Trong Hình 2.14, đường nét đứt biểu thị giá trị lớn nhất của năng lượng phát xạ
tại mỗi nhiệt độ khác nhau được mô tả bới định luật dịch chuyển Wien. 1: Năng lượng phát xạ 2
[Watt m/ ,µm], 2: Bước sóng ( )µm [13].
Định luật Stefan-Boltzmann
Bằng cách áp dụng công thức Planck với λ =0 tới λ = ∞, ta có tổng năng lượng phát xạ của Blackbody được tính theo cơng thức:
4 2
Wb = ⋅σ T Watt m/ PT 2.3
Đây là công thức Stefan-Boltzmann, được phát biểu rằng tổng năng lượng phát xạ của Blackbody là một hàm mũ 4 của nhiệt độ tuyệt đối của nó. Một cách hình
tượng hóa, Wb đại diện cho vùng phía dưới đường cong Planck cho mỗi nhiệt độ. Nó có thể thể hiện rằng, năng lượng phát xạ ở trong vùng λ =0 tới λmax chỉ
19
Hình 2.15: Josef Stefan (1835-1893) và Ludwig Boltzmann (1844-1906)
Vật thể phát xạthông thường
Trong các phần trên, ta đã nhắc nhiều đến năng lượng phát xạ của Blackbody. Tuy nhiên, trên thực tế các vật thể hầu như không bao giờ tuân thủđược các định luật trên khi vùng bước sóng được mở rộng, mặc dù chúng có thể tiệm cận đến với Blackbody trong những quang phổ nhất định. Ví dụ, một loại sơn trắng có thể
hiện đúng màu trắng hồn hảo trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nhưng sẽ trở nên xám rõ rệt ở khoảng 2 µm, và vượt ra ngồi 3 µm thì nó hồn tồn là màu đen.
Có 3 yếu tố xảy ra làm cho một vật thể thực không đạt được trạng thái như
Blackbody là: chỉ một phần của cường độ bức xạ α được hấp thụ, một phần ρ
được phản xạ, và một phần τ được truyền qua. Bởi vì, tất cả các yếu tố trên sẽ ít nhiều đối với mỗi bước sóng độc lập, do đó chỉ số λ nhỏđược thêm vào ký hiệu từng yếu tốđể phân biệt chúng. Ta có:
• Độ hấp thụ quang phổ αλ
• Độ phản xạ quang phổ ρλ
• Độ truyền dẫn quang phổ τλ
Ba thống số trên có giá trị phụ thuộc bước sóng, nhưng tổng của chúng luôn luôn bằng 1.
1
λ λ λ
α +ρ +τ = PT 2.4
Trong trường hợp vật liệu mờ đục, thì PT 2.4 sẽđược rút gọn thành PT 2.5, toàn bộnăng lượng nhận được sẽ hoặc là hấp thụ hoặc là phản xạ.
1
λ λ
α = −ρ PT 2.5
Những vật liệu có thơng số phản xạ và thông số truyền dẫn bằng không thì được gọi là Blackbody. Đối với Blackbody ta có αλ =1 .
Theo định luật Stefan-Boltzmann, ta có năng lượng phát xạ hồng ngoại của một
20
Emissivity
Thông số emissivity của một vật thểtương ứng với bước sóngλđược định nghĩa
là tỷ số giữa năng lượng phát xạ của một vật thể và năng lượng phát xạ của một Blackbody trong cùng một giá trị nhiệt độ (PT 2.6).
W W b λ λ λ ε = PT 2.6
Năng lượng phát xạ của một vật thể thông thường chỉ là một phần của năng lượng phát xạ từ một Blackbody. Do đó thống số emissivity sẽ nằm trong khoảng (0, 1), và một vật thểthơng thường có thơng số emissivity là hằng số khơng phụ
thuộc bước sóng được gọi là vật thể xám.
W W W b Wb λ λ λ ε = = =ε PT 2.7
Thông số emissivity của một vật thể thật không phải là một hằng số cũng như
khơng phụ thuộc vào bước sóng, do đó chúng khơng thểđược coi là vật thể xám.
