Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại; Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại; Các phương pháp nâng cao độ chính xác trong phép đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------- VŨ VĂN QUANG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Vũ Toàn Thắng Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------- VŨ VĂN QUANG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Vũ Toàn Thắng Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 14 tháng 03 năm 2022 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS. Vũ Toàn Thắng Vũ Văn Quang i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã được sự hướng dẫn tận tình của tập thể hướng dẫn khoa học, được tạo điều kiện của Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí, các Giảng viên thuộc Bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi được các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tư vấn nhiều ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài. Đồng thời, tôi cũng được các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng như của Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong quá trình hoàn thành các thủ tục, nội dung của luận án. Tôi xin được chân thành cảm ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin được bày tỏ sự biết ơn đến thầy giáo hướng dẫn: PGS. Vũ Toàn Thắng. Tôi xin được cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, cảm ơn người vợ thương yêu đã chia sẻ, tạo thuận lợi trong thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu. Xin trân trọng cám ơn! ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục tiêu của luận án: .......................................................................................... 2 3. Nội dung nghiên cứu........................................................................................... 2 4. Đối tượng nghiên cứu. ........................................................................................ 3 5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu ............................................................. 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 3 7. Những đóng góp mới của luận án ....................................................................... 4 8. Cấu trúc luận án .................................................................................................. 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO VẬN TỐC CỦA NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI .......................................................... 6 1.1 Bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại và các nghiên cứu liên quan .................................................................................................................. 6 1.2 Mô tả hệ thống đo được đề xuất ..................................................................... 17 1.3 Mục tiêu, khó khăn và các đóng góp dự kiến ................................................. 20 Kết luận chương 1 ................................................................................................. 21 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI ..................... 22 2.1 Các lý thuyết liên quan đến bức xạ hồng ngoại .............................................. 22 2.1.1 Các đơn vị bức xạ..................................................................................... 23 2.1.2 Đặc điểm không gian của đối tượng nguồn nhiệt và nền hồng ngoại ...... 28 2.2 Các thành phần trong hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng các mô-đun cảm biến PIR. ................................................................................... 29 2.2.1 Cảm biến nhiệt điện pyroelectric. ............................................................ 30 2.2.2 Thấu kính Fresnel ..................................................................................... 34 2.3 Các lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên cơ bản và bài toán xác định thời gian trễ. . 36 iii
