2.3.4.1 Thiết kế phần quang của thiết bị đo mưa
Việc lựa chọn các thành phần quang học của thiết bị sẽ như sau:.
Nguồn sáng: lựa chọn là LED bước sóng 650 nm. Cụ thể nguồn sáng là
TLDR5800 của hãng ViShay. Đây là loại LED được thiết kế dựa trên công nghệ GaAs và có thể ni bằng nguồn dịng một chiều hoặc xung.
Cảm biến quang: từ những ưu, nhược điểm của các loại cảm biến quang, phạm
vi ứng dụng của thiết bị đo, bước sóng ánh sáng do nguồn phát ra là 650nm do đó cảm biến quang lựa chọn là photodiode loại PIN. Cụ thể là BPW34 của Vishay.
Thấu kính tạo chùm song song và hội tụ: Các chi tiết quang học trong hệ
quang của phương pháp đo kích thước và vận tốc hạt có tác dụng: tạo chùm song song ở tia sáng tới từ nguồn và hội tụ chùm sáng sau chi tiết quang học ở tại mặt nhạy sáng của photodiode.
Các chi tiết quang học cơ bản hiện nay có gương phẳng, lăng kính và thấu kính cùng các hệ kết hợp của chúng. Để tạo được tia ló qua thấu kính là tia song song với trục quang thì vật phải đặt tại tiểu điểm của thấu kính. Thêm nữa, chùm song song lại ở bên kia thấu kính so với vật điểm khi này là vật thật nên ở đây, thấu
LCD Thu quang Phát quang Khuếch đại và tiền xử lý ADC Vi xử lý Truyền thơng Nguồn ni
kính phù hợp sẽ là thấu kính hội tụ. Như vậy để tạo được chùm song song thì nguồn LED được đặt tại tiêu cự của thấu kính hội tụ và nằm ngay trên đường trục quang.
Thấu kính thứ hai là thấu kính có khả năng hội tụ chùm song song tại một điểm. Theo tính chất của các loại thấu kính, yêu cầu về đường đi của chùm sáng, lựa chọn dùng thấu kính hội tụ. Khi tia tới là tia song song với trục chính của thấu kính thì tia ló sẽ đi qua tiêu điểm chính của thấu kính hội tụ. Do đó, thấu kính thứ hai cũng sẽ là thấu kính hội tụ và điểm hội tụ chính là tiêu điểm của thấu kính thứ hai. Tại đây sẽ đặt photodiode để thu ảnh đi qua hệ hai thấu kính này.
- Về tiêu cự của thấu kính gần nguồn sáng: Nếu tiêu cự ngắn, trường ánh sáng tới sẽ không đồng đều vì ảnh hưởng của chiều rộng nguồn bức xạ. Nếu tiêu cự lớn, hiệu quả phát xạ sẽ nhỏ vì thực tế chỉ có một phần nhỏ cường độ bức xạ do nguồn quang phát ra đến được mặt của thấu kính đồng thời kích thước của thiết bị sẽ tăng lên.
- Tiêu cự của thấu kính gần cảm biến quang hồn tồn có thể nhỏ hơn tiêu cự của thấu kính gần nguồn quang. Nhưng để thuận tiện, có thể chọn hai thấu kính này giống hệt nhau.
- Về độ cong của thấu kính gần nguồn quang: khi độ cong của thấu kính tăng lên tức là bán kính cong r tăng lên sẽ làm giảm tiêu cự của thấu kính đồng thời làm tăng ánh sáng phản xạ trên bề mặt thấu kính làm cho cường độ sáng phân bố khơng cịn đồng đều trên mặt thấu kính đặc biệt là rìa của thấu kính.
- Về đường kính của các thấu kính, cần lựa chọn dựa trên kích thước của các khe nhạy sáng hoặc kích thước của cảm biến quang nếu màn khe nhạy sáng và thấu kính gần cảm biến quang khơng được sử dụng.
Vật liệu thấu kính: do sử dụng dải bước sóng ánh sáng khả kiến nên chất liệu sử dụng làm thấu kính có thể dùng thủy tinh quang học (lớp kính thủy tinh K8) hoặc thủy tinh hữu cơ (polymethyl methacrylate-PMMA). Trong phạm vi gần hồng ngoại, thấu kính polymer có hệ số hấp thụ lớn, do đó, trong hầu hết các trường hợp, chỉ nên sử dụng ống kính thủy tinh.
Ở đây lựa chọn thấu kính làm bằng thủy tinh quang học K8, hai mặt lồi, đường kính 53mm (đường kính thơng quang 50mm), tiêu cự 100mm.
