Các hệ thống an ninh và an toàn trong cuộc sống

4.1. C¸c hÖ thèng an ninh vµ an toµn trong cuéc sèng. Marc Thuillard,Siemen,Cerberus,Mannedorf,Switzerland. 4.1.1 Giíi thiÖu chung. Ch­¬ng nµy miªu t¶ c¸c c¶m biÕn th«ng minh ®­îc sö dông trong lÜnh vùc an ninh vµ an toµn trong cuéc sèng."An toµn trong cuéc sèng" bao gåm b¸o ch¸y,b¸o hiÖu khÝ ga,c¸c hÖ thèng t¾t vµ s¬ t¸n."An ninh" liªn quan ®Õn b¸o hiÖu trém,kiÓm so¸t ra vµo vµ hÖ thèng CCTV. Ngay tõ ban ®Çu c¸c c¬ thÓ sèng ®· cÇn ®­îc c¶m thÊy tho¶i m¸i vµ an toµn.Trong khi c¸c mèi nguy hiÓm sinh ra tõ bèn nh©n tè c¬ b¶n cña khoa häc Hy L¹p cæ ®¹i lµ ®Êt,n­íc,kh«ng khÝ vµ löa,th× chÝnh con ng­êi l¹i cµng lµm cho c¸c mèi ®e do¹ ®ã t¨ng lªn.VÝ dô nh­ chiÕn tranh,thï hËn s¾c téc,chia rÏ ®¶ng ph¸i,c­íp bãc,x©m l­îc,khñng bè.Ngoµi ra cßn cã rÊt nhiÒu mèi ®e do¹ kh¸c n÷a. Ng­êi ta còng nhËn ra r»ng sù huy ®éng lùc l­îng phßng bÞ mét c¸ch kÞp thêi dùa vµo hÖ thèng b¸o hiÖu sím cã thÓ gi¶m nhÑ hoÆc thËm chÝ lo¹i bá ®­îc c¸c thiÖt h¹i.Vµo thêi kú cæ ®¹i,lÝnh canh lµ ng­êi gi÷ vai trß chñ ®¹o trong ph­¬ng thøc nµy.Theo thêi gian con ng­êi ngµy cµng chó träng vµo c¸c c«ng nghÖ ®Ó hç trî hoÆc thËm chÝ thay thÕ ng­êi lÝnh g¸c trong nhiÖm vô b¸o hiÖu sím.Ph¸t minh næi bËt nhÊt trong thêi kú cæ ®¹i lµ chiÕc ch×a kho¸,víi chøc n¨ng ng¨n chÆn nh÷ng cuéc th©m nhËp kh«ng mong muèn.Cho ®Õn ngµy nay nã vÉn ®­îc ph¸t triÓn trong c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t vµo ra hiÖn ®¹i. Cïng víi sù ra ®êi cña ®iÖn,hÖ thèng b¸o hiÖu sím ®Çu tiªn còng ®· xuÊt hiÖn.TÊt c¶ c¸c hÖ thèng ®Òu muèn ph¸t hiÖn ra mèi nguy hiÓm cµng sím cµng tèt.HÇu hÕt c¸c c«ng nghÖ ®Òu sö dông sù tiÕp xóc ®Ó kÝch thÝch ®ãng më ®ång hå b¸o hiÖu,vÝ dô nh­ khi mét tªn trém dÉm lªn hay b­íc qua mét sîi d©y c¨ng xung quanh mét dinh thù ®ang ®­îc b¶o vÖ. Sù ph¸t triÓn cña c¸c "c¶m biÕn" cã mét tiªu chuÈn chÆt chÏ trong thÕ giíi ®éng vËt.ChÝnh nh÷ng loµi vËt ®· cã nh÷ng hÖ thèng c¶m nhËn ®Ó ph¸t hiÖn nguy hiÓm(hoÆc thøc ¨n) mµ c«ng nghÖ hiÖn ®¹i còng kh«ng thÓ thùc hiÖn ®­îc.RÊt nhiÒu c¸c nguyªn lý t¹o nªn nÒn t¶ng cho sù ph¸t triÓn cña c¶m biÕn ®· ®­îc thùc hiÖn trong tù nhiªn.VÝ dô nh­ viÖc sö dông sãng siªu ©m cña d¬i,kh¶ n¨ng c¶m nhËn hång ngo¹i cña r¾n ®u«i chu«ng,vµ c¶ sù c¶m nhËn mïi vÞ vèn lµ b¶n n¨ng cña rÊt nhiÒu loµi vËt. Trong phÇn nµy chóng ta sÏ th¶o luËn vÒ nh÷ng c«ng nghÖ vµ nguyªn lý cña c¶m biÕn dµnh cho viÖc c¶nh b¸o sím c¸c t×nh huèng nguy hiÓm trong c¸c toµ nhµ,vÝ dô nh­ ho¶ ho¹n,rß rØ khÝ ga hay trém c¾p.Nh­ vËy chóng ta sÏ nãi ®Õn c¶m biÕn ch¸y,c¶m biÕn khÝ ga,c¶m biÕn vÒ sù x©m nhËp vµ c¶m biÕn ra vµo.Chóng ta cã thÓ ®Þnh nghÜa c¶m biÕn lµ mét thiÕt bÞ cã thÓ biÕn ®æi c¸c dÊu hiÖu cña nh÷ng t×nh huèng nguy hiÓm thµnh c¸c tÝn hiÖu cã thÓ ph©n tÝch ®­îc.C¸c m¸y dß t×m th­êng bao gåm c¸c bé c¶m biÕn,vµ chÝnh c¸c m¸y dß t×m sÏ xö lý th«ng tin cña nh÷ng bé c¶m biÕn nµy. Nh÷ng nguyªn t¾c vËt lý vµ ho¸ häc lµm nÒn t¶ng cho c¸c c¶m biÕn hiÖn ®¹i hÇu hÕt lµ dÔ hiÓu.Thö th¸ch chÝnh trong thiÕt kÕ m¸y dß t×m kh«ng ph¶i lµ t×m ra c¸c nguy hiÓm,mµ lµ viÖc ph¸t hiÖn vµ triÖt tiªu c¸c tÝn hiÖu vµo gi¶. Trong phÇn lín c¸c tr­êng hîp,mèi nguy hiÓm vµ c¸c hiÖn t­îng gi¶ lµ rÊt gièng nhau vµ cã thÓ cã chung mét nguån gèc.Mét m¸y dß t×m tèt ph¶i ph©n biÖt ®­îc c¸c ph©n tö khãi tõ mét ngän löa thËt víi nh÷ng h¹t bôi.Mét c¸i m¸y vi tÝnh cã thÓ t¹o ra sù dao ®éng nhiÖt ®é(Schlieren),vµ mét c¸i m¸y dß hång ngo¹i thô ®éng cã thÓ t­ëng nhÇm ®ã lµ mét tªn trém.Sù ph¶n x¹ ¸nh s¸ng mÆt trêi cã thÓ t¹o ra c¸c tÝn hiÖu gi¶ cho mét c¸i m¸y dß ¸nh s¸ng.C¸c nguån gi¶ cßn cã thÓ ¶nh h­ëng ®Õn c¸c m¸y dß ®Þa chÊn dïng ®Ó ph¸t hiÖn sù x©m nhËp tõ trªn m¸i,c¸c m¸y dß siªu ©m vµ vi sãng trong hÖ thèng b¸o hiÖu trém,vµ m¸y dß khÝ.Trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn ra vµo,cÇn ph¶i nhËn ra nh÷ng ng­êi cã quyÒn ra vµo trong mäi thêi ®iÓm vµ lo¹i bá nh÷ng ng­êi kh¸c.ViÖc nµy cÇn ®­îc thùc hiÖn víi ®é tin cËy cao. Mét thö th¸ch n÷a cho nh÷ng kü s­ lµ ph¶i thiÕt kÕ c¸c m¸y dß t×m cã ®é "th«ng minh" cao.§©y lµ mét kh¸i niÖm réng liªn quan ®Õn ®é nhËy trong viÖc ph¸t hiÖn ra c¸c t×nh huèng nguy hiÓm ®óng lóc vµ lo¹i bá c¸c hiÖn t­îng gi¶.§iÒu nµy cÇn ph¶i ®¹t ®­îc víi yªu cÇu kinh tÕ(gi¸ thÊp) trong mét ®iÒu kiÖn m«i tr­êng khã kh¨n.ViÖc thiÕt kÕ m¸y dß t×m cÇn ph¶i tu©n theo c¸c quy t¾c c¬ häc,®iÖn tö vµ phÇn mÒm. MÆc dï chñ ®Ò chÝnh cña cuèn s¸ch nµy lµ c¶m biÕn th«ng minh,chóng t«i thÊy cÇn ph¶i më réng vÊn ®Ò,trong ®ã bao gåm viÖc giíi thiÖu c¸c khÝa c¹nh cña hÖ thèng c¶nh b¸o vµ cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn khÈn cÊp ®­îc kÝch ho¹t bëi nh÷ng sensor trªn.V× cËy chóng t«i sÏ dµnh vµi ®o¹n ®Ó nãi vÒ hÖ thèng t¾t vµ trung t©m tiÕp nhËn c¶nh b¸o.§©y lµ toµn bé qu¸ tr×nh tõ khi nguy hiÓm ®­îc ph¸t hiÖn ®Õn khi nã ®­îc lo¹i bá. Néi dung cña phÇn nµy dùa rÊt nhiÒu vµo nh÷ng kiÕn thøc ®­îc x©y dùng ë c«ng ty chóng t«i trong nhiÒu n¨m qua,nã ®· ®­îc øng dông ®Ó ph¸t triÓn c¸c hÖ thèng an toµn vµ an ninh.Trong thùc tÕ,chÝnh sù ph¸t minh ra m¸y dß t×m ion ho¸ ®· më ®Çu cho nÒn c«ng nghiÖp nµy.Chóng t«i muèn c¸m ¬n c¸c ®ång nghiÖp trong c«ng ty,®· cã nh÷ng ®ãng gãp vµ lêi khuyªn cã gi¸ trÞ,®Æc biÖt lµ R.Beckers(trung t©m tiÕp nhËn c¶nh b¸o), U.Krienen, M.Schumacher (c¶m biÕn nhËn d¹ng),M.Muller(hÖ thèng t¾t) vµ H.Kupfer. 