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
TRƯỜNG 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

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2022


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Vũ Toàn Thắng

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Việc theo dõi chuyển động của các nguồn nhiệt (con người, động vật,
phương tiện giao thơng, v.v) bằng thơng 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 tốn. Đặc biệt, trong lĩnh vực giao thơng vận tải, bài tốn 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 – smart city, hệ thống kiểm sốt giao thơng 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 / ngồi 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 tốn 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.

3


Dựa trên cơ sở các vấn đề đã nêu, đề tài của luận án là “Nghiên cứu
nâng cao độ chính xác đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ
hồng ngoại”.
2. Mục tiêu của luận án
- 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.
- 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.
- Cung cấp các phương pháp, mơ hình tốn học và các thuật toán để xử
lý các bài toán nêu trên và đưa các phân tích độ khơng đảm bảo đo của hệ
thống thơng qua các phương pháp, mơ 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.
- 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, mơ hình tốn học để giải quyết
bài tốn xác định vận tốc nguồn nhiệt thông qua xác định độ trễ giữa hai tín
hiệu đầu ra của hai mơ-đun cảm biến.
4. Đối tượng 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 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, phương 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 mơ 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.
7. Những đóng góp mới của luận án
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 khơng đảm bảo đo và độ phân giải của phép đo.
Trong điều kiện một số yếu tố được lý tưởng hóa, với các mơ-đun cảm biến
được chế tạo, phép đo vị trí quang trục của mơ-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 mơ-đun cảm biến hồng ngoại có thể đạt đến độ phân giải 0,02 o.
Thứ ba, luận án phát triển và áp dụng các thuật tốn xử lý tín hiệu ngẫu
nhiên để giải quyết bài tốn 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 5 chương: Chương 1: Tổng quan về đo vận
tốc của nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ hồng ngoại; Chương 2: Cơ sở
lý thuyết xây dựng hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt di chuyển bằng bức xạ
hồng ngoại; Chương 3: Các giải pháp nâng cao độ chính xác trong phép đo
vận tốc nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại; Chương 4: Các tính tốn và
thực nghiệm; Kết luận.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO VẬN TỐC CỦA 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 thơng 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 bài tốn như vậy có thể dẫ 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 cho việc tính tốn.
Các hệ thống được cài đặt cảm biến bức xạ hồng ngoại thụ động sẽ được


định hướng là cac thiết bị có tính di động cao và dễ dàng tích hợp trong các
mạng cảm biến [1].
Trong nhiều cơng trình nghiên cứu, cảm biến PIR chủ yếu được sử dụng
cho các ứng dụng phát hiện và định vị. Trong nghiên cứu của Z. Zhang
[15], thuật toán cảnh báo với một ngưỡng tín hiệu khơng đổi được đề xuất
để phát hiện mục tiêu di chuyển bằng các phép đo của cảm biến PIR. Trong
nghiên cứu của B.Yang [17], các bộ phân lớp Naive Bayes được sử dụng để
phân tích các phép đo của một bộ cảm biến PIR với mục đích định vị con
người trong nhà. Yun và các cộng sự [19] cũng đã chỉ ra các đặc điểm của
tín hiệu đầu ra của cảm biến khi nguồn nhiệt (con người) đi qua vùng phát
hiện của cảm biến.

Một số nghiên cứu nhất định đã cung cấp những kết quả hữu ích về việc
cài đặt các hệ cảm biến và phân tích tín hiệu đầu ra của hệ cảm biến đó, để
xác định sự hiện diện của vật nóng cũng như vị trí của vật nóng trong một
khơng gian xác định. Đặc biệt một số nhóm đã đưa ra những phương pháp
tính tốn xác định vận tốc của nguồn nhiệt.
Tác giả nhận thấy rằng, vẫn tồn tại một khơng gian lớn cho việc nghiên
cứu các tính chất thơng tin đầu ra của các cảm biến hồng ngoại đối với đối
tượng nguồn nhiệt di chuyển, và cần nâng cao tính chính xác trong việc xác
định vận tốc nguồn nhiệt dựa trên các thông tin này.
1.2 Mô tả hệ thống đo
Hệ đo bao gồm hai (02) mô-đun cảm biến bức xạ hồng ngoại thụ động
đặt cách nhau một khoảng d cố định, và trục quang của hai mô-đun cảm
biến vuông góc với phương chuyển động của đối tượng nguồn nhiệt (hình
1.11). Trong nghiên cứu này “mơ-đun” cảm biến được dùng để chỉ hệ
quang học bao gồm cảm biến, thấu kính và bộ vỏ, nhằm phân biệt với cảm
biến nói riêng.