Khe nhạy sáng
Ở các nghiên cứu [14, 16], để tối ưu hóa thơng số của các khe nhạy sáng trên màn chắn 4 (hình 2.1), cần dựa vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Khi độ rộng w
quá nhỏ, công suất ánh sáng đi tới điốt quang sẽ nhỏ. Tín hiệu này bị ảnh hưởng bởi nhiễu do tự bản thân điốt quang và tầng khuyếch đại đầu vào khiến tỉ số SNR nhỏ. Thêm đó, độ rộng w quá nhỏ gây ra nhiều khó khăn trong việc chế tạo khe nhạy sáng. Khi tăng w công suất bức xạ quang tới đầu thu quang tăng lên, khi đó nhiễu sẽ tăng tỉ lệ với I1/2, trong đó I là mật độ bức xạ tới đầu thu quang.
Với w > Dmin, khi tăng w, nhiễu sẽ tăng cịn tín hiệu có ích hầu như khơng thay đổi (vì tín hiệu có ích thu được chủ yếu do bóng của giọt nước như là một thấu kính tiêu cự ngắn gây ra), tức tỉ số SNR nhỏ đi.
Với w < Dmin, khi tăng w, nhiễu sẽ tăng theo tỉ lệ w1/2, cịn tín hiệu có ích theo
w, có nghĩa là tỉ số SNR sẽ tăng lên.
Do đó, chọn độ rộng khe w xấp xỉ đường kính tối thiểu Dmin của hạt mưa cần đo là thích hợp. Với đề xuất này việc xác định chiều dài khe và khoảng cách giữa các khe của màng chắn khơng có ý nghĩa gì lớn. Tuy nhiên, khoảng cách g phải gần bằng đường kính lớn nhất cần đo Dmax của hạt nước cần đo, nếu không xung sẽ khơng có “khoảng lõm” (hình dạng xung mong muốn thư được), tương ứng với việc sẽ có ít các tham số nhằm phân tích tính tốn đường kính hạt. Khi khoảng cách g
quá lớn (g >> Dmax) hệ số k075 ( đề cập ở mục 2.2.2) sẽ thay đổi ít dẫn tới khả năng phân biệt được các hạt có kích thước khác nhau giảm. Điều đó dẫn đến việc giảm độ chính xác của kết quả đo. Ngoài ra khi g lớn, xác suất xuất hiện bóng của giọt thứ hai tăng lên khi cường độ mưa lớn, điều đó cũng dẫn đến sai số đo. Như thế có thể thấy với đề xuất mới này, độ rộng khe nhạy sáng w gần bằng đường kính tối thiểu
Dmin của hạt cần đo (thực nghiệm cho thấy lớn hoặc nhỏ hơn cỡ 2 đến 3 lần Dmin
cũng hoàn toàn đáp ứng được) và khoảng cách khe g xấp xỉ đường kính lớn nhất cần đo Dmax thì dải đo được của kích thước hạt khơng bị ảnh hưởng như trong nghiên cứu [16] và việc chế tạo cơ khí các khe nhạy sáng dễ dàng hơn rất nhiều.
Theo phương pháp đo thì số lượng khe nhạy sáng là hai khe với độ rộng w của 2 khe bằng nhau, khoảng cách giữa 2 khe là g, chiều dài khe là l. Thiết bị ứng dụng
vào đo hạt mưa có dải đo phổ biến trong khoảng (0,5 ÷ 6mm) nên sẽ ưu tiên xung quang điện dạng có “khoảng lõm” ở các kích thước hạt này. Dựa vào thực nghiệm và khả năng gia cơng cơ khí, khe nhạy sáng có các kích thước là: g=5mm; w=1mm; chiều dài khe khơng vượt q đường kính của thấu kính nên ở đây chọn 30mm. Với các hạt nước từ (6-10mm), sử dụng dạng một xung để tính tốn cũng đáp ứng được yêu cầu đo.
Thiết kế kỹ thuật cơ cấu gá đỡ và chỉnh định trục quang
Bố trí thiết kế kỹ thuật của hệ quang học phải có khả năng cơ động để điều chỉnh được phần phát xạ của nguồn sáng vào đúng tiêu cự của thấu kính tạo chùm song song cũng như photodiode vào được đúng tiêu cự của thấu kính hội tụ. Các thành phần nguồn, thấu kính, khe nhạy sáng, photodiode cần phải bố trí đồng trục. Độ chính xác yêu cầu của trục liên kết nhỏ hơn 0,1 mm.
Do đó cơ cấu đỡ cơ khí sẽ bố trí thêm các lị xo chỉnh nguồn sáng và cảm biến
vào đúng vị trí của tiêu cự trên trục quang (hình 2.14). Để chỉnh sao cho các thành
phần quang học đồng trục, bố trí các thành phần của hệ quang vào một ống trịn thẳng, rỗng, vừa khít với bán kính ngồi lớn nhất của các hệ. Điều này đã khắc phục được cơ cấu quang cố định khó chỉnh trong nghiên cứu [14, 16].