2.3.1 Dữ liệu xác định và dữ liệu ngẫu nhiên ................................................... 36 2.3.2 Các thuộc tính thống kê cơ bản ................................................................ 41 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 43 CHƢƠNG 3. MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG PHÉP ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI ....... 44 3.1 Phân tích các sai số và độ không đảm bảo đo của hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại ............................................................................... 44 3.2 Giải pháp xác định và hiệu chỉnh độ song song hai quang trục của hai mô- đun cảm biến PIR .................................................................................................. 47 3.2.1 Thiết lập thí nghiệm vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR so với bề mặt mục tiêu của nguồn nhiệt tham chiếu được điều biến ........................... 49 3.2.2 Phân tích độ nhạy của phép đo................................................................. 53 3.2.3 Xác định độ không đảm bảo đo vị trí quang trục của từng mô-đun cảm biến PIR và độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR 57 3.3 Các giải pháp nâng cao độ chính xác trong việc xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra của hai mô-đun cảm biến PIR ............................................................ 60 3.3.1 Phương pháp tương quan chéo cổ điển .................................................... 63 3.3.2. Phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert ........................ 66 3.3.3 Ứng dụng biến đổi Fourier cho các đánh giá tương quan ........................ 69 Kết luận chương 3 ................................................................................................. 72 CHƢƠNG 4. CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ THỰC NGHIỆM .................. 74 4.1 Khảo sát hệ thống xác định vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR ....... 74 4.1.1 Thí nghiệm xác định và hiệu chỉnh vị trí quang trục mô-đun PIR .......... 76 4.1.2 Khảo sát độ không đảm bảo đo của phương pháp xác định quang trục mô-đun cảm biến PIR........................................................................................ 82 4.1.3. Thực nghiệm đo vị trí quang trục của các mô-đun cảm biến PIR .......... 85 4.2 Thực nghiệm đo giá trị vận tốc ....................................................................... 89 4.2.1 Mô tả bố trí thí nghiệm ............................................................................ 89 4.2.2 Phân tích độ không đảm bảo đo cho thời gian trễ với các phương pháp số khác nhau .......................................................................................................... 90 4.2.3 Thực nghiệm đo vận tốc với các đối tượng thực tế.................................. 95 iv
Kết luận chương 4 ................................................................................................. 98 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............. 107 PHỤ LỤC A. THIẾT KẾ MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR ...................................... 108 PHỤ LỤC B. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU CHO MÔ-ĐUN CẢM BIẾN ............................................................................................................ 111 PHỤ LỤC C. THIẾT KẾ HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN TRỤC QUANG HỌC CỦA MÔ-ĐUN CẢM BIẾN PIR ......................................................................... 113 PHỤ LỤC D. GIAO DIỆN PHẦN MỀM THU NHẬN DỮ LIỆU ĐO ............ 114 PHỤ LỤC E. LƢỢC TRÍCH MỘT SỐ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ THU NHẬN TÍN HIỆU ........................................................ 115 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT λ Bước sóng điện từ trường, μm α (λ) Hệ số hấp thụ theo bước sóng ρ(λ) Hệ số phản xạ theo bước sóng κ(λ) Hệ số truyền theo bước sóng ε(λ) Hệ số phát xạ theo bước sóng Ω Góc khối, sr - steradian Γ Năng lượng bức xạ, J Φ Thông lượng (công suất) bức xạ, W I Cường độ bức xạ, W/sr M Độ thoát (độ phát), W/cm2 E Bức xạ, W/cm2 L Độ rọi, W/(cm2.sr) PIR Pyroelectric Infrared sensor - Cảm biến hồng ngoại thụ động Pyroelectric FOV Field Of View - Trường nhìn của hệ thống quang học, θx, θy Góc theo phương ngang, dọc của trường nhìn của hệ thống quang học T Nhiệt độ nói chung, oK hoặc oC Ts Nhiệt độ bề mặt nguồn nghiệt tham chiếu, oK hoặc oC Tb Nhiệt độ môi trường nền, oK hoặc 0C Tob Nhiệt độ trung bình của bề mặt đối tượng đo, oK hoặc 0C V(t) Tín hiệu điện áp đầu ra theo thời gian của mô-đun cảm biến PIR, V VO Biên độ điện áp đầu ra của mô-đun cảm biến PIR, V Kỳ vọng của một đại lượng ngẫu nhiên Rxy(η) Tương quan chéo của hai dữ liệu ngẫu nhiên x(t), y(t) tại độ trễ η ζ. Độ lệch chuẩn của một đại lượng ngẫu nhiên f Tiêu cự của thấu kính, mm vi
