8. Cấu trúc luận án
4.1.1 Thí nghiệm xác định và hiệu chỉnh vị trí quang trục mơ-đun PIR
Trước hết, đểxác định đáp ứng của mơ-đun cảm biến PIR đối với tín hiệu điều biến sinusoid theo tần số ωnào 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]
Để giảm độ phức tạp của tính tốn, cĩ thểcoi 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 thểxác định hàm Lambertain là tích phân xác định của một hàm bước sĩng với giá trịđộ 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 trịnày 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 sốQ(Ts, Tb) trong (3.14) được viết lại:
| |
Hệ sốQ trong cơng thức (4.4) phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Chiều cao của phần tử cảm he[mm]
Trong nghiên cứu, cảm biến PIR được sử dụng bao gồm hai (02) phần tử cảm, bề mặt các phần tửcĩ 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 cốđịnh, giá trị hệ sốQ 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 độmơi 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 tảởđồ 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 độTs = 50 oC = 323 K, Q50= 0,0022 W; ở nhiệt độTs = 200
oC = 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 sốđáp ứng K(ω) theo tần sốω
Theo cơng thức (4.6) và hình 4.8, giá trịK(ωm)đạt cực đại tại
√ với K(ωpk) = 7,5862 x 104 V/W.
Tần sốnày tương ứng với tần sốđiều biến cho màn trập