=1.438769e4; Tbk=30+273; fun1=@(x)(c1./x.^5)./(exp(c2./(Tbk*x))-1); Lbk=0.5525/pi*integral(fun1,5,Inf); Tob=Tbk+3; fun2=@(x)(c1./x.^5)./(exp(c2./(Tob*x))-1); Lob=0.5525/pi*integral(fun2,5,Inf); %% K1=35.71e3; to_th=0.5; to_e=0.08; simOut=sim('my_model'); yout=simOut.get('yout'); y2=yout(:,2); for jj=1:length(y2) if(y2(jj)>1.65) y2(jj)=1.65; end if(y2(jj)