Hình 1.11 Mơ tả bố trí của hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt
Hệ thống áp dụng cho các nguồn nhiệt với bức xạ đặc trưng ở các bước
sóng 5 ÷ 14 µm – là dải bước sóng làm việc của cảm biến PIR và hệ quang
học được sử dụng trong nghiên cứu. Khi nguồn nhiệt đi qua trường nhìn
của các mơ-đun cảm biến, một tín hiệu điện áp đẩu ra của cảm biến xuất
hiện – thu được hai chuỗi thời gian tương ứng.
Việc xác định độ trễ giữa hai tín hiệu – được coi là khoảng thời gian
nguồn nhiệt đi qua hai trục quang của hai cảm biến, cho phép xác định vận
tốc của nguồn nhiệt với công thức: v=d/τ
(1.5), với d – là khoảng
cách của hai trục quang học của hai cảm biến; τ – độ trễ giữa hai tín hiệu
theo thời gian của hai mơ-đun cảm biến.

Tuy nhiên để đảm bảo độ chính xác của phép đo đại lượng vận tốc, một
số giả thiết sau được coi là đúng, mà vẫn khơng làm ảnh hưởng đến tính
ứng dụng của bài tốn:
(i) Vận tốc nguồn nhiệt khơng đổi khi di chuyển qua trường nhìn của các cảm
biến. Nguồn nhiệt di chuyển vng góc với hai trục quang của hai cảm
biến.
(ii)Góc FOV của hai mơ-đun cảm biến là như nhau. Các góc FOV được đề cập
ở đây là các góc khối.
(iii)
Hệ biến đổi tín hiệu cho hai mơ-đun cảm biến là như nhau.


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VẬN
TỐC NGUỒN NHIỆT DI CHUYỂN BẰNG BỨC XẠ HỒNG NGOẠI
Trong chương này, các cơ sở lý thuyết liên quan đến bài toán xác định
vận tốc vận tốc nguồn nhiệt và nâng cao tính chính xác trong phép đo này.
2.1. Các lý thuyết liên quan đến bức xạ hồng ngoại
Bức xạ vật đen được mơ tả bằng phương trình vật đen Planck:
(2.6)
(
)
( )
()
Bước sóng đỉnh của phát xạ cực đại đối với một nhiệt độ vật đen nhất
định được đưa ra bởi định luật Wien:
(2.7)
( )

( )

∫
(

[
)

]

(2.8)

Hình 2.3 Phổ phát xạ của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau
Đặc điểm không gian của đối tượng nguồn nhiệt và nền hồng ngoại
Trong khi định lượng bức xạ của đối tượng nguồn nhiệt là độ thoát M
như là một hàm của bước sóng, thì độ thốt cũng là một hàm của không
gian. Trong nghiên cứu này: Việc chia tỷ lệ của hàm M (λ , x, y) từ mặt
phẳng đối tượng sang mặt phẳng hình ảnh được thực hiện đơn giản bằng


cách giảm kích thước đối tượng theo tỷ lệ của độ dài tiêu cự cảm biến hiệu
quả với phạm vi mục tiêu M (λ, xR / f, y / f) .
2.2 Các thành phần trong hệ thống đo vận tốc nguồn nhiệt sử dụng
cảm biến PIR
Cảm biến PIR: cảm biến nhiệt phân mà quá trình chuyển đổi năng lượng
bức xạ thành tín hiệu điện của nó bao gồm ba giai đoạn. Đầu tiên là sự
chuyển đổi nhiệt của thông lượng Ф(t) đến bề mặt cảm biến thành sự thay
đổi của nhiệt độ vật liệu T(t); thứ hai, là sự chuyển đổi nhiệt / điện của sự
thay đổi nhiệt độ T (t) thành dòng điện của một nguồn dòng Ip (t); và thứ
ba, là sự biến đổi tín hiệu dịng điện Ip (t) thành hiệu điện thế V(t).
( )
(2.13)