4.1.2 C¶m biÕn vÒ löa. 4.1.2.1 §Æc tÝnh vËt lý cña löa,bôi khãi,khÝ vµ ¸nh s¸ng. §Æc ®iÓm cña nh÷ng ngän löa ch¸y ©m Ø lµ khãi vµ khÝ,cïng víi sù ph¸t x¹ vµ gia t¨ng nhiÖt ®é khi ngän löa bïng ch¸y.C¸c m¸y ph¸t hiÖn löa sö dông mét trong nh÷ng hiÖu øng vËt lý nµy ®Ó ph¸t hiÖn ra ho¶ ho¹n sím nhÊt ®Ó gi¶m thiÓu tèi ®a sù ph¸ huû.Cïng víi sù ph¸t triÓn cña xu h­íng c«ng nghÖ, c¶m biÕn löa còng ®· tr¶i qua nh÷ng thay ®æi vµ n©ng cÊp quan träng. Trong vßng h¬n 50 n¨m,c¸c m¸y ph¸t hiÖn khãi ®Òu thuéc lo¹i ion ho¸. Khãi ®­îc ph¸t hiÖn b»ng c¸ch ®o sù thay ®æi cña ®é dÉn trong mét buång ion ho¸ cã c¸c phÇn tö khãi.Tõ 10 n¨m trë l¹i ®©y,c¸c m¸y ph¸t hiÖn khãi quang ®iÖn sö dông ph­¬ng ph¸p ®o sù t¸n x¹ cña ¸nh s¸ng tõ c¸c ph©n tö khãi trong mét buång quang ®· b¾t ®Çu thay thÕ c¸c m¸y ion ho¸. C¸c m¸y ph¸t hiÖn löa kh«ng chØ bao gåm hai lo¹i trªn.Sù hÊp thô ¸nh s¸ng ®­îc øng dông trong m¸y dß chïm tuyÕn tÝnh.C¸c m¸y ph¸t hiÖn löa còng cã thÓ dùa vµo sù bøc x¹ nhiÖt cña ngän löa.C¸c m¸y ph¸t hiÖn ¸nh löa ®o sù ph¸t x¹ cña löa trong vïng tõ hång ngo¹i ®Õn tö ngo¹i.C¸c m¸y dß nhiÖt sÏ ®­a ra lêi c¶nh b¸o khi cã sù gia t¨ng ®¸ng kÓ cña nhiÖt ®é.Ngoµi ra, nhiÒu hiÖu øng kh¸c còng cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó ph¸t hiÖn löa:vi c©n b»ng th¹ch anh,sù thay ®æi tèc ®é lan truyÒn ©m thanh,vµ sù dao ®éng cña ¸p suÊt, sù khóc x¹ cña ¸nh s¸ng,...Tuy nhiªn kh«ng cã mét nguyªn lý nµo,dï ®­îc thö nghiÖm thµnh c«ng trong phßng thÝ nghiÖm,®­îc ph¸t triÓn thµnh s¶n phÈm sè l­îng lín trong ho¹t ®éng th­¬ng m¹i.Trong thùc tÕ,®é tin cËy,gi¸ thµnh vµ kh¶ n¨ng dß t×m cña c¸c m¸y ph¸t hiÖn löa vµ khãi ®· ®Æt ra mét tiªu chuÈn cao cho viÖc th­¬ng m¹i hãa c¸c ph­¬ng ph¸p dß t×m míi. §¸p øng cña mét m¸y dß t×m ®èi víi ngän löa phô thuéc vµo nguyªn lý dß vµ lo¹i khãi.H×nh 4.1-1 so s¸nh ®é nhËy cña mét m¸y dß t×m kiÓu t¸n x¹ ¸nh s¸ng vµ mét m¸y dß ion ho¸ nh­ lµ mét hµm cña kÝch th­íc ph©n tö.M¸y dß ion ho¸ ®¸p øng tèt h¬n m¸y dß quang ë kÝch th­íc ph©n tñ nhá,cßn víi kÝch th­íc ph©n tö lín th× ng­îc l¹i. §¸p øng cña mét m¸y dß t×m cßn phô thuéc vµo thiÕt kÕ chÝnh x¸c cña nã. Víi m¸y dß t¸n x¹ ¸nh s¸ng,®é nh¹y cña nã víi nh÷ng lo¹i khãi kh¸c nhau lµ kh¸c nhau,vÝ dô nh­ sù liªn quan tíi gãc t¹o bëi chïm s¸ng vµ trôc cña m¸y dß. H×nh 4.1-1.§é nh¹y cña c¸c hai m¸y dß khãi. H×nh 4.1-2 so s¸nh ®¸p øng cña bèn lo¹i m¸y dß víi nh÷ng lo¹i löa kh¸c nhau.Hai m¸y dß quang ph¶n øng víi ngän löa ch¸y ©m Ø tèt h¬n lµ m¸y dß ion ho¸,cßn m¸y dß ion ho¸ ph¶n øng tèt h¬n víi nh÷ng ph©n tö khãi nhá cña ngän löa.B»ng c¸ch kÕt hîp nguyªn lý quang häc vµ m¸y dß nhiÖt,ta cã thÓ t¹o ra mét m¸y dß chung cho tÊt c¶ c¸c lo¹i löa. H×nh 4.1-2.§¸p øng cña c¸c m¸y dß khãi. Thêi gian gÇn ®©y ®· xuÊt hiÖn c¸c m¸y dß khãi c¶m nhËn khÝ bÞ oxy ho¸ tõ c¸c vËt liÖu ®ang ch¸y.Tuy nhiªn, hiÖn nay, ch­a cã mét m¸y dß nµo ®¹t ®­îc c¸c tiªu chuÈn vÒ ho¹t ®éng vµ ®é tin cËy.M¸y dß khãi ®­îc b¶o ®¶m ho¹t ®éng tèt tõ -30 ®Õn 75 ®é C vµ cã tuæi thä kho¶ng h¬n 10 n¨m.C¶ hai chØ sè trªn ®Òu kh«ng ®¹t ®­îc c¸c yªu cÇu hiÖn nay ®èi víi c¶m biÕn khÝ. Tuy nhiªn, ®· cã nh÷ng nghiªn cøu quan träng vµ nh÷ng nç lùc ph¸t triÓn c«ng nghÖ míi cho viÖc dß t×m khÝ, vµ chóng ta cã thÓ hy väng vµo nh÷ng tiÕn bé cña c¸c thiÕt bÞ trong mét t­¬ng lai gÇn. Trong nh÷ng ®¸m ch¸y kh«ng mong muèn,khãi cã thÓ sinh ra theo nh÷ng c¬ chÕ kh¸c nhau, vÝ dô nh­ do ®¸m ch¸y bïng hay ch¸y ©m Ø.HiÖn t­îng nhiÖt ph©n sinh ra khi cã sù truyÒn nhiÖt cña mét nguån nhiÖt bªn ngoµi. Sù kh¸c nhau gi÷a nhiÖt ph©n vµ ch¸y ©m Ø lµ:trong ch¸y ©m Ø, qu¸ tr×nh oxy ho¸ tù nã diÔn ra.Trong khi tÊt c¶ c¸c vËt liÖu ®Òu cã thÓ bÞ nhiÖt ph©n th× chØ cã Ýt trong chóng cã thÓ ch¸y ©m Ø, trong ®ã cã nh÷ng thø rÊt quen thuéc nh­ giÊy, xèp vµ gç. Trong mét ph¹m vi nµo ®ã, c¸c ®Æc tÝnh vËt lý cña khãi vµ sù gia t¨ng nhiÖt ®é cã thÓ liªn quan ®Õn d¹ng cña ngän löa.NhiÖt ph©n vµ ch¸y ©m Ø th­êng sinh ra nh÷ng ®¸m khãi víi mét l­îng lín muéi khãi kh«ng nh×n thÊy ®­îc vµ c¶ nh÷ng muéi khãi nh×n thÊy ®­îc mÇu ®en.NhiÖt ®é cña qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n vµ ch¸y ©m Ø th­êng nhá h¬n rÊt nhiÒu nhiÖt ®é cña ngän löa ch¸y bïng. Sù t¸n x¹ ¸nh s¸ng phô thuéc vµo kÝch th­íc, sè l­îng, vµ chiÕt suÊt cña c¸c ph©n tö.TÝnh to¸n sù t¸n x¹ cña ¸nh s¸ng vµ sù hÊp thô cña nh÷ng h×nh cÇu nhá víi kÝch th­íc vµ sù ph©n bè cho tr­íc lµ mét vÊn ®Ò kinh ®iÓn trong quang häc.ViÖc ¸p dông gi¶ thuyÕt Mie vµ Rayleigh tá ra rÊt hiÖu qu¶ trong viÖc dù ®o¸n sù t¸n x¹ ¸nh s¸ng trong c¸c ch­¬ng tr×nh m« pháng cña m¸y tÝnh.Ng­îc l¹i, ®Ó t×m ra c¸c ®Æc tÝnh cña khãi tõ nh÷ng ®o l­êng quang häc lµ cùc kú khã kh¨n.Trong cuèn s¸ch viÕt vÒ sù hÊp thô ¸nh s¸ng cña m×nh, Bohren vµ Huffman ®· so s¸nh viÖc m« t¶ c¸c ph©n tö tõ nh÷ng ®o l­êng quang häc nh­ lµ viÖc x¸c ®Þnh mét loµi thó ®· tuyÖt chñng tõ nh÷ng b­íc ch©n ho¸ th¹ch cña nã!TÝnh to¸n sù t¸n x¹ ¸nh s¸ng trong thùc tÕ lµ rÊt khã kh¨n bëi v× c¸c ph©n tö khãi cã thÓ liªn kÕt thµnh nh÷ng h×nh d¹ng rÊt phøc t¹p.Mét vÝ dô ®iÓn h×nh lµ sù "giµ ®i" cña khãi.§Æc tr­ng cña nã lµ sù liªn kÕt cña c¸c ph©n tö khãi dÉn ®Õn sù gi¶m tû khèi cña ph©n tö. Sù t¸n x¹ vµ hÊp thô phô thuéc rÊt nhiÒu vµo b­íc sãng vµ sù ph©n cùc cña nguån s¸ng.H×nh 4.1-3 cho ta biÕt sù t¸n x¹ ¸nh s¸ng trong mét h×nh cÇu víi chiÕt suÊt cho tr­íc.Tõ vÝ dô nµy cã thÓ rót ra mét sè quy t¾c c¬ b¶n sau: Ph©n tö lín: Ph©n tö lín cã mÆt c¾t t¸n x¹ víi mét sè h×nh trßn.Sù t¸n x¹ ¸nh s¸ng phô thuéc rÊt nhiÒu vµo gãc t¸n x¹. TÊt c¶ c¸c tia s¸ng ®Òu t¸n x¹ theo h­íng thuËn. Ph©n tö nhá: T¸n x¹ ¸nh s¸ng phô thuéc m¹nh vµo sù ph©n cùc. Tû lÖ t¸n x¹ thuËn trªn t¸n x¹ ng­îc nhá h¬n so víi ph©n tö lín. Nh÷ng quy t¾c ®¬n gi¶n nµy cã ý nghÜa quan träng trong viÖc thiÕt kÕ m¸y ph¸t hiÖn khãi theo kiÓu t¸n x¹ quang.VÝ dô nh­ quy t¾c lµ cã nhiÒu tia s¸ng bÞ t¸n x¹ ë gãc nhá (t¸n x¹ thuËn) h¬n lµ ë gãc lín (t¸n x¹ ng­îc).Phô thuéc vµo h¹t khãi, tû lÖ gi÷a t¸n x¹ thuËn vµ t¸n x¹ ng­îc cã thÓ lªn ®Õn 50.Nh­ vËy, m¹ch ®iÖn ®Ó khuyÕch ®¹i tÝn hiÖu trong m¸y dß sö dông t¸n x¹ ng­îc sÏ phøc t¹p h¬n.Sù kh¸c nhau gi÷a t¸n x¹ thuËn vµ t¸n x¹ ng­îc ®­îc minh ho¹ trªn h×nh 4.1-4. ViÖc thiÕt kÕ mät m¸y dß quang phô thuéc vµo ®¸p øng cÇn thiÕt ®èi víi nh÷ng lo¹i khãi kh¸c nhau.Sù lùa chän gãc t¸n x¹ sÏ x¸c ®Þnh ®¸p øng cña m¸y dß.Ch¼ng h¹n nh­ lµ mét c¸i m¸y dß t×m sö dông gãc t¸n x¹ lín (t¸n x¹ ng­îc) sÏ nhËy h¬n ®èi víi c¸c ph©n tö nhá. H×nh 4.1-4 Sù t¸n x¹ cña ¸nh s¸ng do c¸c ph©n tö ®­îc miªu t¶ trong ph­¬ng tr×nh Mie vµ Rayleigh.Trong khi sù t¸n x¹ do ph©n tö nhá cã thÓ ®­îc m« t¶ b»ng gi¶ thuyÕt Rayleigh th× t¸n x¹ do ph©n tö lín l¹i th­êng n»m trong miÒn gi¸ trÞ cña gi¶ thuyÕt Mie.