2.3. Đề xuất hồn thiện cơng nghệ2.3.1. Thay thế nguồn sáng 2.3.1. Thay thế nguồn sáng
Mục tiêu của thiết bị đo kích thước hạt mưa là có thể lắp đặt được ở ngồi trời để đo các thơng số hạt mưa, trận mưa. Do đó thiết bị cần phải bền, nhỏ gọn, dễ lắp đặt
ở những khu vực có hạn chế về khơng gian. Bởi thế nguồn sáng hợp lý cho dòng thiết bị này là nguồn sáng dạng bán dẫn. Trong các nghiên cứu [62, 63, 64] và nhiều nghiên cứu về nguồn sáng khác đã chỉ ra: nguồn sáng laser có tính kết hợp (coherence) dễ gây ra hiện tượng giao thoa tạo ra vệt sáng tối (nhiễu đốm) [63] đáng kể trong các hình ảnh được tái tạo khiến cho chất lượng hình ảnh bị giảm đi rất nhiều. Việc giảm thiểu đốm nhiễu này đã được đề xuất trong các nghiên cứu [62, 63, 64], tuy nhiên những giải pháp này đều làm tăng độ phức tạp của hệ thống quang và tăng chi phí.
Một giải pháp rẻ tiền và hiệu quả hơn ở bài tốn này chính là sử dụng nguồn sáng LED. So với điốt laser (LD), LED có những ưu điểm như rẻ tiền hơn, khơng có tính “coherence” nên khơng bị ảnh hưởng của nhiễu đốm, ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ nên công suất phát ít bị ảnh hưởng [63]. Sử dụng nguồn sáng LED trong nghiên cứu [14, 16] là hợp lý. Bảng 2.1 đưa ra những so sánh giữa hai loại nguồn sáng.
Theo cơng trình của Anderson năm 2009 [25, 66, 67, 68] và một số cơng trình khác, kích thước hạt mưa phổ biến trong dải từ 1mm ÷ 6mm. Ngồi ra, với mơ hình đo 2.1 cũng như các đề xuất biểu thức 2.12, 2.14, 2.15 có thể mở rộng dải đo ở đây tác giả dự kiến đo đến 10 mm ở dải cận trên và 0,5 mm ở dải cận dưới. Các bước sóng ánh sáng đều nhỏ hơn kích thước nhỏ nhất của hạt cần đo nên hồn tồn đo được dải đường kính hạt này. Để tạo thuận lợi cho việc hiệu chỉnh hệ quang, luận án lựa chọn sử dụng bước sóng ánh sáng trong dải ánh sáng khả kiến để đo đạc. Hiệu ứng Tyndall chỉ ra rằng ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng dễ bị tán xạ và tiêu hao mạnh [69]. Để đảm bảo chùm sáng đi tới khối thu quang ln có mức năng lượng ổn định ít bị ảnh hưởng bởi các hạt rất nhỏ như khói, bụi, tác giả lựa chọn nguồn ánh sáng đỏ cho thiết bị đo kích thước hạt của luận án.
Từ những phân tích trên, lựa chọn nguồn sáng là LED có bước sóng trung tâm 650nm trong thiết bị đo của luận án.
Bảng 2.1. So sánh các thông số của LED và LD [63]
Thông số LED LD
Nguyên lý làm việc Bức xạ tự phát Phát xạ cưỡng bức
Điện áp 1,5-2,5VDC 1,5-2,5VDC
Công suất phát Thấp Cao
Đặc tính ánh sáng Tính Coherence thấp gần Tính Coherence cao và chỉ có như khơng có và có một bước sóng ánh sáng. nhiều bước sóng
Độ rộng phổ Rộng Nhỏ và hẹp
Giá thành Thấp Cao
Ảnh hưởng bởi Ít Nhiều
nhiệt độ
2.3.2. Thay thế cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang
Ở đề xuất [14, 16], các khối thu, phát quang được gá lắp trên các thanh
trục cứng nên việc hiệu chỉnh khó khăn, mất nhiều thời gian và cơng sức. Thêm nữa, khi có va đập cơ khí, trục quang rất dễ bị lệch dẫn tới sai số lớn trong đo đạc. Để hạn chế và hiệu chỉnh dễ dàng, đề xuất hoàn thiện cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang bằng hệ treo trên các lị xo. Hình 2.12 mơ tả cấu trúc cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất.
2.3.3. Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu
Với mơ hình đo trong nghiên cứu [14, 16], dữ liệu đo được tính tốn thơng qua một máy tính kết nối với bộ ADC tốc độ cao. Việc này dẫn tới mơ hình đo khơng thể hoạt động được ngồi trời liên tục và cũng không thể lắp đặt ở những nơi có hạn chế về khơng gian. Nhược điểm này cũng tương tự như nhược điểm của nhóm thiết bị đo kích thước hạt mưa bằng hình ảnh.
Để khắc phục nhược điểm này, tác giả để xuất sử dụng các chip tốc độ cao kết hợp với lý thuyết thiết kế mạch điện tử và lý thuyết thiết kế máy để đưa ra thiết kế thiết bị đo kích thước hạt mưa, trận mưa có thể chạy được ở thực địa.
1. Vít chỉnh trục x; 2.Vít chỉnh trục y;
3. Bộ vít và lị xo chỉnh tiêu cự; 4. Mạch chứa cảm biến hoặc nguồn sáng; 5. Khung đỡ hệ điều chỉnh tiêu cự 3 và 4;
6. Giá đỡ thấu kính hoặc hệ thấu kính màn chắn tùy theo khối thu hay phát;
7. Thanh cứng nối khung 5 và giá 6; 8. Lò xo đè chỉnh trục x,y; 9. Nắp đậy ống thu/phát quang; 10. Vỏ ống thu phát quang
Hình 2.12. Mơ tả cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất 2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị đo
Từ mơ hình đo mơ tả trong hình 2.1 và những đề xuất hồn thiện về phần công nghệ, luận án đưa ra thiết kế phần cứng thiết bị với sơ đồ khối trong hình 2.13. Trong sơ đồ khối, phần quang học của thiết bị đo mưa là nguồn sáng, các thấu kính và cảm biến quang được đặt trong các khối thu quang và khối phát quang. Phần cịn lại chính là phần điện tử bao gồm các khối khuếch đại, tiền xử lý và ADC hồn tồn là các mạch điện tử nhận tín hiệu quang điện (tín hiệu tương tự) từ khối thu quang chuyển đổi về dạng tín hiệu số trước khi đưa về xử lý.
Phát quang LCD Thu quang Khuếch đại và ADC tiền xử lý Truyền thông Vi xử lý Nguồn ni
Hình 2.13. Sơ đồ khối thiết bị đo mưa của luận án 2.3.4.1 Thiết kế phần quang của thiết bị đo mưa luận án 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 cơng 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
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 khơng 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 khơng 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 q 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 u 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 nhôm 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 thơng 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 xuấtCụ thể thiết kế và chế tạo phần cứng thiết bị đo kích thước, vận tốc 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