Al Tiết diện của thấu kính t Đại lượng theo thời gian, s η Độ trễ theo thời gian của hai tín hiệu đầu ra, s fs Tần số lấy mẫu, Hz u(.) Độ không đảm bảo đo của đại lượng độc lập uc(.) Độ không đảm bảo đo của đại lượng kết hợp d Khoảng cách giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR Hàm Lambertain tại nhiệt độ T, W/cm2 fm Tần số điều biến màn trập, Hz ωm Tần số điều biến góc, bằng 2πfm Q(Ts, Tb) Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt và nền (công thức 3.14) K(ωm) Hệ số phụ thuộc vào tần số điều biến (công thức 3.14) Góc lệch giữa vị trị quang trục của mô-đun cảm biến PIR và trục đối xứng của mặt phẳng mục tiêu (mục 3.2) CCF Cross-Correlation Function - Hàm tương quan chéo cổ điển CCFHT Cross-Correlation Function with Hilbert Transform - Hàm tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert DFT Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourier rời rạc thuận IDFT Inverse Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourier rời rạc ngược FFT Fast Fourier Transform - Biến đồi Fourier nhanh vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các công nghệ cảm biến ứng dụng trong giám xác và xác định vận tốc phương tiện giao thông ............................................................................................... 6 Bảng 2.1 Các đơn vị bức xạ ...................................................................................... 24 Bảng 4.1 Thông số phục vụ mô phỏng. .................................................................... 74 Bảng 4.2 Độ không đảm bảo đo vị trí góc của mô-đun cảm biến PIR ..................... 84 Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm đo vị trí góc của quang trục hai mô-đun cảm biến PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu. .......................................................................... 87 Bảng 4.4 Một số thông số bố trí thí nghiệm.............................................................. 90 Bảng 4.5 Các thông số cài đặt phục vụ tính toán mô phỏng SNR của mô-đun cảm biến PIR ..................................................................................................................... 91 viii
DANH MỤC HÌNH VẼ nh Bố trí thí nghiệm trong nghiên cứu của Z. Zhang và cộng sự [15] ............. 9 nh Mô tả thành phần trong nút cảm biến thu nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại trong nghiên cứu của Z. Zhang [15] ........................................................................... 9 nh Tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR khi kết hợp với thấu kính (a) và ở các khoảng cách khác nhau (b) trong nghiên cứu của Zappi [16] ................................. 10 nh Sơ đồ hệ thống theo dõi con người trong nghiên cứu của B.Yang [17] .... 11 nh Sơ đồ nút cảm biến trong nghiên cứu của B.Yang [17] ............................. 11 nh Sơ đồ bố trí cảm biến hồng ngoại nhiệt điện (PIR) và tín hiệu đầu ra trong nghiên cứu của Yun [19] ........................................................................................... 12 nh Minh họa thiết lập đo lường trong công bố của Brian Donovan [21] ...... 13 nh Triển khai thiết lập đo lường trong nghiên cứu của Enas Odat [22] ........ 14 nh Các tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến PIR, được tạo ra khi xe đi qua với các tốc độ khác nhau trong nghiên cứu của Odat [22] ...................................... 15 nh Kết quả các phép đo thô của cảm biến PIR (trái) và Các phép đo biến đổi sóng con (phải) trong nghiên cứu của Enas Odat [22] ............................................ 16 nh Mô tả bố trí của hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt ................................... 17 nh Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống đo ............................................ 