Sơ đồ thiết kế hình chiếu mặt cắt xin tham khảo tại Phụ lục 8 cuối đồ án.
2.3.2. Hệ thống điều khiển của Goniophotometer.
Trong quá trình thực hiện phép đo, hệ thống điều khiển đảm nhận vai trò điều khiển gương quay tự động tới các vị trí xác định trên tồn bộ miền khơng gian
0-360° xung quanh gương, nhằm đo lường giá trị cường độ sáng của đèn tại các góc quay tương ứng. Vì hệ thống gương và giá đỡ có khối lượng tương đối lớn, hoạt động điều khiển chuyển động quay của gương cần đạt độ chính xác cao kết hợp với
sự ổn định, an toàn.
Chức năng và nguyên lý hoạt động của các thành phần trong hệ thống điều khiển như sau:
- Phần mềm điều khiển trên máy tính PC thơng qua thư viện lập trình của card PCI-1240 thiết lập chế độ hoạt động cho hệ thống, bao gồm các thông số
như: tốc độ quay, thời gian và gia tốc quay, tỷ số truyền điện tử…
- Phần mềm điều khiển truyền lệnh điều khiển chuyển động tới card PCI-1240 bao gồm: chiều chuyển động, góc quay.
- Card PCI-1240 dựa vào tham số nhận được từ PC để tính tốn và phát xung
điều khiển tới các bộ điều khiển động cơ, đồng thời liên tục thu nhận tín hiệu
- Bộ điều khiển động cơ nhận xung điều khiển từ card PCI-1240 và phát tín
hiệu điều khiển motor quay, thông qua hệ thống truyền động sẽ làm quay
gương và đèn.
- Khi gương và đèn đạt tới vị trí đã định, card PCI-1240 ngừng phát xung và
thông báo trạng thái cho PC. Bộ điều khiển động cơ điều khiển motor ngừng quay đồng thời hãm cứng hệ thống dẫn động gương ở vị trí ổn định.
- Phần mềm trên PC thực hiện đo lường cường độ sáng của đèn.
Cảm biến thu nhận ánh ánh sáng Bộ ADC chuyên dụng Card điều khiển PCI- Module điều khiển động cơ 1
Module điều khiển
động cơ 2
Máy in màu Máy tính
Động cơ 1 Động cơ 2
Tồn bộ thiết bị của hệ thống trừ hộp vận hành bằng tay và động cơ được
thiết kế lắp ráp trong một tủ điều khiển với yêu cầu chắc chắn, gọn gàng, thơng gió tốt, dễ dàng lắp ghép với các phần khác.
Hệ thống điều khiển phải thực hiện được 2 chế độ chuyển động, di chuyển tự
động và bằng tay. Ở chế độ tự động, gương và đèn được điều khiển hoàn toàn tự
động bằng phần mềm tích hợp trên máy tính. Các thơng số chuyển động như góc
quét của gương, góc quay của đèn, tốc độ quay đều được đưa từ đầu vào của phần mềm. Trong quá trình đo tự động con người không thể can thiệp được vào các
thông số về chuyển động cũng như các thông số về cường độ sáng. Ở chế độ điều
khiển bằng tay, gương và đèn quay khi ấn các núm di chuyển bằng tay, bỏ núm ấn thì gương và đèn không quay. Chế độ này sử dụng khi lắp đặt, bảo dưỡng, sửa chữa và khi khảo sát phạm vi các góc quay.
Chi tiết sơ đồ ghép nối tổng quát các thiết bị xin tham khảo ở Phụ lục 9 cuối
đồ án, mô tả chi tiết các ghép nối trong thiết bị điều khiển.
2.3.3. Thiết kế hệ thống quang học cho Goniophotometer.
Hệ thống quang học là hệ thống quan trọng nhất trong Goniophotometer, bao gồm 1 gương phản xạ bề mặt, 1 cảm biến quang. Gương phản xạ được lắp trên giá
đỡ, giá đỡ và gương được dẫn động bởi hệ thống truyền động đảm bảo quay tròn
3600. Cảm biến quang thu nhận tín hiệu ánh sáng từ đèn phát ra trong quá trình
quay, chuyển thành tín hiệu điện analog rồi đưa vào thiết bị chuyển đổi tín hiệu
ADC để biến thành tín hiệu số trước khi đưa vào máy tính xử lý.