Hình 2.14. Lị xo chỉnh nguồn quang của hệ quang
Khối phát quang, thu quang, khối mạch điện tử được chứa trong hai ống nhơm loại 6061, đường kính trong 70mm, độ dày 5mm, sơn đen, một đầu được phay vát góc 45 độ, một đầu bằng có nắp đáy chống nước bằng nhựa ABS và keo silicon.
2.3.4.2 . Thiết kế phần điện tử, xử lý dữ liệu đo
Các khối phát quang sử dụng nguồn sáng là LED đỏ TLDR5800 của hãng ViShay phát ra ánh sáng có bước sóng 650nm được điều khiển bằng khối tạo tần số 455kHz duty 50%. Chùm sáng song song đường kính 50mm được tạo ra sau khi qua thấu kính thủy tinh quang học K8 hai mặt lồi, đường kính 53 mm (đường kính thơng quang là 50mm), tiêu cự là 100mm bên khối phát quang. Chùm sáng này được đưa qua khoảng đo rồi tới khối thu quang có màn che làm bằng phíp phủ đồng dày 0,5mm chứa hai khe nhạy sáng có các kích thước w=1mm, g=5mm, chiều dài của khe l=30mm. Ánh sáng qua hai khe nhạy sáng được thu trên điốt quang loại BPW34 đặt tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ có các thông số tương tự như thấu kính tạo chùm song song. Xung quang điện thu được sau đó được đưa qua khối khuếch đại, lọc, tiền xử lý, ADC lấy mẫu với tần số 50kHz, xử lý tính tốn trên vi xử lý STM32F407VGT6 theo các thuật toán đề xuất trong luận án trước khi hiển thị và truyền tới các thiết bị thu thập dữ liệu. Mạch nguyên lý và mạch in của các phần mạch điện tử khối thu và khối phát được chỉ ra ở phụ lục 1. Hình ảnh thiết bị chế tạo theo đề xuất chỉ ra trong hình 2.15.
Hình 2.15. Hình ảnh thiết bị đo mưa chế tạo theo đề xuất
Cụ thể thiết kế và chế tạo phần cứng thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa độc lập như được trình bày cụ thể tại Phụ lục 1 và Phụ lục 4.
2.3.5. Hiệu chỉnh thiết bị đo các thông số mưa của luận án
Thiết bị đo sau khi chế tạo từng phần cần được lắp ráp và hiệu chỉnh trước khi đem ra thực địa. Các bước hiệu chỉnh lần lượt được tiến hành như sau:
- Hiệu chỉnh phần cứng - Hiệu chỉnh phần mềm
2.3.5.1. Hiệu chỉnh phần cứng
Hiệu chỉnh phần cứng được tiến hành song song với việc lắp ráp các bộ phận của thiết bị. Phần hiệu chỉnh này sẽ được tiến hành hiệu chỉnh cả ở khối thu và khối phát.
Ở khối phát, chủ yếu hiệu chỉnh dịng điện cấp cho nguồn sáng, vị trí nguồn sáng trên trục quang. Vị trí nguồn sáng nằm vào tiêu cự của thấu kính. Các bước hiệu chỉnh được trình bày trong phần phụ lục: “Cách hiệu chỉnh phần cứng thiết bị đo
mưa đã chế tạo”
Ở khối thu, hiệu chỉnh sao cho ánh sáng từ khối phát hội tụ thành điểm sáng nhỏ nhất trên bề mặt nhận sáng của tế bào quang điện (Photodiode nằm tại tiêu điểm của thấu kính). Sau đó hiệu chỉnh phần điện tử để xung quang điện thu được sẽ có biên độ cực đại của các chồi gần bằng nhau nhất có thể. Các bước hiệu chỉnh được trình bày trong phần phụ lục 4: “Cách hiệu chỉnh phần cứng thiết bị đo mưa đã chế tạo”.
2.3.5.2. Hiệu chỉnh phần mềm
Mục đích của việc hiệu chỉnh phần mềm là cho thiết bị “học” các mẫu chuẩn để xây dựng được đường cong hiệu chuẩn tức tìm ra các hệ số A, B1, B2 trong các biểu thức 2.12, 2.14, 2.15. Sơ đồ các bước hiệu chỉnh phần mềm được chỉ ra trong hình 2.16.