Tuy nhiên, nó thường được giả sử trong một khoảng bước sóng nhỏ thì thống số emissivity được coi là hằng số. Giả sử này được sử dụng để coi những vật thể
thực như là những vật thể xám, chúng được coi như vậy bời vì bản chất ta có thể
tính giá trị trung bình của emissivity trong một khoảng bước sóng nhỏ [10]. Từ PT 2.3 và PT 2.7, ta thu được phương trình Stefan-Boltzmann cho vật thể
xám như sau:
4
W = ⋅ ⋅ε σ T PT 2.8 Nếu tất cả cường độ bức xạ chiếu đến một vật thể bị hấp thụ (không truyền dẫn hoặc phản xạ), thì giá trị độ hấp thụ bằng một. Ở một nhiệt độ nhất định, toàn bộ năng lượng hấp thụ được phải được tái bức xạ (phát ra), do đó thơng số
emissivity của một vật thể sẽ là một. Từđó ta có độ hấp thụ của một Blackbody bằng với emissivity bằng một. Thật vậy, theo định luật Kirchhoff , giá trị thông số emissivity và độ hấp thụ là bằng nhau với bất kỳ nhiệt độ và bước sóng nào [10]. λ λ ε =α PT 2.9 Từ PT 2.5 và PT 2.9, ta có PT 2.10 1 λ λ ρ = −ε PT 2.10
Để đo nhiệt độ của một vật thể, ta tiến hành đo bức xạ hồng ngoại phát ra từđối
tượng và chuyển giá trị năng lượng ấy về giá trị nhiệt độ. Tuy nhiên, không phải tất cảcường độ bức xạ nhận được đều đến từ vật thểđích, để có thể đo được giá trị nhiệt độ chính xác, các bức xạđến từ những nguồn khác (như là các đối tượng xung quanh và từ khơng khí) phải được loại bỏ.
21 Tồn bộ bức xạ nhận được bởi camera (W )tot đến từ ba nguồn: bức xạ của đối
tượng đích (Eobj), bức xạ của mơi trường xung quanh được đối tượng phản xạ
lại (Erefl), bức xạ của khơng khí (Eatm) [10].
Wtot = Eobj +Erefl +Eatm PT 2.11
Hình 2.16: Phát xạ nhận được bởi camera nhiệt [10]
Nguồn đầu tiền là bức xạ đến từ đối tượng đích. Tuy nhiên khơng phải toàn bộ
bức xạ phát ra từ vật thể camera đều nhận được, bời vì sẽ có một phần năng lượng được hấp thụ bởi khơng khí. Do đó, cường độ bức xạ của đối tượng có thể
biểu diễn bằng PT 2.12.
4
( )
obj obj atm obj
E =ε τ⋅ ⋅ ⋅σ T PT 2.12
Vật thể xám có thơng số độ phản xạ lớn hơn khơng, do đó chúng sẽ phản xạ lại các bức xạ hồng ngoại phát ra từ các vật thể xung quanh. Thông số độ phản xạ được tính từemissivity như PT 2.10. Một phần của năng lượng phản xạnày cũng được hấp thụ bởi khơng khí, ta có cơng thức tính cường độ bức xạ của thành phần thứ hai camera nhận được như PT 2.13.
4
(1 ) ( )
refl obj atm refl
E = −ε ⋅τ ⋅ ⋅σ T PT 2.13
Thành phần thứ ba là bức xạ hồng ngoại của khơng khí được tính như cơng thức
4
(1 ) ( )
atm atm atm
E = −τ ⋅ ⋅σ T PT 2.14
Từcác phương trình PT 2.11, PT 2.12, PT 2.13 và PT 2.14 ta có cơng thức tính nhiệt độ của một đối tượng như sau:
4 4
4
Wtot (1 obj) atm ( refl) (1 atm) ( atm)
obj obj atm T T T ε τ σ τ σ ε τ σ − − ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ PT 2.15
Để có thể áp dụng PT 2.15, ta cần biết trước các thông số: emissivity của đối
tượng (εobj), nhiệt độ phản xạ (T )refl , độ truyền dẫn của khơng khí (τatm) và nhiệt độ của khơng khí (T )atm .