18 nh Mô tả khái niệm góc khối ........................................................................... 24 nh Cường độ bức xạ trên bề mặt dạng Lambertian ........................................ 25 nh Phổ phát xạ của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau.................................... 27 nh Mô tả đặc điểm không gian góc của đối tượng nguồn nhiệt...................... 29 nh Sơ đồ mạch điện tương đương cho cảm biến PIR...................................... 31 nh Mô tả cấu hình hệ quang học cho mô-đun cảm biến PIR .......................... 32 nh Đặc điểm không gian mô tả cho đối tượng nguồn nhiệt và cảm biến PIR 34 nh Thấu kính phẳng lồi so với Thấu kính Fresnel .......................................... 35 nh Nguyên lý hoạt động của thấu kính Fresnel với cảm biến hồng ngoại thụ động. .......................................................................................................................... 35 nh Phân loại dữ liệu ngẫu nhiên ................................................................... 38 nh Mô tả các hàm lấy mẫu của dữ liệu ngẫu nhiên [40] .............................. 39 ix
nh Tổng quan kiến trúc hệ đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng hai mô-đun cảm biến PIR ..................................................................................................................... 45 nh Sự phụ thuộc của độ không đảm bảo đo tương đối của vận tốc vào độ không đảm bảo đo độ song song giữa hai mô-đun cảm biến PIR. ........................... 47 nh Ảnh hưởng của góc nghiêng giữa hai trục quang đến kết quả đo ............. 48 nh Minh họa quang trục của mô-đun cảm biến PIR căn chỉnh hoàn hảo (a) và căn chỉnh không hoàn hảo (b) ................................................................................... 51 nh Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu. ...................................................................................... 53 nh Mô tả hình học về ảnh hưởng của độ lệch trục quang học của mô-đun cảm biến ............................................................................................................................ 55 nh Mô tả đồ thị của (a) àm tương quan chéo - CCF và (b) àm tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert - CCFHT.................................................................... 62 nh Hình dạng (trên) và hình cắt 3D (dưới) của mô-đun cảm biến PIR .......... 75 nh Thiết kế 3D (trên) và hình ảnh thực (dưới) của hệ thống xác định/căn chỉnh vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR .................................................... 76 nh Mô tả hệ số truyền của cửa sổ quang học cảm biến PIR [59] ................... 77 nh Mô tả hệ số truyền của thấu kính Fresnel [60].......................................... 77 nh Giá trị hàm Lambertian của hệ quang học của mô-đun cảm biến PIR trong nghiên cứu tại các nhiệt độ bề mặt T khác nhau ............................................. 79 nh Mô tả hình chiếu bằng bề mặt các phần tử cảm PIR [53] ......................... 80 nh Đồ thị giá trị hệ số Q theo nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt, khi nhiệt độ môi trường nền Tb= 25 0C ................................................................................................ 81 nh Giá trị hệ số đáp ứng K(ω) theo tần số ω .................................................. 82 nh Mô tả tín hiệu được quan sát trong thời gian cố định ............................... 84 nh Tín hiệu điện áp đầu ra của mô-đun cảm biến PIR phần tử kép theo thời gian ở các góc quay khác nhau. ................................................................................ 86 nh Kết quả thử nghiệm của PSD chuẩn hóa và biên độ phổ chuẩn hóa ở tần số điều biến qua các góc quay khác nhau cho hai mô-đun cảm biến PIR ................ 88 nh Bố trí hệ thống hai (02) mô-đun hồng ngoại PIR phục vụ đo vận tốc nguồn nhiệt: Nhìn từ trên xuống (h nh trên) và nh n đối diện (h nh dưới)............... 89 x