§­êng kÝnh trung b×nh cña ph©n tö khãi th­êng n»m trong vïng chuyÓn tiÕp gi÷a miÒn Rayleigh vµ miÒn Mie.Sù ph©n bè kÝch th­íc ph©n tö cña h¹t khãi phô thuéc vµo lo¹i löa vµ vËt liÖu ch¸y ©m Ø hay ch¸y bïng.Víi ngän löa ch¸y bïng, phÇn lín c¸c ph©n tö cã kÝch th­íc d­íi 0.3m, trong khi ®ã kÝch th­íc ph©n tö khãi cña ngän löa ch¸y ©m Ø th­êng lín h¬n.H×nh .1-5 m« t¶ sù ph©n bè kÝch th­íc ph©n tö th­êng gÆp. 4.1.2.1.1.T¸n x¹ Rayleigh. Gi¶ thuyÕt rayleigh miªu t¶ sù t¸n x¹ cña ¸nh s¸ng cña c¸c ph©n tö nhá, víi b¸n kÝnh r nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi b­íc sãng (2r/ <1).H×nh 4.1-5 m« t¶ tãm t¾t c¸c kÕt qu¶ chÝnh cña gi¶ thuyÕt Rayleigh. H×nh 4.1-5 H×nh 4.1-6 4.1.2.1.2.Gi¶ thuyÕt Mie vÒ sù t¸n x¹. MiÒn Mie ®­îc ®Æc tr­ng bëi sù dao ®éng nhanh cña mÆt c¾t t¸n x¹, lµ hµm cña chiÕt suÊt, b­íc sãng,gãc t¸n x¹ vµ b¸n kÝnh ph©n tö.Sù ph©n bè cña c¸c ph©n tö khãi th­êng lµ réng.Tuy nhiªn kh«ng tån t¹i sù kh¸c biÖt vÒ chÊt gi÷a nh÷ng ph©n tö lín mÇu tr¾ng vµ nh÷ng ph©n tö nhá mÇu ®en.H×nh 4.1-7 biÓu diÔn t­¬ng quan gi÷a ph¹m vi mÆt c¾t t¸n x¹ cña ngän löa ch¸y bïng vµ mét ngän löa ch¸y yÕu trªn sîi cotton nh­ lµ mét hµm cña gãc t¸n x¹.Tû lÖ tr¾ng/®en cao h¬n víi gãc t¸n x¹ lín.Trong thùc tÕ, ®iÒu ®ã cã nghÜa lµ m¸y dß t×m sö dông t¸n x¹ ng­îc nhËy víi nh÷ng ph©n tö nhá mÇu ®en h¬n lµ m¸y dß t¸n x¹ thuËn.¦u ®iÓm chÝnh cña t¸n x¹ thuËn lµ mÆt c¾t t¸n x¹ nhá. §iÒu nµy ®ßi hái mét xung ¸nh s¸ng m¹nh h¬n, hoÆc lµ mét sù khuyÕch ®¹i nhiÒu h¬n ë ®Çu thu. 4.1.2.1.3.Sù hÊp thô. H×nh 4.1-8 thÓ hiÖn mÆt c¾t hÊp thô cña n­íc.Trong vïng bÞ chi phèi bëi sù t¸n x¹, mÆt c¾t hÊp thô gi¶m rÊt nhanh.MiÒn Mie ®­îc ®Æc tr­ng bëi sù dao ®éng.Víi nh÷ng ph©n tö lín,mÆt c¾t hÊp thô xÊp xØ 2 (do ®ã ®­îc gäi lµ nghÞch lý triÖt tiªu). MÆt c¾t triÖt tiªu gi¶m chËm h¬n mÆt c¾t t¸n x¹Nh­ vËy m¸y dß triÖt tiªu sÏ nhËy h¬n m¸y dß t¸n x¹ ¸nh s¸ng.H×nh 4.1-9 so s¸nh ®¸p øng cña m¸y dß triÖt tiªu víi m¸y dß t¸n x¹.M¸y dß triÖt tiªu nhËy víi nh÷ng ngän löa sinh ra do ®èt gç hay Heptan h¬n lµ víi nh÷ng ngän löa ch¸y ©m Ø. H×nh 4.1-7 H×nh 4.1-8 H×nh 4.1-9 4.1.2.2 Nguyªn lý c¶m nhËn khãi. 4.1.2.2.1.Ion ho¸. Nguyªn lý c¬ b¶n cña m¸y dß ion ho¸ ®­îc gi¶i thÝch trªn h×nh 4.1-10.Mét buång ®o l­êng ®­îc giíi h¹n bëi hai ®iÖn cùc vµ nh÷ng phÇn c¸ch ®iÖn.Mét nguån bøc x¹ v« tuyÕn,th­êng lµ Am,ph¸t ra nh÷ng h¹t .Kh«ng khÝ trong buång ®o l­êng bÞ ion ho¸ chñ yÕu t¹o ra c¸c ion nhá ®­îc tÝch ®iÖn ®¬n lÎ ë c¶ hai cùc tÝnh.Mét ®iÖn ¸p nhá (kho¶ng 5V) ®­îc ®Æt vµo gi÷a c¸c ®iÖn cùc. Khi ch­a cã khãi,chØ cã mét dßng ®iÖn nhá kho¶ng 20pA.Khi cho khãi vµo trong buång,mét phÇn ®¸ng kÓ c¸c ion sÏ liªn kÕt víi c¸c ph©n tö lín.Lóc nµy c¸c ph©n tñ lín ®ãng vai trß nh­ mét ®iÓm t¸i hîp cña c¸c ion nhá.Tèc ®é tr«i cña c¸c ph©n tö khãi lín nhá h¬n c¸c ph©n tö khãi nhá.KÕt qu¶ cuèi cïng lµ sù suy gi¶m cña dßng ion. H×nh 4.1-10 Ap suÊt vµ nhiÖt ®é trong buång ion ho¸ phô thuéc lÉn nhau.Ta cã thÓ gi¶m nhá sù phô thuéc nµy b»ng c¸ch thiÕt kÕ buång ion hãa mét c¸ch cÈn thËn.Tham sè tèi ­u chÝnh lµ n¨ng l­îng cña nguån bøc x¹ ®iÖn tõ,nã sÏ x¸c ®Þnh kÝch th­íc cña ph©n tö ,kÝch th­íc h×nh häc cña buång vµ ®iÖn ¸p gi÷a hai ®iÖn cùc.§èi víi mét buång ion ho¸,thêi gian tån t¹i cña c¸c ion nhá cã liªn quan ®Õn tr­êng ®Æt lªn nã.Víi nh÷ng tr­êng m¹nh,c¸c ion tr«i nhanh trong buång t¹o ra mét dßng ®iÖn lín.HÇu hÕt c¸c ion sinh ra ®Òu ®Õn ®­îc ®iÖn cùc.Trong tr­êng hîp nµy,buång ion ho¸ ho¹t ®éng nh­ mét nguån dßng. Cßn víi nh÷ng tr­êng yÕu,dßng ®iÖn sÏ nhá h¬n nh­ng ®é nhËy l¹i t¨ng lªn. §iÖn tr­êng trong buång ion ho¸ cÇn ®­îc chon sao cho cã mét dßng ®iÖn ®ñ lín ®ång thêi vÉn ®¹t ®­îc ®é nhËy cao.KÝch th­íc h×nh häc cña buång ®­îc tèi ­u ho¸ khi cã sù c©n b»ng thùc sù gi÷a miÒn ®¬n cùc vµ miÒn l­ìng cùc. Mèi quan hÖ dßng ¸p cña mét buång ion hãa bÞ ¶nh h­ëng bëi thÓ tÝch cña buång mµ cßn liªn quan ®Õn ®é "s¹ch" cña bÒ mÆt nguån bøc x¹ v« tuyÕn (h×nh 4.1-11).C¸c ®Æc tuyÕn I-V kh¸c nhau cã thÓ dïng ®Ó nguyªn nh©n cña sù suy gi¶m dßng ®iÖn. ViÖc ®o l­êng nh÷ng dßng ®iÖn cì pA ®ßi hái ®iÖn trë cao.Trong nguyªn lý mét buång, mét ®iÖn trë (kho¶ng 20G) ®­îc dïng lµm phÇn tö tham kh¶o.Trong nguyªn lý hai buång,buång thø nhÊt ho¹t ®éng ë chÕ ®é b·o hoµ dïng ®Ó tham kh¶o.Buång nµy kh«ng thÈm thÊu víi khãi vµ cã chøc n¨ng nh­ mét nguån dßng. ViÖc tr×nh bÇy mÉu mét buång khãi lµ rÊt khã kh¨n vµ n»m ngoµi ph¹m vi cña phÇn nµy.Mét vµi ph­¬ng tr×nh mÉu cã thÓ ®­îc dïng ®Ó gi¶i thÝch c¸c ®Æc tÝnh chÝnh cña mét m¸y dß t×m ion ho¸, cô thÓ lµ t¹i sao lo¹i m¸y nµy rÊt nhËy víi nh÷ng ngän lö© ch¸y bïng. H×nh 4.1-11.Mèi quan hÖ dßng-¸p cña mét buång ion hãa Chóng ta h·y quan t©m ®Õn ®é c©n b»ng n cña mét ion.§Ó ®¬n gi¶n, chóng ta gi¶ thiÕt lµ c¸c ion ®Òu cã cïng n,cïng ®é linh ®éng vµ ®iÖn tÝch trung b×nh trªn c¸c ion lín lµ nhá.Th«ng sè n cã thÓ ®­îc tÝnh nh­ sau: I=ann+3ErrnN (4.1-1) trong ®ã I lµ sè ion ®­îc sinh ra trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch trong mét ®¬n vÞ thêi gian,N lµ sè ph©n tö khãi cã b¸n kÝnh r trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch vµ E lµ c­êng ®é ®iÖn tr­êng. Ta cã thÓ thÊy lµ sù liªn kÕt cña c¸c ion nhá trªn mét ph©n tö lín kh«ng tÝch ®iÖn tû lÖ víi b×nh ph­¬ng cña b¸n kÝnh ph©n tö. Ph­¬ng tr×nh 4.1-1 gióp chóng ta hiÓu ®­îc v× sao m¸y dß t×m ion hãa nhËy víi c¸c ph©n tö nhá h¬n lµ víi c¸c ph©n tñ lín.Sè l­îng c¸c ion bÞ hót vÒ phÝa ph©n tö khãi tû lÖ víi 1/r.Nh­ vËy cã thÓ kÕt luËn lµ: víi mét khèi l­îng khãi cho tr­íc, c¸c ph©n tö nhá dÔ dß t×m h¬n c¸c ph©n tö lín. 4.1.2.2.2.T¸n x¹ ¸nh s¸ng. Nguyªn lý chung. M¸y dß t×m khãi quang häc ®o l­îng ¸nh s¸ng bÞ t¸n x¹ bëi bôi khãi vµ c¸c ph©n tö. Mét ®iot ph¸t quang ph¸t ra c¸c xung ¸nh s¸ng mét c¸ch ®Òu ®Æn.Tia s¸ng bÞ t¸n x¹ bëi c¸c ph©n tö ®­îc ®o b»ng mét tÕ bµo ®Æt chÕch mét gãc nµo ®ã so víi trôc cña tia s¸ng tíi.Tia t¸n x¹ sau ®ã ®­îc tËp trung vµo bé thu b»ng mét thÊu kÝnh.MÆc dï nguyªn lý c¬ b¶n nµy kh¸ ®¬n gi¶n, nh­ng c¸c thÝ nghiÖm cô thÓ h¬n l¹i cho thÊy mét sè vÊn ®Ò kh¸ thó vÞ.