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

Xác định chính xác chuyển động của nguồn nhiệt di động luôn là bài toán phức tạp. Nguồn nhiệt liên tục thay đổi vị trí trong không gian đo. Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh gây nhiễu loạn tín hiệu bức xạ. Biên dạng nhiệt của mục tiêu thường biến thiên không ngừng theo thời gian. Sự tán xạ khí quyển và phản xạ nền làm suy giảm cường độ tia hồng ngoại. Tín hiệu thu được thường chứa hàm lượng nhiễu ngẫu nhiên rất lớn. Các thiết bị đo thông thường khó phân biệt tín hiệu thực và nhiễu nền. Độ trễ đáp ứng của cảm biến làm biến dạng xung tín hiệu đầu ra. Hiện tượng này dẫn đến sai lệch nghiêm trọng khi tính toán vận tốc. Việc giải quyết các thách thức trên đòi hỏi giải pháp đo lường có tính đột phá về cấu trúc phần cứng.

Hệ thống camera nhiệt hồng ngoại thương mại hiện nay có khả năng ghi lại nhiệt ảnh hồng ngoại rất chi tiết. Dù vậy, thiết bị này bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi đo vận tốc chuyển động. Tốc độ khung hình của camera thường bị giới hạn ở mức tiêu chuẩn. Dung lượng dữ liệu điểm ảnh lớn gây trễ nghiêm trọng trong chu trình xử lý thời gian thực. Giá thành của các dòng máy quay nhiệt tốc độ cao vô cùng đắt đỏ. Khả năng tích hợp vào dây chuyền sản xuất công nghiệp bị hạn chế đáng kể. Việc trích xuất tọa độ nguồn nhiệt từ khung hình dễ phát sinh sai số hình học. Hiện tượng nhòe chuyển động trên ma trận cảm biến làm giảm độ sắc nét của vùng biên nhiệt. Do đó, kỹ thuật ghi hình nhiệt trực tiếp chưa phải là phương án tối ưu cho bài toán đo vận tốc.

Luận án phát triển cấu trúc đo lường mới sử dụng cặp mô-đun cảm biến nhiệt điện pyroelectric (PIR). Mỗi mô-đun được tích hợp thấu kính Fresnel chuyên dụng. Thấu kính giúp gom tụ năng lượng bức xạ hồng ngoại vào đúng phần tử cảm biến. Kiến trúc phần cứng này có tốc độ đáp ứng xung điện áp cực nhanh. Mạch tiền khuếch đại và lọc tích cực loại bỏ hiệu quả các thành phần nhiễu tần số cao. Hai mô-đun PIR được bố trí song song ở khoảng cách xác định. Khi nguồn nhiệt đi qua vùng thị trường, hai cảm biến sinh ra hai tín hiệu tương tự lệch pha. Thời gian trễ giữa hai tín hiệu phản ánh chính xác vận tốc di chuyển. Giải pháp này giúp đơn giản hóa cấu trúc hệ thống và hạ giá thành chế tạo. Độ chính xác của phép đo được nâng cao rõ rệt.

Quang phổ hồng ngoại trải dài qua nhiều dải bước sóng khác nhau từ cận hồng ngoại đến hồng ngoại xa. Bức xạ phát ra từ mục tiêu tuân theo định luật Planck và định luật Stefan-Boltzmann. Tuy nhiên, vật thể thực tế không phát xạ hoàn hảo như vật đen tuyệt đối. Hệ số phát xạ bề mặt đóng vai trò quyết định đến năng lượng bức xạ thực tế truyền tới cảm biến. Tham số này phụ thuộc vào bản chất vật liệu, độ nhám bề mặt và góc quan sát. Bức xạ nền của môi trường cũng tham gia vào phổ năng lượng tổng thể. Việc phân tích dải phổ nhạy của thấu kính Fresnel và cảm biến PIR giúp lọc bỏ bước sóng tạp tán. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được cải thiện đáng kể khi chọn đúng cửa sổ quang học.

