CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ CHIẾU SÁNG VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐÈN ĐỌC PHIM TRONG Y TẾ
Cở sở lý thuyết về chiếu sáng, các thông số quan trọng trong đo lường ánh sáng
1.1.1 Cường độ sáng - Luminous Intensity
Cường độ sáng là một đại lượng quang học cơ bản dùng để đo thông số nguồn sáng, thuộc hệ thống đo lường quốc tế với đơn vị là candela (cd) Khái niệm này thể hiện mật độ năng lượng phát ra từ nguồn sáng theo một hướng cụ thể, được định nghĩa là quang thông phát ra trên một đơn vị góc khối (1cd = 1 lumen/steradian) Từ tháng 10-1979, CIE đã đưa ra định nghĩa mới cho candela, xác định nó là cường độ sáng của nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 555nm với cường độ năng lượng là 1/683 w/steradian.
Candelas, có nguồn gốc từ tiếng Latinh nghĩa là "ngọn nến", là đơn vị đo cường độ ánh sáng, với một ngọn nến thông thường phát ra ánh sáng khoảng một candela Khi một số hướng bị che khuất, cường độ ánh sáng vẫn duy trì khoảng một candela trong các hướng không bị che Để mô tả sự phân bố cường độ sáng trong không gian, người ta sử dụng hệ tọa độ cực với gốc là nguồn sáng và các vectơ cường độ sáng Biểu đồ này thường được thể hiện trong mặt phẳng hoặc nửa mặt phẳng qua đường cong cắt bởi các mặt phẳng kinh tuyến Đối với các nguồn sáng đối xứng tròn xoay, chỉ cần cắt bởi một mặt phẳng kinh tuyến Các phép đo cường độ sáng cần được thực hiện trong phòng đo chuyên biệt và sử dụng thiết bị goniophotometers.
Cường độ ánh sáng, hay còn gọi là cường độ sáng, là thông số xác định năng lượng phát ra từ một nguồn sáng theo hướng cố định Cụ thể, một nguồn sáng phát ra 1 candela (cd) có cường độ sáng tương ứng với 1 lumen (lm) đẳng hướng trong một góc đặc Khi đứng cách nguồn sáng 1m, nguồn sáng 1 candela sẽ phát ra 1 lm trên diện tích 1m² Kí hiệu của cường độ ánh sáng là I và đơn vị đo là Candela, với 1 cd = 1 lm/sr Bội số của candela là kilocandela (kcd), trong đó 1 kcd = 1.000 cd.
Công thức định nghĩa của cường độ ánh sáng:
Trong đó: o I : Cường độ ánh sáng (cd) o Ф: Quang thông (lm) o W: góc tán xạ mà ánh sáng tỏa ra (rad)
Bảng 1.1 Bảng cường độ sáng của một số nguồn sáng
Nguồn sang Cường độ sáng (cd)
Ngọn nến 0,8cd theo mọi phương Đèn sợi đốt 40w 35cd theo mọi phương Đèn halogen kim loại có bộ phản xạ
14.800cd theo mọi phương, 250.000cd ở tâm chùm tia
Độ rọi là đại lượng đo lường mật độ quang thông trên bề mặt chiếu sáng, được tính bằng Lux, với 1 lux tương đương 1 lumen trên 1 m² Khi ánh sáng không đồng đều, độ rọi được xác định bằng trung bình đại số của độ rọi ở các điểm khác nhau Mặc dù độ rọi và độ chói có nhiều điểm tương đồng, điểm khác biệt chính là độ rọi liên quan đến diện tích bề mặt chiếu sáng, trong khi độ chói không Khoảng cách từ nguồn sáng đến bề mặt cũng ảnh hưởng đến độ rọi.
Khi nguồn sáng chiếu vào bề mặt nhỏ, độ sáng sẽ cao hơn so với khi chiếu vào bề mặt lớn Nếu chùm sáng tập trung vào diện tích nhỏ và có khả năng truyền xa, độ rọi sẽ cao Ngược lại, chùm sáng có độ rọi thấp sẽ chỉ truyền được khoảng cách ngắn hơn khi chiếu vào bề mặt rộng.