§Çu tiªn lµ vÒ mÆt ®iÖn tö. §iÖn tö. HÖ thèng ph¸t hiÖn khãi lµ nh÷ng hÖ thèng an ninh cÇn ph¶i ho¹t ®éng tèt trong nh÷ng ®iÒu kiÖn m«i tr­êng ®«i khi tá ra rÊt kh¾c nghiÖt (sù thay ®æi cña nhiÖt ®é m«i tr­êng,nhiÔu ®iÖn tõ,sù rung ®éng c¬ häc,bôi).ViÖc dß t×m c¸c tÝn hiÖu ¸nh s¸ng t¸n x¹ d­íi nh÷ng ®iÒu kiÖn m«i tr­êng thay ®æi v× thÕ ®Æt ra nh÷ng yªu cÇu kh¾t khe cho viÖc thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö.H¬n n÷a,møc tiªu thô n¨ng l­îng cña m¸y dß cÇn ph¶i nhá,bëi v× trong tr­êng hîp nguån cung cÊp chÝnh bÞ háng m¸y dß ph¶i ®­îc n¹p b»ng pin trong mét vµi giê hoÆc mét vµi ngµy.TÇm quan träng cña viÖc tiªu thô Ýt n¨ng l­îng trë nªn hiÓn nhiªn khi trong lÜnh vùc l¾p ®Æt c«ng nghiÖp sè l­îng m¸y dß cã thÓ lªn ®Õn vµi ngh×n.May m¾n lµ viÖc ph¸t hiÖn khãi cã thÓ tËn dông sù ph¸t triÓn cña c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö tiªu thô Ýt n¨ng l­îng trong c¸c c«ng nghÖ ®ßi hái c¸c s¶n phÈm ph¶i ho¹t ®éng b»ng pin(th«ng tin di ®éng,m¸y tÝnh x¸ch tay,®ång hå ®eo tay,...) Ngµy nay,trong c¸c m¸y dß t×m th­¬ng phÈm,c¸c LED th­êng ph¸t x¹ trong vïng hång ngo¹i gÇn b­íc sãng 880mm (IRED).GÇn ®©y ng­êi ta cßn xuÊt b¶n c¸c nghiªn cøu vÒ LED ph¸t ra ¸nh s¸ng xanh vµ ®á.Do hiÖn t­îng t¸n x¹ phô thuéc vµo ph©n tö vµ b­íc sãng,ng­êi ta hy väng sÏ ph¸t triÓn ®­îc c¸c lo¹i m¸y dß t×m sö dông nhiÒu b­íc sãng kh¸c nhau víi nh÷ng ®Æc tÝnh næi tréi (dß t×m b¨ng réng,dß t×m c¸c lo¹i khãi ®Æc biÖt).C¸c m¸y dß t×m nµy cã ®­îc bu«n b¸n trªn thÞ tr­êng hay kh«ng lµ phô thuéc vµo gi¸ thµnh, møc tiªu thô n¨ng l­îng va c­êng ®é ¸nh s¸ng ph¸t ra. LED ho¹t ®«ng theo kiÓu xung hoÆc theo kiÓu burst.Trong kiÓu xung, ng­êi ta göi ®i nh÷ng xung ng¾n (~150s) vµ m¹nh,cßn trong kiÎu burst lµ mét chuçi xung.¦u vµ nh­îc ®iÓm cña hai ph­¬ng ph¸p nµy vÉn ®ang lµ chñ ®Ò cho nhiÒu cuéc tranh luËn.Ng­êi ta ®· ph¸t triÓn nh÷ng tÕ bµo quang vµ nh÷ng m¹ch khuyÕch ®¹i c«ng nghÖ CMOS ho¹t ®éng trong kho¶ng nA ®Ó ®o l­êng vµ xö lý ¸nh s¸ng t¸n x¹ ë c­êng ®é thÊp.M¹ch ®iÖn sÏ biÕn ®æi tÝn hiÖu tõ tÕ bµo quang thµnh mét ®iÖn ¸p,sau ®ã ®­a vµo mét bé ADC. §Ó lo¹i bá c¸c lçi sinh ra do sù bï khuyÕch ®¹i vµ dßng ®iÖn dß,ng­êi ta tiÕn hµnh 3 phÐp ®o ph©n biÖt.PhÐp ®o ®Çu vµ cuèi ®­îc thùc hiÖn mµ kh«ng cã mét xung ¸nh s¸ng nµo,vµ m¸y ph¸t hång ngo¹i chØ ®­îc ®ãng m¹ch trong phÐp ®o thø hai.Bé läc ®­îc tÝch hîp trong ASIC cã chøc n¨ng nh­ h×nh 4.1-12. Bªn c¹nh ®iÖn tö vµ quang häc,cßn cã nhiÒu vÊn ®Ò quan träng cho m¸y ph¸t hiÖn khãi,vÝ dô nh­ lµ l­íi b¶o vÖ. H×nh 4.1-13.M¸y dß khãi t¸n x¹ ¸nh s¸ng. M¸y ph¸t hiÖn khãi quang häc ®ang dÇn thay thÕ m¸y ion hãa trªn tÊt c¶ c¸c thÞ tr­êng.Cã nhiÒu nguyªn nh©n dÉn ®Õn sù thay ®æi trªn.Thø nhÊt m¸y ph¸t hiÖn khãi quang häc ®­îc h­ëng lîi tõ sù ph¸t triÓn cña ngµnh ®iÖn tö.§é tin cËy cña c¸c linh kiÖn trong m¸y dß nh­ LED ®· t¨ng lªn ®¸ng kÓ.Ngoµi ra, sù xuÊt hiÖn cña MP vµ ASIC gi¸ rÎ ®· cho phÐp x©y dùng c¸c chøc n¨ng míi nh­ tù kiÓm tra,®Þnh cì,hay bï tr«i.C¸c thuËt to¸n nµy ®· lµm t¨ng ®¸ng kÓ ®é tin cËy cña m¸y ph¸t hiÖn khãi t¸n x¹ ¸nh s¸ng. Nh÷ng hÖ thèng cã ®é nhËy cao. Mét sè hÖ thèng dß t×m ®é nhËy cao,nh­ lµ hÖ thèng sö dông m¸y dß quang. Kh«ng khÝ ®­îc hót vµo èng,sau ®ã ®­îc läc ®Ó lo¹i bá bôi bÈn.Mét m¸y dß khãi ®é nhËy cao sÏ x¸c ®Þnh møc khãi.Nh÷ng hÖ thèng nhËy nhÊt sÏ ®­îc dïng ®Ó b¶o vÖ nh÷ng vËt cã gi¸ trÞ nh­ lµ c¸c phßng m¸y tÝnh. 4.1.2.2.2.Sù t¾t ¸nh s¸ng. ViÖc ®o l­êng sù t¾t ¸nh s¸ng gi÷ vai trß trung t©m trong ph¸t hiÖn löa.Sù t¾t ¸nh s¸ng liªn quan ®Õn kh¶ n¨ng nh×n thÊy ®­îc.C¸c bµi kiÓm tra phô ®­îc ®iÒu khiÓn ®Ó x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng nh×n thÊy cña ¸nh s¸ng qua ®¸m khãi. MÆc dï kh¶ n¨ng nh×n thÊy cña mét vËt cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh vµ ®o ®¹c b»ng c¸c dông cô khoa häc,c¸c bµi kiÓm tra vÉn ®­îc tiÕn hµnh víi con ng­êi ®Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng nh×n cña lÝnh cøu ho¶ tr­íc sù thay ®æi cña møc khãi.C¸c nh©n tè nh­ sù thÝch øng cña m¾t cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh th«ng qua mét bµi kiÓm tra víi con ng­êi.Møc khãi mµ m¾t ng­êi cã thÓ nh×n ®­îc cã liªn quan kh¸ nhiÒu ®Õn nh©n tè t¾t.Sù t¾t ¸nh s¸ng ®· trë thµnh chuÈn ®Ó ®¸nh gi¸ khãi,vÝ dô nh­ trong tiªu chuÈn Ch©u ¢u EN 54-7 cho m¸y dß khãi. Cã hai lo¹i m¸y dß quang häc ho¹t ®éng theo nguyªn lý t¾t lµ m¸y dß chïm tuyÕn tÝnh vµ m¸y dß t¾t ®iÓm.Hai lo¹i m¸y nµy chØ kh¸c nhau vÒ ®é dµi ®­êng ®i cña ¸nh s¸ng.Víi m¸y dß chïm tuyÕn tÝnh,®­êng ®i lµ tõ 5-100m,trong khi ®ã víi m¸y dß ®iÓm lµ 5-15cm.V× sù t¾t phô thuéc vµo sù hÊp thô vµ t¸n x¹ ¸nh s¸ng nªn nguyªn lý nµy cho phÐp thiÕt kÕ c¸c m¸y dß nhËy víi nhiÒu lo¹i bôi khãi.M¸y dß chïm tuyÕn tÝnh ®­îc sö dông ngay tõ khi b¾t ®Çu ph¸t triÓn c¸c hÖ thèng c¶nh b¸o sím.Cßn víi m¸y dß t¾t ®iÓm, mÆc dï cã nhiÒu ®Æc tÝnh tèt,nã vÉn kh«ng ®­îc s¶n xuÊt víi sè l­îng lín. ChØ ®Õn gÇn ®©y chóng ta míi cã nh÷ng thiÕt kÕ cã kh¶ n¨ng ®­îc thÞ tr­êng chÊp nhËn. Tû lÖ gi÷a ¸nh s¸ng t¸n x¹ vµ ¸nh s¸ng hÊp thô phô thuéc rÊt nhiÒu vµo d¹ng khãi.C¸c ph©n tö khãi hÊp thô ¸nh s¸ng Ýt h¬n nhiÒu so víi c¸c ph©n tö muéi.Theo Grasshandler sù hÊp thô cã thÓ chiÕm tíi 75% cña sù t¾t víi khãi cña ngän löa ch¸y bïng,trong khi t¸n x¹ l¹i chiÕm tíi 80% víi khãi tõ ngän löa ch¸y ©m Ø. H×nh 4.1-15 M¸y dß chïm tuyÕn tÝnh th­êng ®­îc sö dông trong c¸c toµ nhµ lín(c¬ së s¶n xuÊt,cöa hµng mua s¾m,kh¸ch s¹n,...) H×nh 4.1-16 M¸y dß chïm sö dông sù dao ®éng cña chiÕt suÊt cña kh«ng khÝ bÞ nung nãng ®Ó ph¸t hiÖn löa ®· xuÊt hiÖn trªn thÞ tr­êng.Sù pha trén gi÷a kh«ng khÝ nãng vµ l¹nh dÉn ®Õn nh÷ng thay ®æi lín cña chiÕt suÊt.§iÒu nµy l¹i dÉn ®Õn nh÷ng thay ®æi nhanh cña ®é trong suèt.HiÖn t­îng nµy cã thÓ thÊy vµo mïa hÌ,khi bÒ mÆt cña nh÷ng con ®­êng tr«ng cã vÎ nh­ ®ang rung lªn. ViÖc thu nhá m¸y dß dßng tuyÕn tÝnh thµnh mét m¸y dß khãi lµ vÊn ®Ò rÊt khã kh¨n,bëi v× sù hÊp thô cña khãi gi¶m nhanh víi ®é dµi chïm.M¸y ®o t¾t ®iÓm l¹i ®ßi hái m¹ch ®iÖn tö rÊt chÝnh x¸c.