Sự dịch chuyển của vật phát nhiệt tạo ra phân bố trường nhiệt động trong không gian ba chiều. Trường nhiệt này có đường đẳng nhiệt kéo dài về phía sau hướng di chuyển. Gradient nhiệt độ tại vùng biên nguồn nhiệt quyết định độ dốc xung tín hiệu đầu ra. Mô hình toán học mô tả mối liên hệ giữa vận tốc nguồn và tốc độ biến thiên thông lượng nhiệt. Trường thị giác của mỗi mô-đun cảm biến được định hình cụ thể qua thấu kính quang học. Khi vùng phân bố nhiệt cắt ngang qua các búp sóng thu của thấu kính, cảm biến tạo ra chuỗi xung dao động đặc trưng. Việc mô hình hóa chính xác hàm truyền quang học giúp dự đoán trước dạng sóng tín hiệu đo. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý dữ liệu sau đó.

Xác định vận tốc và thông số nguồn nhiệt từ tín hiệu cảm biến là bài toán truyền nhiệt ngược điển hình. Bài toán này vốn có tính chất không chỉnh và rất nhạy cảm với sai số đo. Nhiễu trong tín hiệu đo có thể gây ra sai lệch lớn trong kết quả ước lượng. Luận án áp dụng các kỹ thuật ổn định hóa để giải phương trình truyền nhiệt ngược. Phương pháp tái thiết tín hiệu giúp phục hồi chính xác thời điểm nguồn nhiệt đi qua trục quang học. Thuật toán tối ưu hóa khử bỏ hiện tượng méo dạng tín hiệu do hằng số thời gian của cảm biến. Nhờ đó, vị trí đỉnh xung nhiệt được định vị chuẩn xác trên trục thời gian. Bài toán ước lượng vận tốc đạt được tính hội tụ cao và độ ổn định tin cậy.

Sự lệch góc giữa hai quang trục của cặp cảm biến PIR là nguyên nhân chính gây sai số cự ly đo. Để khắc phục, nghiên cứu đề xuất hệ thống gá đặt vi chỉnh cơ khí chính xác cao. Nguồn nhiệt tham chiếu chuẩn được điều biến xung nhiệt độ ở tần số xác định. Nguồn nhiệt này quét tịnh tiến ngang qua trường nhìn của từng mô-đun cảm biến. Tín hiệu phản hồi điện áp được ghi nhận để xác định chính xác tâm quang học thực tế. Độ không đảm bảo đo vị trí quang trục được tính toán theo tiêu chuẩn quốc tế. Sau khi căn chỉnh, độ lệch song song giữa hai trục quang học giảm xuống mức không đáng kể. Quá trình hiệu chuẩn này loại bỏ hoàn toàn sai số hình học trong công thức tính vận tốc.

Tín hiệu thu nhận từ mô-đun PIR có đặc tính ngẫu nhiên do ảnh hưởng từ dao động nhiệt môi trường. Luận án áp dụng thuật toán theo dõi nguồn nhiệt dựa trên lý thuyết xác suất thống kê. Dữ liệu thô được đưa qua bộ lọc thông dải thích nghi để loại trừ trôi điểm không và nhiễu tần số cao. Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất được sử dụng để đánh giá tính dừng của tín hiệu. Thuật toán tự động nhận dạng thời điểm xuất hiện của nguồn nhiệt trong trường quan sát. Các giá trị dị biệt do tia bức xạ phản xạ đột ngột bị loại bỏ hoàn toàn. Nhờ việc tiền xử lý tín hiệu ngẫu nhiên chuẩn xác, hình dạng xung nhiệt được bảo toàn nguyên vẹn cho bước ước lượng độ trễ.

Phương pháp tương quan chéo cổ điển thường gặp khó khăn khi tín hiệu bị suy giảm biên độ hoặc méo dạng. Nghiên cứu đưa ra giải pháp kết hợp hàm tương quan chéo với biến đổi Hilbert. Biến đổi Hilbert giúp trích xuất đường bao biên độ tức thời của hai chuỗi tín hiệu. Đỉnh của hàm tương quan đường bao phản ánh trực tiếp thời gian trễ thực giữa hai cảm biến. Ngoài ra, biến đổi Fourier nhanh (FFT) được tích hợp để thực hiện tính toán tương quan trong miền tần số. Giải thuật này nâng cao tốc độ xử lý dữ liệu lên gấp nhiều lần. Sai số làm tròn và hiệu ứng rời rạc hóa thời gian lấy mẫu được giảm thiểu tối đa. Độ trễ tín hiệu được xác định với độ phân giải siêu nhỏ dưới mili-giây.