Độ rọi không chỉ phụ thuộc vào nguồn sáng mà còn liên quan đến vị trí của bề mặt được chiếu sáng Khi xem xét nguồn sáng như một điểm O với cường độ sáng I, độ rọi trên bề mặt nguyên tố dS, cách O một khoảng d, sẽ thay đổi theo độ nghiêng của bề mặt (góc giữa pháp tuyến dS và phương d) và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách d.
Trong đó o E: Độ rọi (Lux) o I: Cường độ ánh sáng (cd) o D: khoảng cách từ nguồn sáng tới đểm cần đo (m)
Khi xem nguồn sáng như một chất điểm, các điểm trong bán kính 1m xung quanh sẽ có độ rọi tương đương với cường độ sáng Tuy nhiên, trong thực tế, nguồn sáng không phải là một chất điểm và khoảng cách 1m thường quá ngắn, do đó cường độ sáng ít được sử dụng hơn so với độ rọi.
Bảng 1.2 Bảng độ rọi trên một số bề mặt thường gặp Địa điểm được chiếu sáng Độ rọi (lux)
Ngoài trời giữa trưa nắng 100.000 lux
Ngoài trời giữa trưa đầy mây
Quang thông là đại lượng trắc quang thể hiện công suất bức xạ của chùm ánh sáng từ một nguồn sáng, được định nghĩa là thông lượng ánh sáng phát ra theo mọi hướng trong một giây, với đơn vị đo là lumen (lm) Để đo quang thông của nguồn sáng nhân tạo, người ta sử dụng thiết bị chuyên dụng gọi là Photometric hay Integrating sphere Quang thông (lumen) được tính bằng tích của cường độ ánh sáng (cd) và góc tán xạ mà ánh sáng tỏa ra (w).
Trong đó: o Φ: Quang thông (lm) o I: cường độ sáng (cd) o w: góc tán xạ mà ánh sáng tỏa ra (rad)
Bảng 1.3 Bảng quang thông của một số nguồn sáng
(lumen) Đèn sợi đốt 60W 685 Đèn compact 11W 560 Đèn huỳnh quang 40W 2700 Đèn NA cao áp 400W 47000 Đèn halogen kim loại 2kW 180000
1.1.4 Độ chói – Luminance Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ chói là đại lượng xác định cường độ ánh sáng phát ra trên một đơn vị diện tích của một bề mặt theo một hướng cụ thể nó ước lượng ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận và phụ thuộc vào hướng quan sát Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác
Ký hiệu: L Đơn vị: Candela/m2 (cd/m2)
Bảng 1.4 Bảng độ chói của một số nguồn sáng thông dụng
Nguồn sang Độ chói (cd/m2)
Bề mặt mặt trời 165.107 cd/m2
Bề mặt mặt trăng 1500 cd/m2
Giấy trắng khi độ rọi 400 lux 80 cd/m2
Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux
Mức độ đồng đều của độ rọi được xác định bằng tỉ số giữa giá trị độ rọi tối thiểu và độ rọi trung bình Để đảm bảo chất lượng ánh sáng, độ rọi cần thay đổi một cách dần dần và vùng làm việc phải được chiếu sáng một cách đồng đều.
Để đảm bảo chất lượng, độ đồng đều của độ rọi vùng làm việc của đèn đọc phim không được nhỏ hơn 0,7, tức là phải đạt trên 70% Tuy nhiên, thực tế cho thấy hầu hết các loại đèn đọc phim trên thị trường hiện nay có độ đồng đều từ 90-95% Số liệu này càng cao cùng với các chỉ số kỹ thuật về kích thước và độ an toàn sẽ làm tăng giá trị và độ tin cậy của đèn đọc phim trong các bệnh viện.
Trong đó: o U: độ đồng đều o Emin: giá trị độ rọi nhỏ nhất (lux) o Etb: giá trị độ rọi trung bình (lux)
Phương pháp tính toán chiếu sáng
Độ đồng đều về ánh sáng là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng đèn đọc phim Một chiếc đèn tốt cần có độ đồng đều cao, không xuất hiện vệt tối Để xác định độ đồng đều, cần tính toán độ rọi nhỏ nhất và độ rọi trung bình Tôi sử dụng phương pháp đo độ rọi tại từng điểm trên bề mặt đèn, chia bề mặt thành các điểm cách đều nhau và thu thập dữ liệu độ rọi tại mỗi điểm Từ đó, độ sáng trung bình của đèn sẽ được tính toán theo công thức phù hợp.