nh Sơ đồ khối hệ thống xử lý tín hiệu đo của hệ mô-đun cảm biến PIR ....... 90 nh Mô tả vị trí tương đối của nguồn nhiệt với trường nhìn của cảm biến PIR tại khoảng cách R. ..................................................................................................... 92 nh Mô hình toán học tính toán tín hiệu điện áp đầu ra trên nền tảng Matlab- Simulink ..................................................................................................................... 92 nh Mô tả tín hiệu đầu ra của cảm biến PIR với v = 90 km/h và Tob = 330C 93 nh Đồ thị giá trị tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR của mô-đun cảm biến PIR trong các trường hợp mục tiêu di chuyển với các tốc độ khác nhau và chênh lệch nhiệt độ so với môi trường khác nhau. .................................................................................... 93 nh Độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương quan chéo .................................................................................................................. 94 nh Độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ theo phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert. .......................................................................... 94 nh So sánh độ không đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ giữa hai phương pháp. .......................................................................................................................... 95 nh Mô tả dữ liệu thu nhận từ 02 mô-đun cảm biến PIR................................ 96 nh Kết quả thử nghiệm đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và CCFHT ...................................................................................................................... 97 nh Sai lệch trong phép đo vận tốc sử dụng hai phương pháp CCF và CCFHT so với phương pháp tham chiếu sử dụng camera. ...................................... 97 nh ản vẽ thiết kế các hình chiếu của vỏ mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR ... 108 nh nh ảnh vỏ mô-đun cảm biến hồng ngoại sau khi được chế tạo ........... 110 nh Sơ đồ mạch điện biến đổi của mô-đun cảm biến PIR .............................. 111 nh nh ảnh bo mạch biến đổi tín hiệu sau khi được chế tạo ...................... 112 nh C Một số hình ảnh bố trí hệ thống hiệu chuẩn trục quang học của mô-đun cảm biến PIR ........................................................................................................... 113 nh Giao diện phần mềm thu nhận dữ liệu đo được viết trên nền tảng Qt .... 114 xi
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việc theo dõi chuyển động của các nguồn nhiệt (con người, động vật, phương tiện giao thông, v.v) bằng thông tin của tín hiệu bức xạ hồng ngoại được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giao thông, y tế, an ninh,v.v. Các hệ thống giám sát tín hiệu hồng ngoại như vậy có thể hoạt động các điều kiện khác nhau về không gian (trong nhà/ngoài trời) và thời gian (ban ngày/ban đêm). Sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại trong những điều kiện khác nhau như vậy có một số ưu điểm như: giảm chi phí thiết lập hệ thống theo dõi và giảm thiểu yêu cầu về phần cứng phục vụ cho việc tính toán. Đặc biệt, trong lĩnh vực giao thông vận tải, bài toán liên quan đến việc kiểm soát lưu lượng, vận tốc phương tiện giao thông đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm. Trong đó, các hệ thống cảm biến bức xạ hồng ngoại được ứng dụng một cách hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Trong kỷ nguyên số và cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ở các đô thị thông minh, hệ thống kiểm soát giao thông được xây dựng với những nút đo lường bố trí trên khắp các vị trí. Các hệ thống được lắp đặt thiết bị cảm biến như vậy sẽ mang tính linh động, di động và dễ dàng được tích hợp trong mạng lưới cảm biến. Thống kê cho thấy, những nghiên cứu gần đây tập trung vào tín hiệu đầu ra của các cảm biến bức xạ hồng ngoại để xác định gần đúng vị trí, hướng và tốc độ chuyển động của nguồn nhiệt, phụ thuộc vào đối tượng mục tiêu nguồn nhiệt và vị trí lắp đặt (trong nhà / ngoài trời). Tuy nhiên, những nghiên cứu đó chủ yếu tập trung vào các vấn đề phát hiện sự xuất hiện của nguồn nhiệt, phát hiện hướng di chuyển của nguồn nhiệt. Có rất ít nghiên cứu quan tâm đến việc ước lượng tốc độ di chuyển và đưa ra các phân tích đánh giá độ chính xác của phép đo. Do đó, bài toán xác định vận tốc chuyển động của nguồn nhiệt bằng tín hiệu bức xạ hồng ngoại vẫn cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu nhằm nâng cao độ chính xác đo lường sử dụng cảm biến hồng ngoại. 1