Thực nghiệm kiểm chuẩn quang trục được tiến hành trên băng thử quang học chuyên dụng. Nguồn nhiệt chuẩn điều biến tạo ra dòng xung nhiệt ổn định ở khoảng cách thiết lập sẵn. Mô-đun cảm biến PIR được dịch chuyển từng bước nhỏ với độ phân giải hiển vi. Đồ thị đáp ứng điện áp theo vị trí không gian được ghi nhận tự động. Vị trí cực đại của đường cong đáp ứng xác định chính xác quang trục thực của mô-đun. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ không đảm bảo đo góc lệch quang trục đạt mức rất nhỏ dưới 0.05 độ. Băng gá thử nghiệm chứng minh độ lặp lại cao qua hàng loạt lần lặp lại phép đo. Việc kiểm chuẩn thành công tạo tiền đề vững chắc cho các bài đo vận tốc động sau đó.

Để có cơ sở đối chứng độc lập, kỹ thuật xử lý ảnh nhiệt chuyên sâu được áp dụng song song. Camera nhiệt ghi lại toàn bộ chuỗi khung hình bức xạ của nguồn nhiệt di động. Thuật toán thị giác máy tính trích xuất tâm hình học của vùng nhiệt độ cao nhất trên từng ảnh. Vận tốc đối chứng được tính toán trực tiếp từ quãng đường dịch chuyển của tâm nhiệt theo thời gian thực. So sánh dữ liệu cho thấy tín hiệu từ hệ thống cảm biến PIR bám sát hoàn hảo quỹ đạo chuyển động của nguồn. Độ lệch giữa hai phương pháp đo luôn nằm trong giới hạn sai số cho phép. Tuy nhiên, hệ thống PIR tiêu tốn ít tài nguyên tính toán hơn nhiều so với việc phân tích chuỗi ảnh nhiệt liên tục.

Hệ thống thực hiện đo vận tốc với nhiều đối tượng nguồn nhiệt thực tế trong công nghiệp. Các nguồn nhiệt có hình dạng, kích thước và dải nhiệt độ bề mặt đa dạng từ 50°C đến hơn 500°C. Vận tốc di chuyển của nguồn nhiệt được khảo sát từ mức chậm 0.01 m/s đến mức nhanh 2.5 m/s. Phương pháp tương quan chéo Hilbert duy trì sai số tương đối của phép đo ở mức dưới 1.5% trên toàn dải đo. Độ không đảm bảo đo tổng hợp mở rộng đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật đo lường khắt khe. Hệ thống giữ vững độ tin cậy ngay cả khi môi trường xuất hiện rung động cơ học nhẹ và gió đối lưu. Điều này chứng minh tính ứng dụng cao của giải pháp trong môi trường thực tiễn.

Trong các công nghệ hàn tự động, cắt plasma hay nhiệt luyện bề mặt bằng laser, vận tốc di chuyển của đầu nhiệt quyết định trực tiếp cấu trúc vi mô mối hàn. Việc dịch chuyển quá nhanh làm giảm độ ngấu, trong khi dịch chuyển quá chậm gây cháy vật liệu. Hệ thống đo hồng ngoại cải tiến cho phép theo dõi liên tục vận tốc thực của vũng hàn và điểm hội tụ laser. Tín hiệu vận tốc được truyền phản hồi trực tiếp về bộ điều khiển robot công nghiệp để điều chỉnh tốc độ chạy dao tức thì. Nhờ đó, chất lượng mối hàn và độ đồng đều của bề mặt gia công được đảm bảo tối đa. Phương pháp hoạt động bền bỉ, không bị ảnh hưởng bởi khói bụi và hồ quang điện.

Công nghệ đo không tiếp xúc bằng cảm biến hồng ngoại thông minh đang tiếp tục được hoàn thiện theo hướng mạng cảm biến phân tán. Việc kết hợp nhiều cặp cảm biến PIR cho phép xác định không chỉ vận tốc mà cả vectơ hướng chuyển động và gia tốc của nguồn nhiệt. Tích hợp vi điều khiển nhúng chuyên dụng giúp thực thi các thuật toán biến đổi Hilbert và Fourier ngay tại đầu đo. Thiết bị hướng tới khả năng truyền dữ liệu không dây công nghiệp qua giao thức IoT. Hệ thống đo lường thế hệ mới sẽ đáp ứng hiệu quả các yêu cầu giám sát an toàn cháy nổ, giám sát vòng bi máy quay và kiểm soát dòng vật liệu nóng chảy trong nhà máy hiện đại.