8. Cấu trúc luận án
2.2.1 Cảm biến nhiệt điện pyroelectric
Cảm biến hồng ngoại dạng nhiệt điện pyroelectric – là một loại cảm biến bức xạ hồng ngoại hoạt động theo hiện ứng nhiệt phân, cĩ tên trong tiếng Anh –
pyroelectric infrared (PIR). Cĩ ý kiến cho rằng, ngày nay, cĩ tương đối ít người hiểu về cách hoạt động của cảm biến PIR. Trong báo cáo [29] của mình, Hans J. Keller, một chuyên gia làm việc với cảm biến PIR, cho rằng: ―Các kỹ sư e ngại sử dụng hệ thống quang điện tử mà họ khơng biết‖ (nguyên văn: ―Engineers are scared to use an electro-optical system they don’t understand‖). Theo đĩ, các ứng dụng cảm biến PIR phần nhiều được sử dụng trong các hệ thống phát hiện sự xuất hiện của nguồn nhiệt di động bằng tín hiệu logic đầu ra, thay vì các ứng dụng địi hỏi độ chính xác về mặt quang học cũng như các bài tốn xác định các đại lượng tương tự (cụ thể trong trường hợp của nghiên cứu này – là vận tốc của nguồn nhiệt). Bên cạnh đĩ, cũng đã cĩ những nỗ lực nghiên cứu nhất định về đặc tính của loại cảm biến PIR được cho là chuyên sâu hơn rất nhiều so với các nghiên cứu khác sử dụng cảm biến PIR, ví dụ như nghiên cứu của Whatsmore [30], Hans J, Keller, Alexander Bondarenko [31], v.v.. Trong nội dung của nghiên cứu này, một số đặc điểm quan trọng của cảm biến PIR sẽ được đề cập, làm cơ sở cho việc nghiên cứu tính chất tín hiệu trong việc giải quyết các bài tốn sẽ được đề cập ở chương 3.
Xét về các hoạt động tín hiệu điện, cảm biến PIR cĩ thể coi là một tụ điện với điện dung Cd. Chất điện mơi của tụ điện này là một màng mỏng làm bằng vật liệu nhiệt điện cĩ độ dày d và bề mặt A được phủ một lớp màng kim loại. Khi một bức xạ hồng ngoại với cơng suất Φ(t) tới bề mặt của cảm biến nhiệt điện là một hàm thay đổi theo thời gian, thì sẽ xuất hiện điện tích q(t) trên các điện cực của cảm biến này. Điện tích q(t) là kết quả của các quá trình nhiệt và điện xảy ra trong vật liệu nhiệt điện pyroelectric. Tín hiệu đầu ra cuối cùng của cảm biến PIR cĩ thể là điện áp V(t) trên các điện cực của cảm biến hoặc dịng điện Ip (t) chạy qua trở tải thấp của cảm biến.
Quá trình chuyển đổi năng lượng bức xạ thành tín hiệu điện bao gồm ba giai đoạn. Đầu tiên là sự chuyển đổi nhiệt của thơng lượng Ф(t) đến bề mặt cảm biến thành sự thay đổi của nhiệt độ vật liệu T(t); thứ hai, là sự chuyển đổi nhiệt/điện, tức
sự biến đổi tín hiệu dịng điện Ip (t) thành hiệu điện thế V(t). Để thực hiện mơ tả tốn học của cảm biến pyroelectric, người ta thường phân tích mạch tương đương với quá trình nhiệt/điện của cảm biến. Các mơ hình tốn học và sơ đồ mạch tương đương của máy dị nhiệt điện thường được sử dụng cho đến nay trong các nghiên cứu [32÷35] đã được đề xuất từ những năm 1960 và 1970. Các mơ hình này được bảo đảm khi giả thiết rằng màng vật liệu nhiệt điện đủ mỏng, do đĩ sự thay đổi nhiệt độ do bức xạ hấp thụ là như nhau trong tồn bộ thể tích của màng này [36].
Sơ đồ mạch tương đương [37] cho cảm biến làm việc ở chế độ điện áp minh họa ba giai đoạn chuyển đổi được cho trong Hình 2.5.
nh 5 Sơ đồ mạch điện tương đương cho cảm biến PIR
Mạch tương đương bao gồm ba khối trình bày các giai đoạn chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi nhiệt thành điện và chuyển đổi dịng điện thành điện áp, được mơ tả bằng các phương trình (2.13), (2.14) và (2.15) tương ứng:
Ở đây: Cth – nhiệt dung của phần tử cảm pyroelectric
Gth – độ dẫn nhiệt của phần tử cảm pyroelectric
η – hệ số hấp thụ bức xạ của cảm biến
C – điện dung tương đương cho mạch điện điện dung song song.
– thơng lượng bức xạ hồng ngoại của đối tượng nguồn nhiệt đến bề mặt phần tử cảm
Để phục vụ nghiên cứu mơ phỏng, người ta thường tính đến các thơng số của phần tử cảm biến như hằng số nhiệt τ, tiết diện của phần tử cảm A và nhiệt dung riêng c’ trong biểu thức cho các hàm truyền. Trong các biểu thức tốn học được xây dựng [37], các hằng số sau được đề cập: hằng số thời gian nhiệt ηth = Cth / Gth, cơng suất nhiệt của phần tử cảm Cth = c’ d và ηe - hằng số thời gian điện của mạch tương đương của bộ tách sĩng nhiệt điện và bộ khuếch đại (ηe = RC).
Theo đĩ, hàm truyền tương ứng đối với phần tử cảm pyroelectric được xác định là:
nh 6 Mơ tả cấu hình hệ quang học cho mơ-đun cảm biến PIR
Mặt khác, cảm biến PIR được sử dụng trong nghiên cứu được cấu tạo từ hai phần tử cảm (hình 2.6). Kết quả tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến là hiệu điện áp
đầu ra của hai phần tử cảm. Lúc này phương trình (2.16) được hiểu cho từng phần tử cảm của cảm biến:
Nếu coi đối tượng nguồn nhiệt là vật xám, theo phương pháp mơ tả đặc điểm khơng gian thứ ba (mục 2.1.2) dựa trên hình ảnh mục tiêu trên bề mặt đầu dị cảm biến [38], với giả thiết nhiệt độ trên tồn bề mặt đối tượng là như nhau:
– hệ số độ phát xạ của bề mặt đối tượng mục tiêu.
– hằng số Stephan-Boltzmann 5.67∙10-12 W/(cm2∙K4). nhiệt độ bề mặt của đối tượng nguồn nhiệt
– diện tích hình ảnh mục tiêu trên bề mặt đầu dị cảm biến
Nếu mơ hình hĩa đặc điểm khơng gian của đối tượng nguồn nhiệt dưới dạng bề mặt hình chữ nhật với nhiệt độ Tobj phân bố đều, cơng thức (2.19) được viết thành:
h – chiều cao đối tượng trong trường nhìn của cảm biến
nh7 Đặc điểm khơng gian mơ tả cho đối tượng nguồn nhiệt và cảm biến PIR
Cơng thức (2.19, 2.20) giúp thực hiện việc mơ phỏng tín hiệu hồng ngoại đối tượng mục tiêu, phục vụ cho việc phân tích tín hiệu cũng như kiểm tra độ khơng đảm bảo đo của phương pháp đo qua mơ phỏng.