Ta sẽ tìm hiểu tính tốn quang lộ của chùm sáng từ bộ đèn phản xạ qua
gương tới cảm biến và thiết kế hộp cảm biến trong phần này. Phần lựa chọn các thiết bị chính gồm gương và cảm biến xin được đề cập đến trong mục kế tiếp.
2.3.3.1. Tính tốn quang lộ phép đo.
Hình 2.6. Tính tốn quang lộ phép đo của Goniophotometer gương quay.
Quang lộ là là chiều dài đường đi của tia sáng từ bộ đèn phản xạ qua gương
đến cảm biến. Như đã nói trong phần yêu cầu kĩ thuật của Goniophotometer, CIE và
những tiêu chuNn quốc tế khác về phép đo trắc quang sử dụng Goniophotometer đã khuyến cáo rằng quang lộ phép đo phải ít nhất bằng 5 lần kích thước lớn nhất của
bộ đèn cần đo. Tại Việt Nam thì một bộ đèn thơng dụng kích thước lớn nhất khoảng 1200 mm. Như vậy quang lộ của phép đo trắc quang dùng Goniophotometer phải là Q ≥ 6000 mm.
Một trong những thông số ảnh hưởng tới quang lộ của phép đo là góc lệch
của gương. Do đó cần phải xây dựng mối liên hệ giữa quang lộ phép đo Q với góc
lệch α của gương để tìm ra giá trị thích hợp nhất để chế tạo Goniophotometer. Gọi: l : là khoảng cách từ T tới trục quay của gương.
r = TA. (A là tâm của gương, BC là kích thước gương)
α : góc nghiêng của gương với trục cực của Goniophotometer.
A O D B C α l T
OA l= +cos .αTA l r= + cosα (2.1) cos OA AD OAD = (2.2) OAD=π −2α (2.3)
Vậy quang lộ của phép đo được tính như sau:
Q OA AD= + ( cos ) 1 1 cos( 2 ) Q l r α π α = + + − (2.4)
Khoảng cách từ cảm biến đến tâm của bộ đèn là:
tan() 2 (2 )cos
2( cos ) tan( 2 ) sin
l r G OCD l r G α α π α α + + = + − + OD=(l r+ cosα)tan(π −2 )α (2.5)
Các thông số kích thước l và r được lấy từ thiết kế cơ khí của
Goniophotometer. Thực hiện đo đạc ta được l = 450 mm; r = 950 mm.
Ta thu được bảng giá trị quang lộ phép đo và khoảng cách của cảm biến tới tâm bộ đèn phụ thuộc theo góc nghiêng của gương (xem Bảng 2.2).
Bảng 2.2. Giá trị quang lộ phép đo và khoảng cách OD từ vị trí cảm biến tới
Goniophotometer theo góc nghiêng α của gương, với l = 450 mm; r = 950 mm.
Góc nghiêng α (độ) Góc nghiêng α (rad) Quang lộ (mm) Khoảng cách OD (mm) 45.0 0.785 ∞ ∞ 45.5 0.794 65053 63928 46.0 0.803 32913 31784
46.5 0.812 22197 21064 47.0 0.820 16837 15701 47.5 0.829 13619 12479 48.0 0.838 11472 10329 48.5 0.846 9937 8792 49.0 0.855 8785 7637 49.5 0.864 7888 6737 50.0 0.873 7169 6015 50.5 0.881 6580 5424 51.0 0.890 6088 4930 51.5 0.899 5671 4511 52.0 0.908 5313 4151
Hình 2.7. Kích thước phịng tối đặt hệ thống Goniophotometer với góc nghiêng
gương α = 50o. 9500 mm
6000 mm
4500 mm
Dựa vào bảng số liệu tính được, ta có thể điều chỉnh góc nghiêng α của
gương tùy thuộc theo kích thước của phòng tối – nơi đặt thiết bị Goniophotometer. Tham khảo với góc α = 50o và kích thước phịng tối đặt hệ thống Goniophotometer tương ứng ở Hình 2.7.