§¸p øng cña mét m¸y dß diÓm kh«ng kh¸c nhiÒu so víi m¸y dß chïm,®Æc biÖt lµ víi nh÷ng phÇn tö khãi lín 4.1.2.3 Nguyªn lý c¶m nhËn nhiÖt/nhiÖt ®é. M¸y dß nhiÖt ®­îc øng dông h¹n chÕ h¬n so víi m¸y dß khãi v× nã chØ dùa vµo viÖc ®o nhiÖt ®é.Nã th­êng ®­îc sö dông trong tr­êng hîp xuÊt hiÖn mét l­îng lín khãi,h¬i n­íc vµ bôi trong c¸c ho¹t ®éng vµ cã sù gia t¨ng nhanh cña nhiÖt ®é. 4.1.2.3.1.M¸y dß nhiÖt ®iÖn. H×nh 4.1-17 tr×nh bÇy cÊu t¹o cña mét m¸y dß nhiÖt ®iÖn.NhiÖt ®é kh«ng khÝ ®­îc so s¸nh víi nhiÖt ®é thùc cña m¸y dß.Hai nhiÖt ®é nµy ®­îc ®o b»ng sensor nhiÖt ®é NTC chÝnh x¸c.Hai thiÕt bÞ ®o ®­îc hiÖu chØnh ®Ó bï c¸c hiÖn t­îng kh¸c. Theo tiªu chuÈn Ch©u ¢u EN 54-5 m¸y dß nhiÖt cÇn ®­îc kiÓm tra ®¸p øng ë nhiÖt ®é cè ®Þnh vµ ë nh÷ng tèc ®é thay ®æi kh¸c nhau cña nhiÖt ®é. Dùa vµo kÕt qu¶ nµy,ng­êi ta chia m¸y dß thµnh c¸c lo¹i kh¸c nhau. 4.1.2.3.2.Laser sîi quang. C¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau sö dông laser sîi quang ®· ®­îc ph¸t triÓn trong vµi n¨m gÇn ®©y(H×nh 4.1-18).C¸c sensor nµy dùa vµo mét sè hiÖn t­îng vËt lý.GÇn ®©y,c¸c hÖ thèng dùa trªn sù t¸n x¹ kh«ng ®µn håi cña ¸nh s¸ng qua c¸c sîi quang ®· xuÊt hiÖn trªn thÞ tr­êng.Víi môc ®Ých nghiªn cøu th× hÖ thèng Brillouin tá ra tréi h¬n hÖ thèng Raman.HÖ thèng LASBI cña häc viÖn Metrology ë Lausanne ®· triÓn khai thµnh c«ng hÖ thèng Brilouin ®Ó ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é bª t«ng trong c¸c c«ng tr×nh lín.Cßn hÖ thèng Raman th× l¹i kinh tÕ h¬n.¦u ®iÓm chÝnh cña hÖ thèng quang so víi m¸y dß nhiÖt chÝnh lµ sù tiÕt kiÖm. Gi¸ thµnh cña laser quang kh«ng t¨ng nhiÒu khi ®é dµi cña sîi quang t¨ng lªn,nh­ng gi¸ thµnh cña m¸y dß nhiÖt l¹i phô thuéc nhiÒu vµo kÝch th­íc l¾p ®Æt.V× vËy hÖ thèng laser quang th­êng ®­îc dïng trong c¸c ®­êng hÇm. HiÖu øng Raman sÏ t¨ng lªn khi ¸nh s¸ng tíi kÝch thÝch c¸c ph©n tö trong sîi quang.Sù t­¬ng t¸c gi÷a c¸c ph©n tö vµ ¸nh s¸ng sÏ lµm cho mét phÊn ¸nh s¸ng bÞ t¸n x¹.PhÇn lín ¸nh s¸ng t¸n x¹ cã cïng b­íc sãng víi ¸nh s¸ng tíi.Tuy nhiªn còng cã nh÷ng phÇn ¸nh s¸ng kh«ng cïng b­íc sãng víi ¸nh s¸ng tíi.Nh÷ng tia s¸ng t¸n x¹ kh«ng ®µn håi nµy gäi lµ tia Raman. N¨ng l­îng chªnh lÖch gi÷a ¸nh s¸ng tíi(Ei) vµ ¸nh s¸ng bÞ t¸n x¹ (Es) b»ng n¨ng l­îng ®Ó thay ®æi tr¹ng th¸i rung cña ph©n tö.Sù chªnh lÖch nµy gäi lµ sù dÞch chuyÓn Raman. Ev=Ei-Es (4.1-2) H×nh 4.1-17 Anh s¸ng t¸n x¹ Raman ng­îc bao gåm hai thµnh phÇn phæ lµ ®­êng Stock vµ ®­êng ph¶n Stock.§­êng Stock cã b­íc sãng cao h¬n,hoµn toµn kh«ng phô thuéc nhiÖt ®é,trong khi ®­êng ph¶n Stock l¹i phô thuéc nhiÖt ®é. So s¸nh c­êng ®é hai ®­êng nµy gióp ta ­íc l­îng ®­îc nhiÖt ®é. 4.1.2.3.3.M¸y ph¸t hiÖn sù dao ®éng cña nhiÖt ®é. N¨ng l­îng gi¶i phãng tõ mét ngän löa sÏ nung nãng kh«ng khÝ xung quanh.Kh«ng khÝ nãng trén lÉn víi kh«ng khÝ l¹nh dÉn ®Õn sù dao ®éng nhiÖt ®é lín,vµ hiÖn t­îng nµy cã thÓ ®­îc ph¸t hiÖn bëi mét sensor nhiÖt ®é (H×nh 4.1-20).Ph­¬ng ph¸p nµy do Kaiser ®­a ra ®Ó ph©n biÖt sù dao ®éng g©y ra bëi mét ngän löa víi dao ®éng g©y ra do sù trén lÉn kh«ng khÝ. H×nh 4.1-20 4.1.2.4 Nguyªn lý ph¸t hiÖn ngän löa. M¸y ph¸t hiÖn löa dùa vµo c¸c bøc x¹ hång ngo¹i(IR) hoÆc tö ngo¹i (UV) do löa ph¸t ra.Nã ph¸t hiÖn c¸c ngän löa ch¸y bïng rÊt nhanh,nhanh h¬n m¸y ph¸t hiÖn khãi.Bëi v× víi m¸y ph¸t hiÖn khãi,®«i lóc bôi khãi ph¶i ®­îc ®­a tõ n¬i ch¸y vµo m¸y.Trong khi ®ã,víi m¸y ph¸t hiÖn ngän löa,c¸c tia s¸ng ph¸t ra ®­îc truyÒn ®Õn nã ngay lËp tøc.M¸y ph¸t hiÖn löa kh«ng ph¶n øng víi c¸c ®¸m ch¸y ©m Ø,v× vËy nã chØ ®­îc sö dông trong mét sè tr­êng hîp quan träng(b¶o vÖ x­ëng ho¸ chÊt,..).Víi nh÷ng øng dông nguy hiÓm,cÇn ph¶i cã thªm c¸c m¸y dß kh¸c,ch¼ng h¹n nh­ m¸y dß chïm tuyÕn tÝnh.C¸c lo¹i m¸y ph¸t hiÖn löa kÕt hîp nµy hiÖn ®ang cã mÆt trªn thÞ tr­êng.Nãi chung c¶m biÕn löa IR thÝch hîp víi ngän löa h÷u c¬,cßn m¸y ph¸t hiÖn löa UV thÝch hîp víi löa hydro hay metal. M¸y ph¸t hiÖn löa IR sö dông bøc x¹ CO2 ë b­íc sãng 4,3m ®Ó dß t×m. Ngän löa nµy còng cã thÓ ®­îc ®o l­êng b»ng c¸c vËt liÖu nhiÖt ®iÖn.§èi víi sensor nhiÖt ®iÖn,¸nh s¸ng tíi ®­îc hÊp thô bëi mét líp máng ë bÒ mÆt,lµm cho nhiÖt ®é gi÷a hai mÆt cña ®Üa nhiÖt ®iÖn kh¸c nhau.§iÒu nµy l¹i dÉn ®Õn thay ®æi vÒ ph©n cùc ®iÖn cña vËt liÖu.H×nh 4.1-22 tr×nh bÇy vÝ dô vÒ m¸y ph¸t hiÖn löa 3 b­íc sãng.Sensor thø nhÊt ®o bøc x¹ 4,3m ®­îc t¹o ra trong suèt qu¸ tr×nh ch¸y cña vËt liÖu h÷u c¬.Hai sensor cßn l¹i ®o bøc x¹ ë hai b­íc sãng kh¸c ®Ó ph©n biÖt bøc x¹ thËt víi c¸c hiÖn t­îng gi¶.H×nh 4.1-23 biÓu diÔn phæ cña ngän löa,bøc x¹ mÆt trêi vµ bøc x¹ cña vËt ®en,víi nhiÒu ®Æc tÝnh cã thÓ sö dông trong xö lý tÝn hiÖu.§é tin cËy cña m¸y ph¸t hiÖn löa phô thuéc rÊt nhiÒu vµo thuËt to¸n ph©n tÝch c¸c tÝn hiÖu kh¸c nhau. Nh÷ng ph¸t triÓn quan träng trong lÜnh vùc nµy ®­îc gi¶i thÝch trong phÇn 4.1.7 4.1.2.5.C¸c m¸y ®o nhiÒu tiªu chuÈn/nhiÒu c¶m biÕn. Vµi n¨m gÇn ®©y,mét sè m¸y dß kÕt hîp c¸c lo¹i sensor khãi,ion ho¸,nhiÖt ®é vµ khÝ ®· ®­îc thö nghiÖm hoÆc ®­îc b¸n trªn thÞ tr­êng. M¸y dß nhiÒu c¶m biÕn ®Þnh nghÜa trong tiªu chuÈn Ch©u ¢u EN 54-1 lµ nh÷ng m¸y dß cã ®¸p øng víi nhiÒu h¬n mét hiÖn t­îng vÒ löa,vÝ dô nh­ khãi, nhiÖt hay khÝ. Chóng ta thÊy r»ng viÖc ph¸t hiÖn löa cã thÓ ®­îc thùc hiÖn tèt h¬n víi nhiÒu lo¹i sensor kh¸c nhau,khi mµ mét sensor kh«ng thÓ thu ®­îc phæ réng cña tÊt c¶ c¸c dÊu hiÖu cña löa.Ngoµi ra,b»ng c¸ch sö dông c«ng nghÖ nhiÒu sensor/nhiÒu tiªu chuÈn,ta cã thÓ tr¸nh ®­îc c¸c b¸o hiÖu sai. Sensor khãi quang ®iÖn rÊt nhËy víi nh÷ng phÇn tö khãi lín mÇu tr¾ng ph¸t ra tõ nh÷ng ngän löa ch¸y ©m Ø.Nh­ thÕ th× nã còng nhËy víi nh÷ng ph©n tö bôi r¸c,g©y ra nh÷ng b¸o hiÖu sai.Tuy nhiªn c¶m biÕn lo¹i nµy kh«ng nhËy víi nh÷ng ph©n tö khãi nhá mÇu ®en cña nh÷ng ®¸m löa ch¸y bïng. Nh­ vËy ®Ó ph¸t hiÖn nh÷ng ®¸m ch¸y ©m Ø vµ ch¸y bïng víi sensor khãi quang ®iÖn,®é nhËy cña sensor víi nh÷ng ph©n tö khãi nhá,®en ph¶i t¨ng lªn.Trong khi viÖc nµy cã thÓ thùc hiÖn b»ng c¸ch thiÕt kÕ buång t¸n x¹ ¸nh s¸ng vµ ®Þnh nghÜa tÝn hiÖu riªng.B»ng c¸ch coi nhiÖt ®é nh­ lµ ®Çu vµo thø hai cña m¸y dß,ta cã thÓ n©ng cao ®é tin cËy cña m¸y.Khi ®ã ®é nhËy cña sensor khãi quang ®iÖn cã thÓ gi÷ ë møc võa ®ñ ®Ó ph¸t hiÖn nh÷ng ®¸m ch¸y ©m Ø,cßn sensor nhiÖt ®é dïng ®Ó ph¸t hiÖn c¸c ®¸m ch¸y bïng.Nh­ vËy ta sÏ cã nh÷ng m¸y ph¸t hiÖn khãi cã thÓ ph¸t hiÖn ®¸m ch¸y ©m Ø vµ ch¸y bïng víi cïng ®é nhËy. Trªn h×nh 4.1-25 vµ 4.1-26 ng­êi ta so s¸nh ®¸p øng cña m¸y dß nhiÒu sensor víi m¸y dß chØ sö dông mét nguyªn lý c¶m biÕn. H×nh 4.1-24,25 vµ 26. C¸c kh¸i niÖm vÒ hÖ thèng. Trong hÇu hÕt c¸c øng dông,m¸y dß th­êng ho¹t ®éng b»ng pin vµ cã mét thiÕt bÞ b¸o hiÖu.Sè l­îng m¸y dß th­êng nhá h¬n 5 c¸i.Nh÷ng m¸y dß nµy ®éc lËp,tøc lµ nã cã ®­êng trao ®æi víi ®¬n vÞ ®iÒu khiÓn trung t©m.NÕu cã ®¸m ch¸y,cßi b¸o ®éng cña mét hoÆc nhiÒu m¸y dß sÏ ®­îc kÝch