Trong một số nghiên cứu gần đây, các cấu trúc và các thông số của hệ thống quang học (bao gồm thấu kính và cảm biến) đã được đề xuất, cùng với nhiều giải pháp lắp đặt cảm biến trong các ứng dụng khác nhau. Các nghiên cứu cũng cung cấp các thuật toán xử lý tín hiệu bức xạ hồng ngoại thu nhận từ cảm biến được lắp đặt trong môi trường hoạt động thực tế. Trên cơ sở đó, luận án đã tổng hợp, phân tích, kế thừa các kết quả nghiên cứu trên thế giới, đề ra giải pháp khắc phục các tồn tại mà hướng nghiên cứu đo vận tốc sử dụng cảm biến hồng ngoại chưa đề cập tới, sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường cũng như cải tiến hệ thống cơ khí lắp đặt cảm biến để đạt được mục tiêu: ―Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại‖. 2. Mục tiêu của luận án: Mục tiêu của đề tài luận án nhằm đưa ra các giải pháp để nâng cao độ chính xác đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại, bao gồm: Thứ nhất, luận án cần đưa ra các phân tích nguyên lý hoạt động và ứng dụng hệ thống quang học với cảm biến bức xạ hồng ngoại pyroelectric (PIR) vào việc thu nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại từ các nguồn nhiệt trong tự nhiên (máy móc, phương tiện giao thông, con người, v.v.) để làm thông tin và đưa ra kết quả đo vận tốc di chuyển của các đối tượng nguồn nhiệt này. Thứ hai, luận án cung cấp giải pháp xử lý hai bài toán về các yếu tố ảnh hưởng chính đến hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại PIR: (1) Độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến PIR và (2) Xác định thời gian trễ dựa trên hai chuỗi thời gian là hai tín hiệu đầu ra của hai cảm biến. Thứ ba, luận án cung cấp các phương pháp, mô hình toán học và các thuật toán để xử lý các bài toán nêu trên và đưa các phân tích độ không đảm bảo đo của hệ thống thông qua các phương pháp, mô hình toán học và các thuật toán này. 3. Nội dung nghiên cứu. - Nội dung 1: Nghiên cứu xây dựng hệ quang-điện tử là các mô-đun cảm biến hồng ngoại thụ động phục vụ cho việc đo vận tốc đối tượng nguồn nhiệt. 2
- Nội dung 2: Nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo, đặc biệt là việc đảm bảo độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến hồng ngoại. - Nội dung 3: Nghiên cứu các phương pháp, mô hình toán học để giải quyết bài toán xác định vận tốc nguồn nhiệt thông qua xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra của hai mô-đun cảm biến. 4. Đối tƣợng nghiên cứu. Hệ thống đo lường vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại thụ động – cảm biến hồng ngoại pyroelectric. Các nguồn nhiệt hướng đến trong ứng dụng thực tế: phương tiện giao thông, con người, v.v. Các đại lượng, yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác đo vận tốc di chuyển bằng nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại cũng được đề cập và nghiên cứu. 5. Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu trong nước và ngoài nước về đo vận tốc di chuyển bằng nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại, tác giả tiến hành phân tích, đánh giá các nội dung còn tồn tại để nghiên cứu giải pháp khắc phục. Theo đó, tác giả xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo vận tốc di chuyển bằng nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đã phân tích và xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng nhất đến độ chính xác đo vận tốc di chuyển bằng nguồn nhiệt bức xạ hồng ngoại. Bên cạnh đó, luận án đã đưa ra phương pháp căn chỉnh hệ thống quang học cho mô- đun cảm biến hồng ngoại PIR. Luận án cũng đưa ra các đánh giá về độ chính xác của việc ứng dụng các thuật toán xử lý dữ liệu áp dụng trong bài toán cụ thể đối với hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng cảm biến hồng ngoại PIR. Các kết quả nghiên cứu này là cơ sở khoa học cho việc chế tạo hệ thống đo vận tốc sử dụng cảm biến hồng ngoại, đồng thời là nguồn tài liệu học thuật cho những nghiên cứu tiếp theo. 3