( )
()
( )

( )

(2.14)
( )

(2.15)

Ở đây: Cth – nhiệt dung của phần tử cảm pyroelectric
Gth – độ dẫn nhiệt của phần tử cảm pyroelectric
η – hệ số hấp thụ bức xạ của cảm biến
C – điện dung tương đương cho mạch điện điện dung song song.
( ) – thông lượng bức xạ hồng ngoại của đối tượng nguồn nhiệt đến bề
mặt phần tử cảm
Theo đó, hàm truyền tương ứng đối với phần tử cảm pyroelectric được
xác định là:
( )
(2.16)
( ) ( )( )
Thấu kính Fresnel là một thấu kính Lồi Plano đã được thu gọn vào
chính nó để tạo thành một thấu kính phẳng vẫn giữ được các đặc tính quang
học nhưng mỏng hơn nhiều và do đó ít bị mất hấp thụ hơn.


Hình 2.7 Thấu kính lồi Plano so với Thấu kính Fresnel
2.3. Các lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên cơ bản và bài toán xác định thời
gian trễ

Xét một cách tổng qt hóa, bài tồn xác định vận tốc di chuyển thằng
dựa trên thời gian đối tượng di chuyển qua hai mốc tham chiếu (là hai điểm
hoặc hai đường thẳng), và vận tốc được tính bằng thương số khoảng cách
giữa hai mốc tham chiếu và thời gian đó. Trong bài tốn của chúng ta, hai
mốc tham chiếu là trục quang học của các cảm biến; thời gian di chuyển
của đối tượng được xác định qua thời gian trễ giữa hai tín hiệu time series
thu được từ hai cảm biến đó. Các lý thuyết liên quan đến tín hiệu ngẫu
nhiên được đề cập với mục địch mơ hình hóa tín hiệu của cảm biến PIR
theo sắc xuất thống kê, để phục vụ việc phân tích độ khơng đảm bảo đo của
hệ thống
Xét hai quá trình ngẫu nhiên tùy ý {xk (t)} và {yk(t)}. Đại lượng thống
kê đầu tiên được quan tâm là giá trị trung bình tổng hợp tại các giá trị cố định
tùy ý của t, trong đó xk (t) và yk (t) là các biến ngẫu nhiên trên chỉ số k.
( )( ) ∫ ( )

(2.28)

(2.29)
( )( ) ∫ ( )
Ở đây – ký hiệu hàm giá trị kỳ vọng của một đại lượng ngẫu nhiên.
Đại lượng thống kê tiếp theo được quan tâm là hàm hiệp phương sai
(covariance) tại các giá trị cố định tùy ý của t1 = t và t2 = t + τ.


( ) [( ( ) ( ))
(2.30)

( ( ) ( ))]
( ) *( ( ) ( ))
(

))+

(

)

Trong trường hợp τ=0:
( ) *( ( ) ( )) + ( )

(

(2.32)

(2.33)
(2.34)

( ) [( ( ) ( )) ] ( )
( ) ( ( ) ( )) ( ( ) ( )]

(2.35)

()
Xét với các quá trình ngẫu nhiên dừng {xk(t)} và {yk(t)}, các hàm tự
tương quan và hàm tương quan chéo của hai quá trình này được định nghĩa
bởi:
( )( )( )( )
(2.36)
( )( )( )( )
(2.37)
( )( )( )( )

(2.38)

Chương 3. CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG
PHÉP ĐO VẬN TỐC NGUỒN NHIỆT BẰNG BỨC XẠ HỒNG
NGOẠI
3.1. Phân tích sai số và độ không đảm bảo đo của hệ thống đo vận tốc
nguồn nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại
Đại lượng vận tốc v được xác định gián tiếp qua hai đại lượng d và τ, theo
đó độ khơng đảm bảo đo đối với đại lượng v là độ không đảm bảo đo kết hợp
từ độ không đảm bảo đo của hai đại lượng d và τ [41].
( )