ho¹t.Do dông cô b¸o hiÖu ®­îc ®Æt trong vá cña m¸y dß,ta cã thÓ dÔ dµng ®Þnh vÞ ®¸m ch¸y.Tuy nhiªn nh­ thÕ sÏ kh«ng cã viÖc truyÒn tÝn hiÖu ®Õn c¸c lùc l­îng nh­ lÝnh cøu ho¶.HÖ thèng b¸o ch¸y kiÓu nµy gäi lµ dß t×m mét tr¹m. Trong c¸c øng dông th­¬ng m¹i,sè l­îng m¸y dß ®­îc l¾p ®Æt trong mét hÖ thèng b¸o ch¸y phô thuéc kÝch th­íc vµ lo¹i cña toµ nhµ.C¸c m¸y dß nµy trao ®æi víi c¸c ®¬n vÞ ®iÒu khiÓn trung t©m b»ng ph­¬ng tiÖn h÷­ tuyÕn hoÆc v« tuyÕn. Sù ph¸t triÓn hÖ thèng tõ nh÷ng n¨m 50,khi hÖ thèng b¸o ch¸y ®iÖn tö ®Çu tiªn xuÊt hiÖn trªn thÞ tr­êng,lu«n ®i theo xu h­íng chung cña c«ng nghiÖp ®iÖn tö.C¸c hÖ thèng ®Çu tiªn sö dông c«ng nghÖ ­íc lÖ,tËp thÓ trong ®ã c¸c m¸y dß ®­îc nèi víi mét ®­êng gèc hai d©y mét c¸ch b×nh ®¼ng víi nhau. C¸c hÖ thèng tËp thÓ vÉn ®­îc sö dông cho ®Õn ngµy nay,trong c¸c øng dông nhá.Nã cã gi¸ thµnh s¶n xuÊt l¾p ®Æt thÊp. H×nh 4.1-27 Vµo cuèi nh÷ng n¨m 1970 c¸c hÖ thèng míi xuÊt hiÖn trªn thÞ tr­êng ®· b¾t ®Çu tËn dông sù ph¸t triÓn nhanh chãng cña c¸c dông cô vi ®iÖn tö(ASIC, MC,MP...).¦u ®iÓm chÝnh cña c¸c dông cô nµy lµ tiªu thô Ýt n¨ng l­îng,ho¹t ®éng tèt,gi¸ thµnh h¹. C¸c hÖ thèng ®­îc giíi thiÖu lÇn l­ît lµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®­îc,hÖ thèng analog vµ hÖ thèng t­¬ng t¸c.Kh«ng gièng trong c«ng nghÖ truyÒn thèng,c¸c m¸y ®o trong c¸c hÖ thèng hiÖn ®¹i trao ®æi víi panel ®iÒu khiÓn b»ng c¸c dßng th«ng tin.VÞ trÝ cña m¸y dß cã thÓ ®­îc thÓ hiÖn ë panel d­íi d¹ng text hoÆc ®å häa. Trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®­îc,m¸y dß truyÒn th«ng tin vÒ tr¹ng th¸i cña nã cho panel.Trong hÖ thèng analog,gi¸ trÞ phô thuéc vµo thêi gian cña sensor ®­îc truyÒn ®Õn panel,sau ®ã panel sÏ xö lý tÝn hiÖu vµ quyÕt ®Þnh c¸c ho¹t ®éng tiÕp theo.Cßn trong hÖ thèng t­¬ng t¸c,MC trong m¸y dß sÏ xö lý tÝn hiÖu vµ quyÕt ®Þnh xem cã ®­a ra b¸o hiÖu hay kh«ng.Panel ®iÒu khiÓn cã nhiÖm vô ph©n tÝch tr¹ng th¸i cña c¸c m¸y dß ë nh÷ng vÞ trÝ kh¸c nhau. Ngµy nay hÇu hÕt c¸c hÖ thèng ®Òu lµ h÷u tuyÕn nh­ng ng­êi ta hy väng r»ng trong t­¬ng lai sÏ cã sù pha trén gi÷a h÷u tuyÕn vµ v« tuyÕn.Chóng ta còng ®· cã nhiÒu tiÕn bé trong viÖc ph¸t triÓn c«ng nghÖ kh«ng d©y ®Ó nèi m¸y dß víi panel ®iÒu khiÓn. C¸c hÖ thèng pha trén ®ang trë nªn quan träng trong viÖc b¶o vÖ c¸c c«ng tr×nh kiÕn tróc ®Ñp,kh«ng cho phÐp kÐo d©y ®Õn m¸y dß. H×nh 4.1-28 4.1.2.7.C¸c kh¸i niÖm vµ tiªu chuÈn øng dông. ViÖc øng dông c¸c nguyªn lý hÖ thèng kh¸c nhau ®ßi hái nh÷ng tri thøc rÊt cô thÓ.Ph¹m vi øng dông trªn thùc tÕ lµ rÊt réng,kh«ng chØ giíi h¹n trong nh÷ng m«i tr­êng khÐp kÝn mµ v­ît ra nh÷ng kh«ng gian më nh­ c¸c ®­êng hÇm hay khu c«ng nghiÖp.Víi nh÷ng hÖ thèng hiÖn ®¹i,ng­êi ta kh«ng nh÷ng ph¶i chän nguyªn lý dß t×m,mµ cßn ph¶i chän ®Æc tÝnh cña hÖ thèng th«ng qua viÖc th«ng sè ho¸ c¸c thuËt to¸n dß t×m.ThËm chÝ viÖc quyÕt ®Þnh cïng kh¸ch hµng xem hÖ thèng truyÒn thèng hay hÖ thèng tiªn tiÕn h¬n lµ phï hîp víi nhu cÇu cña kh¸ch còng lµ mét vÊn ®Ò quan träng. C¸c tham sè quan träng cÇn l­u ý khi thiÕt kÕ mét hÖ thèng b¸o ®éng lµ c¸c nguån cã thÓ g©y ho¶ ho¹n,vËt liÖu ch¸y næ,...VÝ dô nh­ trong mét kh¸ch s¹n nhá,hÖ thèng truyÒn thèng víi m¸y dß t¸n x¹ ¸nh s¸ng tá ra kh¸ hiÖu qu¶ trong khi ®ã nh÷ng nhµ chøa m¸y bay l¹i yªu cÇu mét hÖ thèng th«ng minh víi nhiÒu lo¹i sensor kh¸c nhau. 4.1.2.8.C¸c xu h­íng. C«ng nghiÖp b¸o ch¸y kh«ng ph¶i lµ ng­êi dÉn ®Çu trong sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ c¬ b¶n.Trong t­¬ng lai,c¸c xu h­íng c«ng nghÖ g¾n liÒn víi sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng b¸o hiÖu lµ: TiÕp tôc n©ng cao kh¶ n¨ng ho¹t ®éng,gi¶m gi¸ thµnh cña c¸c linh kiÖn vi ®iÖn tö. C«ng nghÖ sensor vµ c¸c hÖ thèng më. ChuÈn ho¸ SW vµ HW. C«ng nghÖ Web/Internet, multimedia/communication. Sö dông hîp lý c¸c xu h­íng ph¸t triÓn c«ng nghÖ nµy sÏ gióp n©ng cao chÊt l­îng cña c¸c hÖ thèng b¸o hiÖu thÕ hÖ sau,tõ ®ã ®em l¹i nhiÒu lîi Ých h¬n cho kh¸ch hµng. 4.1.2.9.C¸c tiªu chuÈn. EN 54 lµ mét tËp c¸c chuÈn dµnh cho c¸c hÖ thèng b¸o ch¸y,®­îc ph¸t triÓn bëi CEN TC72.C¸c chuÈn nµy ®­îc ¸p dông ë c¸c n­íc Ch©u ¢u,bao gåm rÊt nhiÒu c¸c chuÈn c¬ b¶n.C¸c quèc gia kh¸c nhau cã thÓ cã thªm c¸c yªu cÇu phô.TÊt c¶ c¸c hÖ thèng ph¸t hiÖn ch¸y ®Òu ph¶i ®­îc kiÓm tra vµ chøng nhËn bëi c¸c phßng thÝ nghiÖm vµ c¬ quan kiÓm chøng. 4.1.3 Ph¸t hiÖn khÝ. §èi víi nhiÒu hÖ thèng c«ng nghiÖp vµ d©n dông,c¸c hÖ thèng ph¸t hiÖn khÝ lµ mét thµnh phÇn quan träng cña hÖ thèng phßng tr¸nh nguy hiÓm,gióp b¶o vÖ con ng­êi khái c¸c khÝ ®éc h¹i hay c¸c vô ch¸y næ...Nh­ vËy,nhiÖm vô cña hÖ thèng ph¸t hiÖn khÝ lµ dß t×m c¸c khÝ ch¸y næ vµ khÝ ®éc. C¸c hÖ thèng thêi xa x­a sö dông chim b¹ch yÕn ®Ó t×m ra c¸c chÊt ®éc trong kh«ng khÝ,bëi v× loµi chim nµy nhËn biÕt khÝ ®éc tèt h¬n con ng­êi. Trong vßng 30 n¨m trë l¹i ®©y,c¸c hÖ thèng ph¸t hiÖn khÝ ®· ®­îc tËp trung ph¸t triÓn trong c¸c lÜnh vùc th­¬ng m¹i,c«ng nghiÖp vµ x©y l¾p d©n dông. 4.1.3.1 KhÝ ®éc vµ khÝ ch¸y næ. 4.1.3.1.1.C¸c khÝ ®éc. C¸c khÝ ®éc cÇn ph¶i ®­îc duy tr× ë nång ®é thÊp,cì mét vµi phÇn triÖu(ppm) hoÆc mg/m3.Møc ®éc h¹i cña khÝ ®­îc thÓ hiÖn b»ng gi¸ trÞ ng­ìng(TLV) lµ nång ®é tèi ®a mµ con ng­êi cã thÓ chÞu ®­îc trong suèt 8 tiÕng lµm viÖc. TLV ®«i khi cßn ®­îc gäi lµ nång ®é cho phÐp(MAC).§Ó thÓ hiÖn tÇm quan träng cña nång ®é khÝ,ng­êi ta ®· tÝnh to¸n gi¸ trÞ trung b×nh theo thêi gian trong 8 giê.Mét gi¸ trÞ quan träng n÷a lµ møc nguy hiÓm tøc thêi ®èi víi søc khoÎ con ng­êi. B¶ng 4.1-3 ®­a ra mét vµi gi¸ trÞ cña TLV 4.1.3.1.2.C¸c khÝ ch¸y næ. C¸c khÝ ch¸y næ trong kh«ng khÝ sÏ g©y nguy hiÓm trong kho¶ng nång ®é n»m gi÷a giíi h¹n d­íi (LEL) vµ giíi h¹n trªn (UEL).NÕu hçn hîp cña chÊt g©y ch¸y víi kh«ng khÝ qu¸ Ýt,nã sÏ kh«ng ph¸t næ ®­îc v× n»m d­íi møc LEL.Ng­îc l¹i,nÕu qu¸ nhiÒu,trªn møc UEL th× nã còng kh«ng thÓ g©y ra ch¸y.ChØ cã kho¶ng gi÷a LEL vµ UEL lµ nguy hiÓm.V× vËy c¸c sensor khÝ dµnh cho phßng chèng ch¸y th­êng dß t×m c¸c gi¸ trÞ nång ®é ë d­íi møc LEL,th­êng møc b¸o hiÖu lµ 60% LEL.C¸c gi¸ trÞ ®o l­êng còng ®­îc thÓ hiÖn d­íi d¹ng % cña LEL. §Ó cho mét ®¸m ch¸y xuÊt hiÖn,cÇn cã chÊt g©y ch¸y,oxy vµ mét nguån n¨ng l­îng ban ®Çu.NÕu nång ®é cña chÊt g©y ch¸y n»m gi÷a LEL vµ UEL, tèc ®é cña qu¸ tr×nh oxy hãa sÏ t¨ng lªn cho ®Õn khi ph¶n øng trªn ®­îc gäi lµ mét vô næ (H×nh 4.1-30). H×nh 4.1-31.M¸y ph¸t hiÖn khÝ. 4.1.3.2 ThiÕt bÞ xóc t¸c(Pellistors). C¸c c¶m biÕn xóc t¸c ®­îc dïng ®Ó dß t×m c¸c khÝ g©y ch¸y trong kho¶ng LEL.Cßn pellistor lµ mét m¸y ®o nhiÖt l­îng thu nhá,dïng ®Ó ®o l­îng nhiÖt oxy ho¸ cña mét khÝ g©y ch¸y nµo ®ã.Pellistor th­êng cã mét lâi platin,®ãng vai trß nh­ mét vËt liÖu c¶m nhËn nhiÖt vµ nhiÖt ®é tøc thêi.Lâi nµy ®­îc bäc trong mét vá ceramic víi chÊt xóc t¸c,n¬i ph¶n øng oxy ho¸ cña khÝ x¶y ra. C«ng viÖc ®o l­êng ®­îc thùc hiÖn víi hai b­íc nh­ trªn h×nh 4.1-32. Ph¶n øng ho¸ häc ë thµnh phÇn xóc t¸c chñ ®éng lµ ph¶n øng to¶ nhiÖt,g©y ra t¨ng H×nh 4.1-32. nhiÖt ®é,tõ ®ã g©y ra sù thay ®æi trong ®iÖn trë cña d©y platin.Nh­ vËy,sù mÊt c©n b»ng ë m¹ch cÇu sÏ tû lÖ víi nång ®é khÝ.