7. Những đóng góp mới của luận án Những điểm mới của luận án được đề cập dưới đây chưa được thể hiện trong bất kỳ công bố khoa học nào khác Thứ nhất, luận án xây dựng được hệ thống thực nghiệm đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại với cấu tạo từ hai mô-đun cảm biến Pyroelectric và đề cập hai bài toán liên quan đến hai yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả phép đo: (1) Độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun cảm biến và (2) độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra theo thời gian của hai mô-đun cảm biến. Thứ hai, luận án thiết lập phương pháp xác định vị trí quang trục của mô-đun cảm biến PIR dựa trên nguồn nhiệt tiêu chuẩn được điều biến – nhằm xác định độ song song giữa hai quang trục của hai mô-đun và các phân tích liên quan đến độ không đảm bảo đo và độ phân giải của phép đo. Trong điều kiện một số yếu tố được lý tưởng hóa, với các mô-đun cảm biến được chế tạo, phép đo vị trí quang trục của mô-đun cảm biến hồng ngoại có thể đạt 0,0175o khi nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt tiêu chuẩn là 50 oC. Theo đó, với các thiết bị được xây dựng trong thực tế, phép đo vị trí quang trục của mô-đun cảm biến hồng ngoại có thể đạt đến độ phân giải 0,02 o. Thứ ba, luận án đã phát triển và áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu ngẫu nhiên để giải quyết bài toán xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra theo thời gian của hai mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR, để từ đó xác định được vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển. Kết quả đo đạc thực tế cho thấy, với nguồn nhiệt di chuyển ở khoảng cách 5 m ÷ 10 m so với vị trí cài đặt hệ đo trong dải vận tốc 20 km/h ÷ 100 km/h có sai lệch đạt tới 3,5% so với kết quả đo khi sử dụng phương pháp đo tham chiếu khác - sử dụng thiết bị ghi hình. 8. Cấu trúc luận án Luận án được chia thành 4 chương và phần kết luận với các nội dung chính được tóm tắt như sau: Chương 1. Tổng quan về đo vận tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại. Trong chương này, tác giả đề cập đến bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại và các nghiên cứu liên quan, để từ đó phân tích những kết quả đã đạt được nhằm tiếp tục kế thừa, cũng như chỉ ra các điểm chưa được đề cập 4
để làm cơ sở không gian nghiên cứu. Theo đó, tác giả cung cấp mô tả ban đầu về hệ thống đo, bao gồm nguyên lý đo, các yếu tố cấu thành hệ thống đo, các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ chính xác hệ thống đo, để hình thành các bài toán cụ thể cho nghiên cứu. Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại. Chương này trình bày các lý thuyết phục vụ cho việc giải quyết bài toán được đề xuất: Lý thuyết liên quan bức xạ hồng ngoại, cảm biến hồng ngoại PIR, thấu kính cho cảm biến hồng ngoại; và các lý thuyết liên quan đến tín hiệu ngẫu nhiên – là đặc trưng cho tín hiệu của cảm biến PIR. Các lý thuyết được đưa ra trong chương này là những lý thuyết liên quan trực tiếp đến việc xây dựng phương pháp, mô hình toán học được đề cập trong chương 3. Chương 3. Các phương pháp nâng cao độ chính xác trong phép đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại. Trong chương này, các phương pháp nghiên cứu để giải quyết các bài toán chính của nghiên cứu phục vụ cho việc xây dựng, căn chỉnh và xử lý dữ liệu cho hệ thống đo, được đề xuất. Theo đó, tác giả đã cung cấp các lý luận phân tích nhằm đưa ra các mô hình toán học và các công thức đánh giá cho các phương pháp được đề xuất. Đây là chương hàm chứa các nội dung liên quan đến các cơ sở khoa học chính mà luận án đóng góp. Chương 4. Tính toán thực nghiệm. Chương này cung cấp các tính toán liên quan đến thiết kế hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt. Đặc biệt, trong chương này, các kết quả tính toán liên quan đến việc áp dụng các phương pháp, mô hình toán học và thuật toán xử lý dữ liệu đo ở chương 3 vào hệ thống đo được thiết kế chế tạo, nhằm đưa ra các kết quả đánh giá liên quan đến mục đích nghiên cứu của luân án. Kết luận. Chương này tổng kết, đánh giá các kết quả đã đạt được. Bên cạnh đó, các đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng cũng được trình bày trong chương này. 5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.1 Bài toán đo vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại và các nghiên cứu liên quan Giám sát chuyển động của nguồn nhiệt bằng thông tin của tín hiệu bức xạ hồng ngoại được áp dụng các môi trường kháu nhau (trong nhà và ngoài trời), trong các điều kiện thời tiết khác nhau (ngày và đêm). Việc sử dụng cảm biến hồng ngoại trong các ứng dụng này có thể dẫn đến việc giảm chi phí thiết lập hệ thống theo dõi (thay thế cho các hệ thống camera và các loại cảm biến khác) và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ mà thiết bị yêu cầu cho việc tính toán. Các hệ thống được cài đặt cảm biến bức xạ hồng ngoại thụ động sẽ được định hướng là các thiết bị có tính di động cao và dễ dàng tích hợp trong các mạng cảm biến. Một lĩnh vực mà ứng dụng các cảm biến bức xạ hồng ngoại có thể kể đến là trong việc giám sát và xác định vận tốc của các phương tiện giao thông. Tổng quan, trong lĩnh vực này, các công nghệ giám sát phương tiện giao thông được chia thành hai nhóm chính: Công nghệ cảm biến tiếp xúc (intrusive technology) và công nghệ cảm biến không tiếp xúc (non-intrusive technology) [1] (Bảng 1.1). Theo đó, công nghệ sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại nằm trong nhóm thứ hai. ảng 1 Các công nghệ cảm biến ứng dụng trong giám sát và xác định vận tốc phương tiện giao thông Nhóm các công nghệ cảm biến tiếp xúc Nhóm các công nghệ cảm biến không tiếp xúc - Đường ống khí nén - Camera hình ảnh - Vòng cảm ứng - Camera hồng ngoại - Cáp áp điện - RADAR (RAdio Detection and - Cảm biến từ tính Ranging - Dò tìm và định vị bằng - Tấm cân chuyển động sóng vô tuyến). - Cảm biến áp điện - LIDAR (Laser Imaging, - Cảm biến tải trọng (Loadcell) Detection, and Ranging – Dò tìm - … và định vị bằng laser) - Cảm biến hồng ngoại thụ động - Cảm biến siêu âm - … 6
Mặc dù hiện nay có nhiều công nghệ cảm biến hiện đang được sử dụng để thu thập dữ liệu lưu lượng giao thông để xác định các tham số như vận tốc, lưu lượng, vị trí của đối tượng mục tiêu; mỗi một công nghệ lại có một số ưu điểm và nhược điểm riêng [1]. Ví dụ, cảm biến âm thanh đã được sử dụng để phân loại các phương tiện giao thông [2], [3] và xác định vận tốc di chuyển của phương tiện [4]. Công nghệ RADARvà LIDAR (bảng 1.1) được sử dụng để phát hiện và đo vận tốc của phương tiện giao thông [5], [6]. Tuy nhiên, các phương pháp vừa đề cập có thể không cho kết quả chính xác nếu hướng của của thiết bị đo không trùng với hướng của đối tượng di chuyển. Một số phương pháp phân loại phương tiện và xác định vận tốc của chúng khác dựa trên các thiết bị ghi hình thông thường [7] và thiết bị ghi hình hồng ngoại [8]. Nhược điểm của những thiết bị cảm biến hình ảnh này là chúng chịu ảnh hưởng tương đối lớn của điều kiện thời tiết và tầm nhìn của chúng thường bị hạn chế. Tiếp theo có thể kể đến, các công nghệ cảm biến tiếp xúc như các vòng cảm ứng [9], [10], cảm biến từ [11], cáp áp điện và ống khí nén, cũng được sử dụng để phát hiện và xác định vận tốc của phương tiện giao thông. Trong thực tế, việc triển khai các cảm biến này thường rất khó khăn, chi phí tốn kém cho việc triển khai và bảo trì, bởi các cảm biến cần được bố trí trên bề mặt di chuyển và tiếp xúc trực tiếp với đối tượng đo – phương tiện giao thông. Bên cạnh đó, một số công nghệ cảm biến giao thông cũng đang nhận được nhiều sự quan tâm là sử dụng chính các phương tiện làm cảm biến chuyển động [12] hoặc sử dụng các thiết bị hỗ trợ hệ thống định vị toàn cầu GPS như điện thoại thông minh [13]. Trong các hệ thống này, dữ liệu về vị trí được gửi đến một máy chủ trung tâm để xử lý thông qua mạng internet, tuy nhiên việc này có thể dẫn đến các vấn đề liên quan đến bảo mật cá nhân vì chúng có thể là mục tiêu của các cuộc tấn công mạng. Trong nhóm các công nghệ cảm biến không tiếp xúc phục vụ đo các tham số giao thông, cảm biến hồng ngoại thụ động cũng được sử dụng bởi đối tượng đo – phương tiện giao thông được coi là một nguồn nhiệt di động. Để phát hiện bức xạ hồng ngoại, cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên hiệu ứng photon và dựa trên hiệu ứng nhiệt [14]. Nhóm cảm biến hồng ngoại hoạt động theo hiệu ứng photon có độ nhạy cao hơn và thời gian đáp ứng nhanh - dưới 1 μs, tuy nhiên chúng làm việc ở dải quang phổ hạn chế và luôn cần thiết bị làm mát có chi phí cao đi kèm. Mặt khác, 7