2.3.3.2. Thiết kế hộp cảm biến.
Hộp cảm biến là dụng cụ dùng để loại bỏ ánh sáng kí sinh đến được cảm
biến. Nó được sơn đèn hồn tồn và có khe hở để chỉ chùm sáng cần đo tới được
cảm biến.
Khi gương quay thì tia sáng tới cảm biến sẽ quét tạo thành hình nón. Do đó khe hở trên mặt hộp cảm biến sẽ có dạng vành khăn, và kích thước khe tùy thuộc vào chùm sáng chiếu tới cảm biến.
Hình 2.8. Cấu tạo hộp cảm biến để triệt tiêu ánh sáng kí sinh.
Gọi kích thước gương G = BC. Dựa vào Hình 2.6, ta có:
( ) cos ( 2)cos tan
sin ( cos ) tan( 2 ) sin
2 G l r l TB OBD G OD AB l r α α α α π α α + + + = = − + − − => tan() 2 (2 )cos
2( cos ) tan( 2 ) sin
l r G OBD l r G α α π α α + + = + − − (2.6) D B’ C’ O 300 mm 500 mm
Tương tự :
( ) cos 2 (2 )cos
tan
sin 2( cos ) tan( 2 ) sin
l TC l r G OCD OD AC l r G α α α α π α α + + − = = + + − + (2.7)
Giả sử phương B’D trùng với BD, C’D trùng với CD, ta khảo sát chùm sáng BDC từ gương phản xạ đến cảm biến ta thu được bảng giá trị sau (với kích thước gương G = 1300 mm, theo công thức 2.6 và 2.7):
Bảng 2.3. Kích thước khe theo góc nghiêng gương. Góc nghiêng Góc nghiêng
gương α (độ)
( )
tan OBD tan(OCD) O’B’
(mm) O’C’ (mm) 48.5 0.182 0.070 55 21 49.0 0.210 0.080 63 24 49.5 0.239 0.089 72 27 50.0 0.268 0.099 80 30 50.5 0.298 0.108 89 32 51.0 0.329 0.118 99 35 60 mm 170 mm 500 mm 500 mm
Dựa vào Bảng 2.3 ta sẽ làm hộp cảm biến có kích thước khe tương ứng với từng góc nghiêng của gương khi chế tạo. Hình 2.9 đề xuất kích thước hộp cảm biến và khe hở cho trường hợp góc nghiêng 50o.
2.4. Phân tích một số thiết bị quang học chính.
2.3.1. Lựa chọn cảm biến.
Ánh sáng của các loại đèn nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy nên detector phải thoả mãn yêu cầu là phổ độ nhạy của nó trùng với phổ độ nhạy của mắt. Đối
với Goniophotometer này, chúng tôi chọn detector PMA 2130, được cung cấp do hãng Solarlight sản xuất.
Hình 2.10. Detector PMA 2130
PMA 2130 (Hình 2.10) là một cảm biến quang điện hiển thị thơng số độ rọi
(luxmeter) có phổ độ nhạy giống như phổ độ nhạy photopic của mắt người (Hình 2.11).
PMA 2130 có bề mặt khuếch tán Teflon đảm bảo cho độ nhạy góc ln là
hàm cosin (đặc trưng Lambert). Điều này đặc biệt quan trọng khi đo nguồn sáng mở rộng hoặc những nguồn được định vị theo một góc với trục của cảm biến.