Bước hiệu chỉnh mềm được thực hiện sau bước hiệu chỉnh cứng. Mơ hình bố trí thiết bị hiệu chỉnh như trong hình 3.1. Hạt mẫu dùng cho hiệu chỉnh là các viên bi sắt có kích thước khác nhau biết trước. Lần lượt thả nhiều lần từng cỡ hạt mẫu qua khoảng đo, đọc các biến số tương ứng, tính trung bình biến số k075;umax;ld. Dùng tính năng phân tích đa thức và hồi quy bậc hai trong phần mềm Origin để tính tốn các hệ số và kiểm tra độ khớp của hàm tìm được thơng qua giá trị R-square. Giá trị này lớn hơn 90% thì các hệ số sẽ được coi là đáp ứng mong muốn. Hình 2.16 mơ tả các bước hiệu chỉnh phần mềm của thiết bị đo cải tiến.
Hình 2.16. Sơ đồ khối các bước hiệu chỉnh mềm thiết bị đo mưa đã của luận án
Bắt đầu
Chuẩn bị thiết bị đã hiệu chỉnh phần cứng Chuẩn bị mẫu học
Sử dụng phần mềm Oirigin và lệnh Polynomial Fit để tìm các hệ số A, B1, B2 của các công thức 2.6, 2.8, 2.9
Thả mẫu học qua khoảng đo của thiết bị nhiều lần
Nhập các hệ số tìm được vào thiết bị.
Kết thúc Đúng
Đã chuyển thiết bị sang chế độ hiệu chỉnh?
Sai
Đọc các số k075;umax;ldtrên thiết bị tùy theo kích thước hạt mẫu
Đã chuyển thiết bị sang chế độ nhập hệ số?
Đúng
Sai
Sai số kích thước đạt mức cho phép?
Đúng Sai
Đo các hạt bằng bộ mẫu kiểm tra và đánh giá sai số
Hình 2.17 là kết quả hiệu chỉnh mơ tả hàm D(k075) tìm được trên thiết bị của luận án.
Hình 2.17. Kết quả hiệu chỉnh mềm với các hạt nhỏ hơn 3,5mm
2.4. Đánh giá mơ hình tốn học đề xuất cho dạng hai chồi xung của luận án với nghiên cứu gốc luận án với nghiên cứu gốc
Như đã phân tích ở mục 2.2.1, biểu thức 2.11, 2.12 chỉ có thể tính được khi kích thước hạt nhỏ hơn tổng độ rộng hai khe và khoảng cách giữa chúng. Khơng mất tính tổng qt, coi như hai khe có độ rộng bằng nhau và bằng w, khoảng cách giữa hai khe là g. Khi đó, phương pháp tính này chỉ tính được với các hạt có đường kính D<(2w+g). Đây cũng là hạn chế của phương pháp tính dựa vào độ sâu điều chế M.
Với các hạt nhỏ, lượng ánh sáng suy hao khi hạt đi qua khoảng đo không lớn. Lượng suy hao quang thông này ảnh hưởng bởi độ nhạy của tế bào quang điện bên khối thu quang. Thiết bị thiết kế ở phần 2.3.4 đã cho phép phát hiện các hạt nhỏ tới mức 0,5 mm - 1mm. Từ mức nhỏ hơn và bằng 0,5 mm chồi xung thu được rất nhỏ dễ bị lấp trong khoảng nền nhiễu nên tỷ lệ bắt được tín hiệu khơng cao và rõ rệt như từ 0,7mm trở lên. Do đó với các hạt càng nhỏ thì độ chính xác của kết quả đo càng thấp.
Phương pháp tính dựa vào biến số 075 _ 3 075 _ 2 075 075 _ 4 075 _1 i i k i i : có thể tính tốn đường kính khi điểm cực tiểu của xung quang điện do các hạt tạo ra bằng nhau. Đó là các
hạt nhỏ hơn khoảng cách khe do đó kích thước hình học của các khe nhạy sáng dễ chế tạo hơn khi đo cùng một dải đo.
Phương pháp tính dựa vào độ sâu điều chế max min max min U U M U U : khơng thể tính tốn đường kính khi điểm cực tiểu của xung quang điện do các hạt tạo ra bằng nhau. Đó là các hạt nhỏ hơn khoảng cách khe do đó kích thước hình học của các khe nhạy sáng khó chế tạo hơn khi đo cùng một dải đo.
2.5. Kết luận chương II
Chương II của Luận án đã trình bày những kết quả nghiên cứu về lý thuyết phương pháp đo và tính tốn nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hai dải sáng do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất. Trên cơ sở thực nghiệm, vận dụng lý thuyết thống kê, phương pháp phân tích đa thức và hồi quy bậc hai, tác giả đã có những đề xuất về khoa học và đề xuất về cải tiến công nghệ cụ thể:
- Về khoa học: đã đề xuất biểu thức toán học tính tốn kích thước, vận tốc tương đương của hạt mưa dựa vào dạng xung quang điện thu được theo các biểu thức của tác giả đề xuất cho các trường hợp cụ thể: Với dạng xung có hai chồi xung, đường kính hạt được tính tốn như trong biểu thức 2.12. Với dạng xung có một chồi