§Ó kÝch thÝch ph¶n øng,vá ceramic cÇn ph¶i ®­îc nung nãng lªn ®Õn nhiÖt ®é kho¶ng 500 ®é C. C¸c chÊt xóc t¸c ®­îc lµm tõ kim lo¹i quý nh­ platin hay palladium. Ph­¬ng tr×nh cña ph¶n øng táa nhiÖt cña Methane: GÇn ®©y,ng­êi ta ®· cho ra ®êi c¸c sensor xóc t¸c ®­îc lµm tõ silic víi kü thuËt l¾ng ®äng phi kim máng vµo m¸y nhá. 4.1.3.3 C¸c tÕ bµo quang ©m. ViÖc dß t×m khÝ theo nguyªn lý quang ©m dùa vµo viÖc ®o sù thay ®æi ¸p suÊt sinh ra trong mét c¸i hèc do sù hÊp thô cã chän läc bøc x¹ hång ngo¹i (IR). Nguån IR lµ ®Ìn d©y tãc hay laser.Nguån nµy ®­îc rêi r¹c ho¸ b»ng c¸c m¸y c¬ hoÆc b»ng c¸ch ®iÒu biÕn dßng kÝch thÝch.Bøc x¹ IR sau khi ®i qua mét bé läc quang sÏ ®­îc hÊp thô bëi mét tÕ bµo hèc.C¸c bøc x¹ bÞ hÊp thô sÏ lµm t¨ng nhiÖt ®é cña khÝ.KÕt qu¶ lµ ¸p suÊt trong hèc bÞ biÕn ®æi cïng víi tÇn sè cña tia IR tíi,vµ ®­îc ®o bëi mét microphone. C¸c chÊt khÝ cã thÓ ph¸t hiÖn b»ng ph­¬ng ph¸p quang ©m ®­îc liÖt kª trong b¶ng 4.1-4. H×nh 4.1-34 B¶ng 4.1-4 KhÝ cã thÓ ®­îc trao ®æi thô ®éng gi÷a tÕ bµo ®o vµ m«i tr­êng cña nã b»ng c¸ch khuyÕch t¸n,hoÆc mét c¸ch chñ ®éng b»ng van vµ b¬m.Ph­¬ng ph¸p sau chÝnh lµ ý t­ëng cho viÖc ®o l­êng nhiÒu ®iÓm.Ph¹m vi øng dông chÝnh cña c¸c tÕ bµo quang ©m lµ trong kiÓm tra chÊt l­îng kh«ng khÝ trong nhµ.Mét thÞ tr­êng quan träng n÷a lµ ph¸t hiÖn sù rß cña freon vµ ammonia. H×nh 4.1-35 Ngoµi ra cßn cã nhiÒu ph­¬ng ph¸p kh¸c ®Ó ®o nång ®é khÝ,vÝ dô nh­ kü thuËt IR t¸n x¹ vµ kh«ng t¸n x¹,hoÆc lµ ph­¬ng ph¸p ®o c¸c khÝ mÇu.Tuy vËy,kh«ng cã ph­¬ng ph¸p nµo trong sè c¸c ph­¬ng ph¸p trªn ®­îc sö dông mét c¸ch réng r·i trong thùc tÕ v× lý do kinh tÕ vµ khã kh¨n trong l¾p ®Æt. 4.1.3.4 TÕ bµo c¬ ®iÖn tö. D¹ng ®¬n gi¶n nhÊt cña mét c¶m biÕn c¬ ®iÖn tö lµ mét pin khÝ kim lo¹i khuyÕch t¸n h¹n chÕ víi mét mµng kim lo¹i b¸n thÈm thÊu vµ hai ®iÖn cùc ®­îc ng©m trong mét dung dÞch ®iÖn ph©n.NÕu cã mét khÝ cã thÓ oxy ho¸ ®­îc nh­ CO xuÊt hiÖn trong kh«ng khÝ,nã sÏ khuyÕch t¸n ®Õn ®iÖn cùc c¶m biÕn vµ g©y ra sù dÞch ®iÖn thÕ cña ®iÖn cùc nµy.Nh­ vËy,do sù kh¸c nhau vÒ ®iÖn thÕ gi÷a ®iÖn cùc c¶m biÕn vµ ®iÖn cùc ®Õm,sÏ cã mét dßng ®iÖn ch¹y qua m¹ch ngoµi. Víi c¶m biÕn c¬,c¸c ph¶n øng hãa häc lµ: §Ó ph¶n øng x¶y ra ®­îc cÇn cã oxy cung cÊp cho ®iÖn cùc ®Õm tõ bªn ngoµi.Nguyªn lý trªn cã thÓ ®­îc ¸p dông ®Ó ®o c¸c lo¹i khÝ cã thÓ ph¶n øng trªn ®iÖn cùc.Dßng ®iÖn sinh ra sÏ tû lÖ víi nång ®é khÝ.Víi CO,dßng ®iÖn nµy n»m trong kho¶ng 0,1A/ppm.D­íi ®©y lµ mét vÝ dô vÒ mét sè sensor c¬ ®iÖn tö cã b¸n trªn thÞ tr­êng: §Ó bï ®¾p sù ph©n cùc cña ®iÖn cùc ®Õm,tÊt c¶ c¸c sensor ®Òu cã 3 ®iÖn cùc. C¸c tÕ bµo c¬ ®iÖn tö cã tÝn hiÖu æn ®Þnh vµ tuyÕn tÝnh,rÊt nh¹y trong kho¶ng ppm,Ýt chÞu ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é,®é Èm,va ch¹m vµ tiªu thô Ýt n¨ng l­îng.Nh­îc ®iÓm chÝnh cña nã lµ tuæi thä thÊp (2-3 n¨m) vµ gi¸ thµnh cao so víi c¸c sensor b¸n dÉn hay sensor xóc t¸c. C¶m biÕn tÕ bµo c¬ ®iÖn tö cßn ®­îc dïng kÕt hîp víi c¸c m¸y dß khãi. C¸c tÕ bµo nµy lµm tõ mét dung dÞch ®iÖn ly chøa H2SO4. H×nh 4.1-36.S¬ ®å nguyªn lý cña sensor 3 ®iÖn cùc. H×nh 4.1-37.Mét sensor c¬ ®iÖn tö thu nhá. H×nh 4.1-38.C¬ chÕ ph¶n øng cña m¸y dß SnO2 b¸n dÉn. 4.1.3.5 Oxide kim lo¹i. C¶m biÕn khÝ kiÓu oxide kim lo¹i gåm cã mét miÕng phim dÇy (30m) hoÆc mét miÕng phim máng.Oxy trong kh«ng khÝ s¹ch,víi ®Æc tÝnh lµ hót nh÷ng electron tù do,sÏ bÞ hÊp thô trªn bÒ mÆt SnO2,t¹o ra mét hµng rµo thÕ ë biªn giíi khuyÕch ®¹i,vµ hµng rµo thÕ nµy sÏ lµm gi¶m sù chuyÓn ®éng cña electron.Khi c¶m biÕn tiÕp xóc víi mét chÊt khÝ,vÝ dô nh­ CO,bÒ mÆt SnO2 sÏ bÞ oxy ho¸ bëi c¸c ph©n tö khÝ bÞ hÊp thô.HiÖn t­îng nµy sÏ lµm gi¶m hµng rµo thÕ,dÉn ®Õn sù t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña líp b¸n dÉn.Ph¶n øng x¶y ra víi chÊt khÝ phô thuéc vµo nhiÖt ®é,vµ chu tr×nh ho¹t ®éng. C¸c sensor SnO2 ®­îc s¶n xuÊt theo l«,víi sè l­îng lín.Sensor b¸n dÉn cã ®Æc ®iÓm chung lµ tuæi thä cao,®é tin cËy vµ ®é nhËy cao,®¸p øng nhanh,gi¸ thµnh h¹.Sö dông c¸c lo¹i sensor ®Æc biÖt cßn gióp lo¹i bá ¶nh h­ëng cña ®é Èm (Microsens). H×nh 4.1-39 4.1.3.6 C¸c kh¸i niÖm vµ chuÈn trong thùc tÕ. §¬n vÞ ®iÒu khiÓn cña hÖ thèng ph¸t hiÖn khãi cã nhiÖm vô thùc hiÖn tÊt c¶ c¸c chøc n¨ng gióp cho hÖ thèng ho¹t ®éng.Trong øng dông d©n dông,c¸c m¸y dß cung cÊp n¨ng l­îng b»ng pin.Phæ biÕn nhÊt lµ c¸c m¸y kiÓm tra khÝ CO2 trong bÕp.Trong c«ng nghiÖp,cã nhiÒu lo¹i m¸y dß ®­îc sö dông,t¹o thµnh nh÷ng hÖ thèng ph¸t hiÖn khÝ lín.Nh÷ng hÖ thèng nµy bao gåm nhiÒu møc b¸o hiÖu.Møc thø nhÊt ®­a ra c¶nh b¸o sím vÒ nh÷ng nguy hiÓm ®ang t¨ng lªn vµ th«ng b¸o cho nh©n viªn gi¸m s¸t ®Ó cã nh÷ng xö lý cÇn thiÕt. Møc thø hai b¸o hiÖu vµ tù dõng ho¹t ®éng cña khÝ.Møc thø ba c¶nh b¸o vÒ nh÷ng lçi trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña hÖ thèng,vÝ dô nh­ mÊt n¨ng l­îng, giao tiÕp sai... Trong khi l¾p ®Æt m¸y ph¸t hiÖn khÝ,mçi sensor cÇn ph¶i ®­îc chuÈn hãa mét c¸ch ®éc lËp,còng nh­ cÇn ®­îc kiÓm tra møc 0 vµ kho¶ng ®¸p øng. Th«ng th­êng,ng­êi ta hay dïng kh«ng khÝ s¹ch ®Ó thiÕt lËp møc 0, vµ dïng mét hµm l­îng khÝ nhÊt ®Þnh ®Ó x¸c ®Þnh kho¶ng.ViÖc lËp kÕ ho¹ch vµ thùc hiÖn l¾p ®Æt ph¶i ®­îc tiÕn hµnh hÕt søc cÈn thËn.C¸c sensor ph¶i ®­îc ®Æt ë vÞ trÝ thuËn lîi,võa cã thÓ dÔ dµng ph¸t hiÖn ra khÝ,võa cã thÓ ®ãn ®­îc h­íng chuyÓn ®éng cña dßng