Sau đây là các đặc tính kĩ thuật chính của PMA 2130:
- Dải đo: PMA2130 – 150 000 Lux, 220 W/m2, 14 000 ft-cd PMA2130L – 1 500 Lux, 2.2 W/m2, 140 ft-cd
PMA2130H – 1 500,000 Lux, 2200 W/m2, 140 000 ft-cd
- Độ chính xác: PMA2130 - 1 Lux, 0.001 W/m2, 0.1 ft-cd
PMA2130L - 0.01 Lux, 0.00001 W/m2, 0.001ft-cd PMA2130H - 10 Lux, 0.01 W/m2, 1 ft-cd
- Môi trường hoạt động: 32 → 120 °F (0 → +50 °C)
- Kích thước gọn nhẹ dễ lắp đặt: Cáp: 5 ft (1.5m)
Đường kính: 1.6’’ (40.6mm)
Cao: 1.8’’ (45.8mm) Nặng: 7.1 oz. (200gram)
Hình 2.11. Phổ độ nhạy của cảm biến ánh sáng (photopic) PMA 2130.
Bước sóng (nm)
Độ nhạy cảm biến
2.3.2. Lựa chọn gương phản xạ.
2.3.2.1. Kích thước gương.
Theo khuyến cáo của CIE, kích thước của gương phải lớn hơn kích thước lớn nhất của đèn cần đo. Như vậy sẽ cho ảnh đầy đủ của bộ đèn được nhìn bởi cảm
biến. Đây là một đặc điểm quan trọng vì nếu kích thước gương khơng đạt u cầu
sẽ có một phần chùm sáng theo phương hướng cần đo không đền được cảm biến, số liệu thu được sẽ khơng chính xác.
Hình 2.12. Hình dạng và kích thước gương dùng cho Goniophotometer.
Ở nước ta, các bộ đèn thơng dụng có kích thước lớn nhất khoảng 1200 mm.
Như vậy kích thước gương chế tạo cho Goniophotometer phải ít nhất rộng 1300 mm. Ta có thể lựa chọn hình dạng và kích thước gương để chế tạo như trên Hình 2.12. Gương 1300 mm 300 mm 300 mm 300 mm 300 mm 1300 mm
2.3.2.2. Độ phẳng.
Độ phẳng của gương cũng là một yếu tố cần quan tâm đến. Nếu bề mặt
gương gồ gề sẽ dẫn đến hiện tượng phản xạ tán xạ hoặc khuếch tán đều. Do đó ánh sáng tới cảm biến không phải là giá trị mà ta cần xác định theo một phương hướng phát ra từ bộ đèn.
Bề mặt phản xạ càng nhẵn thì phản xạ của tia sáng sẽ tuân theo phản xạ gương tới bề mặt cảm biến, không bị ảnh hưởng bởi các tia sáng tán xạ làm sai lệch phép đo.
2.3.2.3. Phổ phản xạ.
Ngoài yêu cầu hệ số phản xạ cao, gương phải phản ánh trung thực phổ của nguồn sáng. Hình 2.13 mơ tả phổ phản xạ của một vài loại gương thơng dụng. Căn cứ vào Hình 2.13 chúng tơi chọn loại gương phủ nhơm vì hệ số phản xạ của nó
đồng đều với tồn bộ dải sóng trong vùng nhìn thấy.
Hình 2.13. Phổ phản xạ ánh sáng của gương theo bước sóng.
Hệ số phản xạ (%) Bước súng (nm) Ph nhm (R>85%, 0.4ữ0.7àm) Ph vng (R>97%, 0.8ữ2àm; R>94%, 0.7ữ0.8àm) UV thờm nhụm(R>85%) Thờm nhụm(R>95%) Ph bc (R>98%)
CHƯƠNG III. HIỆU CHUẨN GONIOPHOTOMETER.
Sau khi chế tạo, lắp ráp hồn chỉnh thiết bị Goniophotometer, cơng việc tiếp theo phải thực hiện đó là hiệu chuNn và kiểm định chất lượng của sản phNm đã chế tạo. Tuy nhiên sản phNm của đề tài chế tạo vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện,
chưa thể vận hành thử nghiệm được.
Do đó chương này chỉ đề xuất các phương pháp để hiệu chuNn và kiểm định Goniophotometer dựa trên tiêu chuNn của CIE và một số tiêu chuNn của quốc tế khác. Đây chính là cơ sở để tiến hành hiệu chuNn và kiểm định Goniophotometer
khi nó hồn thiện.