()

( )
( )

( )( )
()

(3.3)



Từ phương trình (3.3), có thể thấy sự phụ thuộc của độ không đảm bảo
đo uc(v) vào u(d) và u(Δt). Theo đó, nghiên cứu tập trung giải quyết hai vấn
đề lớn sau đây:
Bài toán 1 Đảm bảo độ song song của hai trục quang của hai mơ-đun
cảm biến, theo đó, khoảng cách d được bảo toàn trong khoảng giá trị cho

phép của khoảng cách đối tượng nguồn nhiệt đến hệ cảm biến.
Bài toán 2: Giải quyết bài toán xác định độ trễ giữa hai tín hiệu đầu ra
theo thời gian của hai mơ-đun cảm biến PIR, trong điều kiện có nhiễu.
3.2. Giải pháp xác định và hiệu chỉnh độ song song hai quang trục của hai
mô-đun cảm biến PIR
Độ song song giữa hai trục quang của hai mô-đun cảm biến đóng vai trị
quan trọng trong độ chính xác kết quả đo vận tốc của nguồn nhiệt. Theo
hình 1.1, giả sử d = 1m, L = 10 m, để đảm bảo sai số phép đo khơng vượt
q 5% thì điều kiện cần đối với sai lệch độ song song của hai trục quang
là: ( ) ( )
Mặt khác, việc căn chỉnh độ song song giữa hai trục quang của hai môđun cảm biến PIR vấp phải nhiều khó khăn. Một số khó khăn tiêu biểu
được trình bày dưới đây:
- Việc gia công vỏ cho các mô-đun và việc lắp đặt các thành phần trong hệ
quang học khó tránh khỏi các sai lệch vị trị giữa các bề mặt.
- Cảm biến PIR và hệ quang học (thấu kính Fresnel) hoạt động với bức xạ
hồng ngoại ở dải bước sóng dài 5 µm ÷ 14 µm và tín hiệu đầu ra của mơđun cảm biến là tín hiệu điện áp theo thời gian, thay vì là hình ảnh.
- Điều kiện hạn chế về mặt thiết bị trong nước cũng như sự hạn chế của các
tài liệu và các nghiên cứu trước đây liên quan đến việc căn chỉnh hệ quang
học và xác định quang trục cho cảm biến bức xạ hồng ngoại PIR.
Để vượt qua các khó khăn này, tác giả đề xuất việc căn chỉnh độ song
song của hai mô-đun cảm biến dựa trên các giả thiết như sau:
- Giả thiết 1: Coi mô-đun cảm biến là một thể thống nhất hệ thống quang học
(bao gồm cảm biến và thấu kính Fresnel). Theo đó, sai lệch vị trí


quang trục của từng mô-đun cảm biến PIR so với trục cơ học của nó sẽ
được xem xét, từ đó rút ra độ song song giữa hai quang trục của hai mơ-đun
cảm biến và căn chỉnh nó.
- Giả thiết 2: Coi trường nhìn của hai mơ-đun cảm biến là như nhau.
Sơ đồ bố trí hệ thí nghiệm vị trí tương đối của mô-đun cảm biến với đối

tượng nguồn nhiệt chuẩn được mơ tả trong hình (3.5).

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo vị trí quang trục của mơ-đun cảm biến
PIR so với nguồn nhiệt tham chiếu.
Với điều kiện bố trí và điều kiện thực hiện thí nghiệm được nêu dưới
đây:
- Bề mặt nguồn nhiệt vật đen, bề mặt màn trập và lỗ kim –pinhole là song
song nhau, theo đó bức xạ chiếu qua lỗ kim là đối xứng qua đường thẳng
xun tâm pinhole vng góc với các bề mặt này.
- Màn trập được điều khiển đóng mở với tần số không đổi, nhằm làm thay
đổi thông lượng bức xạ đến cảm biến theo thời gian.
Thông lượng bức xạ tới của mỗi phần tử cảm biến được tính là:
( () ())
(3.6)

Độ nhạy của hệ thống đo được xác định là:


||

| ( ) ( )|
√(

)(

)

(3.15)