kh«ng khÝ. Nh÷ng ®iÓm cÇn quan t©m lµ: sù chuyÓn ®éng cña kh«ng khÝ. qu¸ tr×nh th«ng h¬i. sù khuyÕch t¸n. chiÒu cao l¾p ®Æt. C¸c m¸y dß th­êng ®­îc ®Ó trªn t­êng hay cét,c¸ch sµn nhµ kho¶ng 1,6m. Riªng m¸y dß CO2 th­êng ®Æt c¸ch nÒn nhµ 20-30cm. 4.1.4.C¶m biÕn x©m nhËp. HÖ thèng ph¸t hiÖn x©m nhËp ng¨n chÆn nh÷ng kÎ ®ét nhËp dùa vµo c¸c hiÖn t­îng vËt lý nh­ sù thay ®æi ¸p suÊt,sãng ©m,sù rung ®éng...C¸c sensor sÏ chuyÓn c¸c hiÖu øng vËt lý thµnh tÝn hiÖu ®iÖn.Cã hai nguyªn t¾c ph¸t hiÖn c¬ b¶n lµ c¬ häc vµ tù ®éng (hoÆc thô ®éng vµ tÝch cùc). Trong ph¸t hiÖn thô ®éng,c¸c sensor chØ nhËn c¸c biÕn ®æi vËt lý.VÝ dô nh­ c¸c m¸y dß chuyÓn ®éng hång ngo¹i,m¸y dß rung ®éng,...Cßn m¸y dß tÝch cùc cã c¶ xé thu vµ ph¸t,nã so s¸nh c¸c th«ng sè cña tÝn hiÖu truyÒn ®i vµ tÝn hiÖu nhËn ®­îc. 4.1.4.1 Nguyªn lý ph¸t hiÖn thô ®«ng. 4.1.4.1.1.M¸y dß hång ngo¹i thô ®éng (PIR). PIR lµ thµnh phÇn chÝnh cña ho¹t ®éng gi¸m s¸t kh«ng gian trong viÖc chèng x©m nhËp.Vµo thêi k× ®Çu,c¸c m¸y dß th­êng cã c¸c cÆp nhiÖt ®é nhËy cao. C¸c c¶m biÕn nµy sÏ ®o sù gia t¨ng nhiÖt ®é dT khi cã ai ®ã ®i vµo trong phßng.Sau ®ã chóng l¹i ®­îc thay thÕ b»ng c¸c sensor nhiÖt ®iÖn nhËy h¬n vµ cã kh¶ n¨ng ph¶n øng víi sù thay ®æi nhiÖt ®é dT/dt. Con ng­êi vµ c¸c loµi vËt lµ nh÷ng nguån bøc x¹ hång ngo¹i di ®éng.Con ng­êi cã nhiÖt ®é trung b×nh 37.C,th× kho¶ng bøc x¹ hång ngo¹i lín nhÊt sÏ lµ ë b­íc sãng 10m.V× con ng­êi cã thÓ ®­îc ph©n biÖt víi c¸c bøc x¹ m«i tr­êng nªn viÖc gi¸m s¸t kh«ng gian lµ kh¸ hiÖu qu¶.Ng­êi ta th­êng dïng mét hÖ thèng quang,chia kh«ng gian thµnh mét sè vïng nhÊt ®Þnh tuú theo ®iÒu kiÖn thùc tÕ.ViÖc ph©n chia kh«ng gian cã thÓ thùc hiÖn theo nguyªn lý g­¬ng parabol hay thÊu kÝnh Fresnel. Trªn h×nh 4.1-42 lµ mét c¶m biÕn hång ngo¹i nhiÖt ®iÖn víi hai thµnh tè tÝch cùc kÝch th­íc 12mm,lµm tõ LiTaO3, JFET vµ mét ®iÖn trë.Bøc x¹ IR ®i qua mét bé läc th«ng d¶i (8-12m) ®Õn bé hÊp thô cña Pt hoÆc NiCr. Bé läc quang lµ mét thµnh phÇn quan träng gióp lo¹i bá rñi ro vÒ b¸o hiÖu nhÇm do ¸nh s¸ng bªn ngoµi.Ngoµi ra ®Ó triÖt tiªu c¸c tÝn hiÖu gi¶ tõ c¸c nguån ¸nh s¸ng kh¸c nh­ mÆt trêi,cÇn cã thªm c¸c bé läc phô.H×nh4.1-43 tr×nh bÇy c¸c lo¹i bé läc kh¸c nhau th­êng ®­îc sö dông. Ta cã thÓ m« t¶ mét sensor hång ngo¹i nhiÖt ®iÖn mét c¸ch ®¬n gi¶n.Hµm ph¸t x¹ S(t) cña mét kÎ x©m nhËp ®­îc x¸c ®Þnh b»ng dßng n¨ng l­îng trong sensor qua bé läc vµ hÖ thèng quang.Trong ph­¬ng tr×nh d­íi ®©y,nhiÖt ®é cña miÕng LiTaO3 lµ (t) vµ ®iÖn ¸p ®Æt lªn nã lµ (t): Sensor hång ngo¹i cã mét sè th«ng sè quan träng lµ kÝch th­íc,nhiÔu vµ thêi gian ®¸p øng. H×nh 4.1-40.M¸y dß hång ngo¹i thô ®éng H×nh 4.1-41 H×nh 4.1-42 H×nh 4.1-43 §é nhËy lµ ®Æc tÝnh ®­îc sö dông nhiÒu nhÊt,nã thÓ hiÖn sù ®¸p øng víi bøc x¹,vµ ®­îc ®Þnh nghÜa lµ sù thay ®æi cña ®iÖn ¸p U trªn mét ®¬n vÞ thay ®æi cña c«ng suÊt tíi. Mét m¸y dß th«ng th­êng cã ®é nh¹y kho¶ng 300V/W ë 1Hz.Gi¸ trÞ nµy phô thuéc vµo vËt liÖu,b­íc sãng vµ gãc tíi. 4.1.2.1.2.C¸c xu h­íng trong c«ng nghÖ c¶m biÕn hång ngo¹i. Cã h¬n mét triÖu lo¹i c¶m biÕn hång ngo¹i ®· ®­îc s¶n xuÊt trªn thÕ giíi. Tuy nhiªn c«ng nghÖ nµy ®ang dÇn mÊt ®i vÞ trÝ cña m×nh,tõ khi c¸c sensor nhiÒu thµnh phÇn (array) vµ sensor tÝch hîp m¹ch ®iÖn tö b¾t ®Çu xuÊt hiÖn trªn thÞ tr­êng. 4.1.4.1.3.MiÒn g­¬ng vµ miÒn Fresnel. TÊt c¶ c¸c m¸y dß PIR ®Òu sö dông thÊu kÝnh Fresnel.Nguyªn lý Fresnel dùa trªn sù ph©n chia mét hÖ thèng quang thµnh c¸c thÊu kÝnh nhá.Víi mçi vïng kh¶o s¸t,c¸c thÊu kÝnh nµy l¹i ®­îc chia thµnh vµi ®o¹n n÷a.Bøc x¹ IR ®i ®Õn thÊu kÝnh víi sensor nhiÖt ®é ë tiªu ®iÓm cña nã.HÖ thèng c¸c thÊu kÝnh cßn ph¶i cã chung mét tiªu cù cho tÊt c¶ c¸c vïng.Nh÷ng ai ë trong vïng l©n cËn sÏ ®­îc sensor c¶m nhËn lµ rÊt to,cßn ë ngoµi vïng nµy th× ng­îc l¹i,rÊt bÐ. Mét con chuét ®i qua vïng gÇn cã thÓ t¹o ra mét tÝn hiÖu t­¬ng ®­¬ng víi mét ng­êi ®i qua vïng xa. H×nh 4.1-44 H×nh 4.1-45 H¹n chÕ nghiªm träng nµy ®­îc kh¾c phôc trong c¸c m¸y dß PIR chÊt l­îng cao b»ng hÖ thèng g­¬ng ph¶n x¹. H×nh 4.1-46.ThÊu kÝnh Fresnel. 4.1.4.1.4.Camera. HÖ thèng CCTV cã thÓ ®­îc sö dông trong c¸c toµ nhµ ®Ó gi¸m s¸t c¸c vïng, c¸c vËt thÓ,sù kiÖn ®Ó chøng thùc c¸c c¶nh b¸o,hoÆc ®Ó bæ xung cho viÖc ®iÒu khiÓn vµo ra.HÖ thèng bao gåm camera,m¸y dß chuyÓn ®éng h×nh ¶nh, m¸y kiÓm tra,vµ c¸c ®¬n vÞ truyÒn h×nh ¶nh th­êng ®­îc sö dông trong c¸c m¹ng th«ng tin di ®éng hay c¸ nh©n. C¸c camera gi¸ rÎ ®ang ®­îc sö dông ngµy cµng nhiÒu ®Ó hç trî c¸c m¸y dß chuyÓn ®éng vµ chøng thùc c¸c b¸o hiÖu trong hÖ thèng x©m nhËp.H×nh 4.1-47 minh häa mét camera th­êng ®­îc sö dông trong thùc tÕ. C¶m biÕn h×nh ¶nh sÏ tiÕp tôc ®em l¹i tiÕn bé cho c«ng nghiÖp s¶n phÈm d©n dông.C¸c hÖ thèng camera hoµn chØnh chØ gåm mét chip ®¬n cã vá bäc vµ hÖ thèng thÊu kÝnh ®­îc thu nhá ®Õn kÝch th­íc võa ph¶i ®ang xuÊt hiÖn trªn thÞ tr­êng.Sù kÕt hîp gi÷a PIR vµ c«ng nghÖ camera trong ph¸t hiÖn x©m nhËp høa hÑn kh¶ n¨ng dß t×m tèt h¬n trong t­¬ng lai gÇn. H×nh 4.1-47 4.1.4.1.5.Microphone rung ®éng/chÊn ®éng. Muèn ph¸ mét m¸i vßm hay mét m¸y ATM th× cÇn ph¶i c¾t bá ®i mét líp vá s¾t/thÐp,nghÜa lµ cÇn ph¶i cã c¸c dông cô nh­ c­a,...Ho¹t ®éng nµy sÏ t¹o ra c¸c rung ®éng c¬ häc,c¸c rung ®éng nµy l¹i ®­îc truyÒn ®i d­íi d¹ng sãng ©m.Phæ tÇn sè cña c¸c rung ®éng c¬ häc nµy lµ rÊt kh¸c nhau. Sãng ®µn håi lan truyÒn theo cÊu tróc vµ cã thÓ ®o b»ng m¸y ®o gia tèc cña mét m¸y dß chÊn ®éng.Nãi chung m¸y ®o céng h­ëng th­êng ®­îc sö dông trong c¸c s¶n phÈm trªn thÞ tr­êng. M¸y ®o chÊn ®éng lµ mét hÖ thèng thô ®éng cã nhiÖm vô ph©n tÝch tÇn sè, biªn ®é vµ ®é dµi cña tÝn hiÖu tíi.ViÖc ph©n tÝch ®ßi hái c¸c thuËt to¸n vµ m¹ch ®iÖn phøc t¹p bëi v× tÝn hiÖu thËt bÞ lÉn víi c¸c dao ®éng cña thÐp. H×nh 4.1-48 H×nh 4.1-49.M¸y ph¸t hiÖn rung ®éng. 4.1.4.1.6.C«ng t¾c. Qu¸ tr×nh më cöa sæ vµ cöa ra vµo cã thÓ ®­îc gi¸m s¸t b»ng c¸c microswitch vµ c«ng t¾c tõ.C«ng t¾c tõ bao gåm hai thµnh phÇn,mét c«ng t¾c Ried vµ mét nam ch©m vÜnh cöu.C¸c thµnh phÇn/®¬n vÞ nµy ®­îc ®Æt trªn vËt thÓ bÞ gi¸m s¸t.¥ vÞ trÝ nµy,c«ng t¾c Ried ®­îc ®ãng nhê vµo hiÖu øng cña tõ tr­êng.NÕu bá nam ch©m vÜnh cöu ®i,¶nh h­ëng cña tõ tr­êng sÏ gi¶m,c«ng t¾c ®­îc më sÏ kÝch ho¹t bé phËn b¸o hiÖu.