3.1. Hiệu chu7n vị trí các thành phần Goniophotometer.
3.1.1. Kiểm tra tính chất thẳng đứng của trục cực.
Trục cực của Goniophotometer chính là trục quay của bộ đèn. Để hiệu
chuNn, ta sử dụng là một quả dọi một đầu được gắn với trục quay bộ đèn và nó đánh dấu vị trí trên mặt sàn. Khi xoay đèn quanh trục quay của nó thì độ dài của dây thả quả rọi đến điểm đánh dấu trên mặt sàn phải khơng đổi. Tương tự hiệu chuNn với
nhiều vị trí khi dịch chuyển giá đỡ đèn lên xuống bằng tay quay phụ của giá đỡ.
Hình 3.1. Hiệu chu n trục quay đèn bằng quả dọi và tia laze.
Thiết bị phát laze
Ngồi ra có thể sử dụng tia laze được cố định với trụ quay của đèn và định
hướng trên mặt sàn. Tia laze có thể khơng thẳng hàng với trục quay bộ đèn, nó có thể ở bên cạnh (Hình 3.1). Khi trục đèn quay, đốm sáng đánh dấu trên mặt sàn phải luôn cố định.
Nếu điểm đánh dấu thay đổi trong quá trình quay trục đèn thì cần điều chỉnh lại thiết bị tương ứng với độ lệch đó.
3.1.2. Kiểm tra trục quay gương.
Gắn một đầu của quả dọi vào tay quay gương, ứng với mỗi vị trí khi gương quay quả dọi sẽ xác định điểm tương ứng trên mặt sàn. Các điểm đánh dấu này phải thẳng hàng nhau nếu không phải điều chỉnh lại trục quay tương ứng theo độ lệch
các điểm đó.
Hình 3.2. Hiệu chu n trục quay gương.
Trục quay của gương phải xuyên qua trục quay của bộ đèn, kiểm tra điều này bằng cách sử dụng tia laze được gắn đồng trục với trục quay gương và bộ đèn.
Quả dọi Tay quay gắn một đầu quả dọi Các điểm đánh dấu Trục quay gương
Vị trí giao nhau giữa hai trục này chính là vị trí tâm của bộ đèn cần đo. Ta
đánh dấu điểm này lại để sử dụng cho các tham khảo sau này.
3.1.3. Kiểm tra sự thẳng hàng của trục quay gương, tâm bộ đèn và cảm biến.
Kiểm tra điều này bằng cách gắn tia laze vào trục quay của gương. Tia sáng laze phải đi qua tâm của bộ đèn, và chiếu lên bề mặt cảm biến. Khi gương quay thì khơng có sự thay đổi nào diễn ra.
Ngoài ra ta sử dụng thêm một thiết bị phát tia laze thay thế cho bộ đèn (được
đặt tại vị trí giao nhau giữa hai trục quay gương và trục trực). Gương được xác định ở vị trí cao nhất, tia sáng laze hướng thẳng theo trục cực tới bề mặt gương, sau đó
phản xạ tới cảm biến. Điểm giao nhau giữa hai tia laze chính là vị trí cần đặt cảm
biến. Xem Hình 3.3.
Hình 3.3. Kiểm tra sự thẳng hàng của trục quay gương, bộ đèn và cảm biến.
3.2. Hiệu chu7n góc quay của gương và bộ đèn.
3.2.1. Hiệu chun góc quay của gương.
- Bước 1: Xác định vị trí cao nhất của gương ứng với góc 90o.
Vị trí đặt laze 1
Vị trí đặt laze 2
Điểm giao nhau
- Bước 2: Quay gương đến vị trí M cần kiểm tra ứng với góc γ, đánh dấu vị trí M này lại.
- Bước 3: Dùng phần mềm điều khiển yêu cầu gương quay tới góc γ, đánh dấu vị trí M’ này lại.
- Bước 4: Tiến hành đo khoảng cách MM’. Lập bảng các giá trị đo được,
tính tốn sai số của góc quay.