8. Cấu trúc luận án
4.1.1 Thí nghiệm xác định và hiệu chỉnh vị trí quang trục mơ-đun PIR
Trước hết, để xác định đáp ứng của mơ-đun cảm biến PIR đối với tín hiệu điều biến sinusoid theo tần số ω nào đĩ, cần xác định đầu vào thơng lượng bức xạ hồng ngoại, đối với các thơng số cài đặt của hệ thống. Đại lượng này được đề cập đến trong mục 3.2.1.
Hình 4.3 và 4.4 mơ tả hệ số truyền của của cảm biến PIR và thấu kính Fresnel được sử dụng trong nghiên cứu.
nh 3 Mơ tả hệ số truyền của cửa sổ quang học cảm biến PIR [59]
nh 4 Mơ tả hệ số truyền của thấu kính Fresnel [60]
Nhận thấy rằng, cảm biến PIR làm việc với các bước sĩng trên 5 µm (tương ứng với các bề mặt với nhiệt độ dưới 579 oK hay xấp xỉ 300 oC). Tương ứng với dải bước sĩng này, độ truyền của thấu kính Fresnel đạt ở khoảng 55 % ÷ 70 % ở hầu hết các bước sĩng, ngoại trừ một số bước sĩng rời rạc (như tại 7 µm, 14 µm, v.v – hình 4.4).
Để giảm độ phức tạp của tính tốn, cĩ thể coi độ truyền của cửa sổ quang học cảm biến PIR và thấu kính Fresnel trên khoảng bước sĩng làm việc là khơng đổi, cụ thể:
Suy ra hệ số truyền bức xạ hồng ngoại của mơ-đun quang học cảm biến PIR trong dải bước sĩng làm việc (5 µm, +∞) bằng:
Mặt khác, coi độ phát của vật đen và nền bằng 1 (vật đen tuyệt đối).
Giá trị hàm Lambertain đối với các nhiệt độ khác nhau trong cơng thức (3.7) được xác định bằng tích phân xác định:
(Với phương pháp số, hồn tồn cĩ thể xác định hàm Lambertain
phân xác định của một hàm bước sĩng với giá trị độ phát ε(λ) và độ truyền η(λ)
khác nhau tại các bước sĩng khác nhau. Tuy nhiên dựa trên các đồ thị hình 4.3 và 4.4 thì giả thiết (4.2) khơng ảnh hưởng quá nhiều đến kết quả thực tế).
Hình 4.5 mơ tả các giá trị hàm trong cơng thức (4.3), tại các nhiệt độ T
khác nhau. Các giá trị này được xác định bằng phương pháp số với chương trình lập trình tính tốn được viết trên nền tảng Matlab phiên bản 2020.
nh 5 Giá trị hàm Lambertian của hệ quang học của mơ-đun cảm biến PIR trong nghiên cứu tại các nhiệt độ bề mặt T khác nhau
Khảo sát giá trị hệ số Q(Ts, Tb) trong cơng thức (3.14)
Giá trị hệ số Q(Ts, Tb) trong cơng thức (3.14) đặc trưng hệ số tăng thuận của biên độ thơng lượng bức xạ đầu vào đến các phần tử cảm của cảm biến PIR, phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của nguồn nhiệt Ts và nhiệt độ mơi trường nền Tb .
Để việc theo dõi dễ dàng, cơng thức xác định hệ số Q(Ts, Tb) trong (3.14) được viết lại:
| |
Hệ số Q trong cơng thức (4.4) phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Chiều cao của phần tử cảm he [mm]
- Diện tích bề mặt thấu kính Al [cm2]
- Tiêu cự của thấu kính f [mm]
- Nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt tham chiếu Ts [K] và nhiệt độ mơi trường làm việc Tb [K]. Giả thiết rằng các giá trị nhiệt độ này khơng đổi khi thực hiện phép đo.
Trong nghiên cứu, cảm biến PIR được sử dụng bao gồm hai (02) phần tử cảm, bề mặt các phần tử cĩ kích thước Ad = 0,1 cm (ngang) × 0,2 cm (thẳng đứng) (hình 4.6).
nh 6 Mơ tả hình chiếu bằng bề mặt các phần tử cảm PIR [53]
Thấu kính Fresnel trong nghiên cứu là thấu kính F50.9 của Kube Electronics AG [54], cĩ đường kính bề mặt Dlens = 50 mm, độ dài tiêu cự f = 50,9 mm, và cĩ tiết diện πD2/4 = 19,63 cm2. Theo cơng thức (4.5), tiêu cự f càng nhỏ thì cĩ thể thu được độ nhạy tốt hơn. Tuy nhiên, độ dài tiêu cự dài cho FOV hẹp hơn và độ phân giải tốt hơn.
Với các thơng số kích thước phần tử cảm he, kích thước và tiêu cự của thấu kính Fresnel đã được lựa chọn cố định, giá trị hệ số Q phụ thuộc vào việc lựa chọn nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt tham Ts [K] và nhiệt độ mơi trường làm việc Tb [K]. Giả thiết, hệ thống được cách ly nhiệt và nhiệt độ mơi trường là nhiệt đơ phịng tiêu chuẩn 25 oC, hay Ts = 298 K. Khi đĩ giá trị Q tại các giá trị Ts khác nhau được mơ tả ở đồ thị hình 4.7.
nh 7 Đồ thị giá trị hệ số Q theo nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt, khi nhiệt độ mơi trường nền Tb= 25 0C
Cụ thể, tại nhiệt độ Ts = 50 oC = 323 K, Q50 = 0,0022 W; ở nhiệt độ Ts = 200 o
C = 323 K, Q200 = 0,0274 W.
Khảo sát giá trị hệ số K(ωm) trong cơng thức (3.14)
Hệ số K(ωm) đặc trưng cho hệ số khuếch đại hàm truyền giữa tín hiệu điện áp đầu ra V và thơng lượng bức xạ đầu vào của mơ-đun cảm biến PIR. Kết hợp bảng giá trị các thơng số liên quan đến cảm biến PIR được sử dụng trong nghiên cứu (bảng 4.1), và cơng thức (3.14) ta thu được giá trị K(ω) như một hàm phụ thuộc vào tần số gĩc điều biến ωm như sau:
√ √
nh 8 Giá trị hệ số đáp ứng K(ω) theo tần số ω
Theo cơng thức (4.6) và hình 4.8, giá trị K(ωm) đạt cực đại tại
√ với K(ωpk) = 7,5862 x 104 V/W. Tần số này tương ứng với tần số điều biến cho màn trập