(

)
(
)
với K(ωm) – hệ số phụ thuộc vào tần số điều biến, Q(Ts,Tb) – hệ số phụ
thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt và nền (môi trường).
(
)
√( )( )
( ) | ( ) ( )|
Vị trí góc của trục quang học của mơ-đun cảm biến PIR là vị trí tại đó
mật độ phổ cơng suất (PSD-Power Spectral Density) của tín hiệu đầu ra đạt
cực tiểu.
(3.18)
( )
( )
∫
Dựa trên các phân tích về ảnh hưởng độ lệch trục quang học đến thông
lượng hồng ngoại đến các phần tử cảm của cảm biến PIR, nghiên cứu đưa
ra đánh giá về độ không đảm bảo đo đối với góc lệch trong phương án này
là:
(3.29)
( ̂ )
() ()


Hình 3.6 Mơ tả hình học về ảnh hưởng của độ lệch trục quang học của môđun cảm biến PIR


Theo đó, trong cơng thức (3.29), các thành phần tham gia ảnh hưởng
đến giá trị độ không đảm bảo đo của ̂ bao gồm:

- Hệ số Q(Ts, Tb) –phụ thuộc giữa chênh lệch thông lượng bức xạ hồng ngoại
và bề mặt nguồn nhiệt trong trường nhìn của các phần tử cảm PIR, hay cụ
thể hơn là phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt nguồn nhiệt Ts và nhiệt độ nền Tb.
Về mặt giá trị, hệ số này còn phụ thuộc vào tiết diện của thấu kính Al, tiêu
cự f và kích thước cao he của phần tử cảm (xem hình 3.6, công thức (3.14)).
Giá trị Q(Ts, Tb) càng lớn dẫn đến ( ̂ ) càng nhỏ.
- Hệ số K(ωm) – sự phụ thuộc giữa biên độ tín hiệu điện áp đầu ra so với
thông lượng bức xạ theo tần số điều biến ωm. Theo công thức (3.14), giá trị
K(ωm) phụ thuộc vào việc lựa chọn tần số điều biến ω và hệ số khuếch đại
Ka của mạch biến đổi tín hiệu của mô-đun cảm biến PIR. Giá trị K(ωm) càng
lớn dẫn đến ( ̂ ) càng nhỏ. Như đã đề cập ở trên, việc tăng giá trị hệ số
khuếch đại Ka của mạch biến đổi tín hiệu khơng đạt hiệu quả trong thực

tế,vì nó dẫn đến việc tăng giá trị nhiễu, hay giá trị trong công thức (3.29,
3.30). Mặt khác, theo cơng thức (3.14), giá trị K(ωm) có thể thay đổi theo
ωm, và ωm tối ưu trong trường hợp này được xác định theo giá trị các thông
số thời gian liên quan đến tính chất cảm biến PIR, τth và τe, và bằng:
√
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
Hãy xem xét mơ hình tốn học dưới đây đối với hai tín hiệu đầu ra của
hai mô-đun cảm biến PIR:
(3.32)
( ) ( )( )
{ ( ) ()( )


trong đó, r1 (t), r2 (t) là tín hiệu đầu ra kỹ thuật số của hai mơ-đun cảm biến
PIR có nhiễu; s(t) – tín hiệu đầu ra khơng nhiễu; q1(t), q2(t) tín hiệu nhiễu.
Khơng mất tính tổng qt, các tín hiệu s(t), q1(t), q2(t) là các quá trình ngẫu

nhiên dừng, với giá trị trung bình bằng 0 và có các phương sai tương ứng:
σs, σq1, σq2; và các quá trình ngẫu nhiên này là độc lập với nhau.
Bài toán của chúng ta là yêu cầu xác định thời gian trễ τ0 dựa trên giá trị
quá trình r1(t)và r2(t).
Phương pháp tương quan chéo cổ điển
Thời gian trễ ước lượng được xác định là tham số để hàm tương quan
( ̃ ) đạt giá trị cực đại.
chéo
Theo các phân tích dựa trên các lý thuyết dữ liệu ngẫu nhiên, độ lệch
chuẩn của đại lượng thời gian trễ ước lượng theo phương pháp tương quan
chéo cổ điển được xác định là:
√