22
Các loại cảm biến ánh sáng hồng ngoại
Camera nhiệt có thể được chia làm hai loại là: Cảm biến ánh sáng hồng ngoại lạnh và cảm biến ánh sáng hồng ngoại không lạnh
Cảm biển ánh sáng hồng ngoại lạnh
Cảm biến ánh sáng hồng ngoại lạnh là các loại cảm biến thường được đặt bên
trong môi trường chân không và được làm lạnh. Sự làm lạnh là cần thiết với hoạt
động của các vật liệu bán dẫn. Thông thường nhiệt độ hoạt động của loại bán dẫn này nằm trong khoảng từ 4 K đến dưới nhiệt độ phịng, tùy thuộc vào cơng nghệ
cảm biến. Hầu hết các loại cảm biến ánh sáng hồng ngoại lạnh hiện đại hoạt động trong khoảng từ 60 K đến 100 K (-213°C đến -173°C), phụ thuộc vào từng hoạt và mức độ hoạt động.
Nếu không được làm lạnh, những loại cảm biến này sẽ bị “mù” hoặc bị lóa bởi chính bức xạ của chúng. Nhược điểm của loại cảm biến này là chi phí để sản xuất và vận hành rất đắt đỏ. Việc làm lạnh tốn nhiều năng lượng và thời gian.
Các camera sử dụng loại cảm biến này cần có một vài phút để làm lạnh trước khi bắt đầu vận hành. Các hệ thống làm lạnh được sử dụng phổ biến nhất là sử dụng
bơm nhiệt điện, mặc dù không hiểu quả và khảnăng làm lạnh còn hạn chếnhưng
lại nhỏ gọn và tương đối đơn giản. Để đạt được chất lượng ảnh cao hơn hoặc sử
dụng cho các bức ảnh của các đối tượng có nhiệt độ thấp thì một hệ thống làm lạnh tốt hơn là điều cần thiết. Mặc dù hệ thống làm lạnh có thể sẽ rất cồng kềnh
và đắt đỏ, nhưng các loại cảm biến ánh sáng hồng ngoại lạnh sẽ cho các các bức
ảnh nhiệt có chất lượng tốt hơn hẳn loại khơng lạnh, thường đối với các loại đối
tượng có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng.
Vật liệu được sử dụng cho cảm biến ánh sáng hồng ngoại lạnh dựa trên một loạt các chất bán dẫn khe hẹp [1].
Hình 2.17: Camera Flir Neutrino LC sử dụng cảm biến ánh sáng hồng ngoại lạnh
Cảm biến ánh sáng hồng ngoại không lạnh
Cảm biến ánh sáng hồng ngoại không lạnh sử dụng một cảm biến hoạt động ở
nhiệt độ môi trường xung quanh, hoặc một cảm biến ổn định ở nhiệt độ gần mới nhiệt độ môi trường xung quanh nhờ một thành phần ổn định nhiệt độ. Các loại cảm biến ánh sáng hồng ngoại không lạnh sử dụng cảm biến hoạt động bằng cách
23 ngoại. Các sựthay đổi này sau đó được đo đạc và so sánh với các giá trị tại nhiệt
độ hoạt động của cảm biến.
Cảm biến ánh sáng hồng ngoại khơng lạnh có thể ổn định ở một nhiệt độ nhất
định để giảm thiểu nhiễu cho ảnh, nhưng bởi vì chúng khơng cần được làm lạnh xuống nhiệt độ thấp, do đó khơng cần tới những hệ thống làm lạnh cồng kềnh đắt
đỏ, năng lượng tiêu thụ được giảm đi. Điều này làm cho lại camera này có giá thành rẻ hơn và nhỏ gọn hơn. Tuy nhiên, độ phân giải của chúng và chất lượng
ảnh sẽ thấp hơn loại cảm biến ánh sáng hồng ngoại không lạnh bởi vì sự khác biệt về cơng nghệ gia công và sự giới hạn của các công nghệ hiện tại. Một camera sử dụng cảm biến ánh sáng hồng ngoại không lạnh cần phải xử lý với nhiệt độ do chính nó phát ra.
Vật liệu được sử dụng để tạo thành các điểm ảnh có đặc tính phụ thuộc nhiệt độ
cao, cách nhiệt với mơi trường và có thểđọc bằng tín hiệu điện.
24
CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG 3.1 Mơ hình kết nối các mơ đun hệ thống