( )

[(

)]

(3.54)

Phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert
Biến đổi Hilbert áp dụng cho một tín hiệu thực x(t) đưa ra một tín hiệu
thực (̃ ) theo định nghĩa:
( )
(3.5
( )
( )

̃
∫
5)
Khi xác định độ trễ thời gian vận chuyển s0, vị trí tối đa của hàm tương
quan chéo CCF được thay thế bằng vị trí mà hàm tương quan chéo kết hợp
( ) đi qua qua giá trị 0.
biến đổi Hilbert CCFHT ̃
Độ lệch chuẩn của đại lượng thời gian trễ ước lượng theo phương pháp
tương quan chéo kết hợp biến đổi Hilbert được xác định là:
(

)

( )

(3.7
2)

Độ khơng đảm bảo đo thời gian trễ giữa hai tín hiệu phụ thuộc vào các
yếu tố sau:


- Dải tần làm việc B của mô-đun cảm biến hồng ngoại PIR.
- Giá trị Ntotal – Thể hiện độ rộng tín hiệu được quan sát và tần số lấy mẫu của
hệ thống.
- Giá trị SNR – tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu của từn mô-đun cảm biến hồng ngoại
PIR.
Chương 4. CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ THỰC NGHIỆM
Trong chương này, các tính tốn liên quan đến độ khơng đảm bảo đo của
hệ thống liên quan đến các phương pháp và các phân tích trong chương 3

được thực hiện. các tính tốn này được thực hiện dựa trên các thơng số của
thiết kế hệ quang học cảm biến hồng ngoại PIR, thiết kế hệ thống đo, hệ
thống hiệu chuẩn, v.v.
4.1 Tính tốn thiết kế hệ thống xác định vị trí quang trục của mô-đun cảm
biến PIR
Bảng 4.1. Thông số của mô-đun cảm biến PIR
Thơng số
Giá trị
Đơn vị
Kích thước phần tử cảm, he x we
2×1
mm × mm
Khoảng trống giữa hai phần tử
1
mm
cảm, wg
Hằng số thời gian nhiệt, τTh
0.5
s
Hằng số thời gian điện, τe
0.08
s
Khuếch đại của cảm biến, Kd
2200
V∙s/W
Khuếch đại của mạch biến đổi, Ka
20
Đường kính thấu kính, D
50
mm

Tiêu cự, f
50.9
mm
Kích thước lỗ kim, HP x WP
45 × 45
mm × mm
Khoảng cách, R
850
mm
Dải bc súng lm vic, 1 ữ 2
5 ữ 12
àm
phỏt xạ của nguồn nhiệt, ε
1
Độ suy giảm cho khí quyển, η
1
Độ truyền của thấu kính, τ
0.55
Nhiệt độ nền, Tb
298
K
Độ khơng đảm bảo đo của phương pháp xác định vị trí góc quang trục
của mơ-đun được mơ tả trong mục 3.2.


Các thành phần K(ωm), Q(Ts, Tb) trong công thức (3.29) có thể xác định
bằng cơng thức tốn học dựa trên các thơng số trong bảng 4.1. Thành phần
cịn lại trong công thức (3.29) thể hiện thành phần nhiễu n(t) của tín
hiệu đầu ra mơ-đun cảm biến PIR. Nguồn gây ra tín hiệu nhiễu n(t) có được
kể đến như: nhiễu do nhiệt độ hoặc bức xạ, nhiễu Johnson tương ứng trở

kháng shunt, nhiễu bộ khuếch đại và nhiễu nguồn nuôi, v.v. Việc khảo sát
rời rạc các yếu tố này cho độ lớn n(t) sẽ khiến cơng việc trở nên khó khăn
và khó giải quyết trong điều kiện thí nghiệm sẵn có. Vì vậy, trong nghiên
cứu, việc xác đinh độ lớn σn bằng cách tiếp cận thống kê. Giá trị σn được
xác định thơng qua một khoảng quan sát tín hiệu điện áp đầu ra của mơ-đun
cảm biến khi khơng có đối tượng nguồn nhiệt đầu vào trong một khoảng
thời gian xác định.
Khi đó ước tính thống kê của σn được xác định bằng:

̂

√

∑

(

)

(

)

Với hai mô-đun cảm biến phương sai nhiễu được xác định bằng:
̂
̂
Sử dụng công thức (4.7), với các điều kiện sau:
- Tần số điều biến màn chập f=0,8 Hz tương ứng ω = 5,.0265 Hz
- Nhiệt độ bề mặt vật đen Tbl = 50 0C (tương ứng 323 K) hoặc 200 0C (tương
ứng 473 K). Nhiệt độ nền ở giá trị nhiệt độ phòng tiêu chuẩn Tbk = 20 0C.

Độ khơng đảm bảo đo vị trí góc của mơ-đun cảm biến PIR từ công thức
(3.29) được thể hiện ở bảng 4.2
Bảng 4.2 Độ khơng đảm bảo đo vị trí góc của mơ-đun cảm biến PIR
Tbl = 50 oC
Tbl = 200 oC
( ̂ )=
( ̂
( ̂ )=
( ̂ ) =
=
)
0,00027 rad = 0,000305 rad = 0,2177 x 10-4
0,2449 x 10-4


0,0155 o
0,0175 o
rad = 0,0012 o
rad = 0,0014 o
Theo kết quả thu được bảng (4.2), nếu nhiệt độ bề mặt vật đen càng lớn,
dẫn đến thông lượng bức xạ hồng ngoại đến các phần tử cảm của cảm biến


PIR càng lớn, làm cho độ không đảm bảo đo vị trí góc mơ-đun cảm biến
PIR càng nhỏ. Tuy nhiên, để đạt được mức cài đặt nhiệt độ Tbl = 200 oC yêu
cầu về chất lượng thiết bị cao, dẫn đến chi phí phục vụ cho thí nghiệm hao
tổn. Mặt khác, ngay với việc cài đặt nhiệt độ Tbl = 50 oC, kết quả tính tốn
với độ khơng đảm bảo đo cho hai mô-đun cảm biến PIR được chế tạo là
khả quan so với các phân tích ban đầu được đề cập đến trong mục 3.2. Khi
vị trí quang trục của các mô-đun cảm biến được xác định, và các mơ-đun

được hiệu chỉnh về vị trí tương ứng, theo cơng thức (3.31) độ song song
giữa hai quang trục của hai mô-đun được hiệu chỉnh với độ không đảm bảo
đo đạt 0,0234 o.
4.2 Thực nghiệm đo giá trị vận tốc
Bảng 4.3. Các thơng số cài đặt phục vụ tính tốn mơ phỏng SNR của môđun cảm biến PIR
o
Nhiệt độ môi trường nền, Tbk
30 C
Khoảng cách từ mục tiêu đến hệ 02
10 m
mô-đun cảm biến, L
Chiều dài của mục tiêu, W
5m
Dải vận tốc khảo sát
20 km/h ÷ 100
km/h
Nhận thấy rằng, độ lớn của biên độ tín hiệu mục tiêu và thời gian thể
hiện của tín hiệu mục tiêu phụ thuộc vào: vận tốc di chuyển của mục tiêu,
nhiệt độ chênh lệch giữa nhiệt độ bề mặt mục tiêu và nhiệt độ nền (hình
4.13)


Hình 4.17. 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 mơi trường khác nhau.
Theo đó, trong dải vận tốc đối tượng mục tiêu quan tâm, giá trị SNR
càng thấp khi vận tốc nguồn nhiệt di chuyển càng lớn. Xét trường hợp
chênh lệch nhiệt độ ΔT = 3 oC, SNR90 = 2,76. Độ không đảm bảo đo cho
việc ước lượng thời gian trễ xác định theo phương pháp tương quan chéo
cổ điển (mục 3.3.1) và phương pháp tương quan chéo kết hợp biến đổi

Hilbert (mục 3.3.2) phụ thuộc vào vận tốc đối tượng nguồn nhiệt và theo
các tần số lấy mẫu.

Hình 4.20 So sánh độ khơng đảm bảo đo ước lượng thời gian trễ giữa
hai phương pháp.