Lấy giá trị nhỏ nhất trong tập dữ liệu cùng với độ rọi trung bình ta thu được độ đồng đều ánh sáng của đèn
Việc chia mặt phẳng chiếu sáng thành nhiều điểm đo tăng độ chính xác của phép toán, nhưng đo thủ công tốn thời gian và có thể không chính xác Để khắc phục điều này, tôi đã thiết kế hệ thống đo tự động sử dụng khung CNC để điều khiển đèn di động trên mặt phẳng cố định, với kết quả được ghi lại bằng phần mềm Matlab, mà tôi sẽ mô tả chi tiết trong các phần tiếp theo.
* TỔNG QUAN VỀ ĐÈN ĐỌC PHIM TRONG Y TẾ VÀ TIÊU CHUẨN CHIẾU SÁNG TRONG CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH:
Đèn đọc phim trong y tế
1.3.1 Giới thiệu Đèn đọc phim là một thiết bị y tế, loại đèn dùng để hỗ trợ quan sát các tấm film X-quang, CT, MRI giúp các bác sĩ chẩn đoán hình ảnh một cách chính xác hơn Đèn đọc phim có kích thước đa dạng nhưng có một hình mẫu dựa trên hình hộp chữ nhật
Đèn đọc phim hiện nay rất đa dạng và có thể được phân loại dựa trên loại bóng chiếu sáng Chúng ta có thể chia đèn đọc phim thành ba loại chính, mỗi loại mang những đặc điểm và công dụng riêng.
Đèn đọc phim sử dụng bóng điện huỳnh quang (bóng tuýp)
Đèn đọc phim sử dụng bóng tuýp led
Đèn đọc phim sử dụng đèn LED thanh nhằm hỗ trợ quan sát các tấm phim, trong đó bộ phát sáng là phần quan trọng không thể thiếu Tùy thuộc vào từng loại đèn, bộ phát sáng sử dụng các loại bóng khác nhau và cần có nguồn điện cấp vào như 220v, 12v, 24v với công suất phù hợp Tấm mica sẽ hứng ánh sáng từ bộ phát sáng, bên cạnh đó, mỗi loại đèn còn có cấu tạo riêng biệt được trình bày ở các phần tiếp theo.
1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại đèn lọc phim
1.3.2.1 Cấu tạo đèn đọc phim sử dụng bóng điện huỳnh quang Đèn đọc phim sử dụng bóng điện huỳnh quang là loại đèn được sử dụng phổ biến trước đây trong các bệnh viện, đèn này sử dụng các bóng huỳnh quang mắc bên trong để phát sáng Cấu tạo chi tiết của đèn như hình dưới đây:
Hình 1.4: Đèn đọc phim sử dụng bóng huỳnh quang
Hình 1.5: Cấu tạo đèn đọc phim sử dụng bóng huỳnh quang
Đèn đọc phim hoạt động với nguồn điện 220V trực tiếp từ lưới điện, được bảo vệ bởi cầu chì khi có sự thay đổi đột ngột về điện áp Đèn sử dụng tắc te để khởi động và bao gồm ít nhất hai bóng huỳnh quang Cấu tạo của đèn rất đơn giản với công tắc để bật tắt khi cần thiết.
1.3.2.2 Cấu tạo đèn đọc phim sử dụng bóng tuýp led
Hình 1.6: Cấu tạo đèn tuýp led
Đèn đọc phim sử dụng bóng tuýp LED có cấu tạo tương tự như đèn đọc phim sử dụng bóng đèn huỳnh quang, nhưng điểm khác biệt chính là bộ phát sáng được thay thế bằng bóng đèn tuýp LED.
Bóng đèn tuýp LED được thiết kế với các thành phần tích hợp trong cùng một bóng đèn, mang hình dáng tương tự như bóng đèn huỳnh quang nhưng có cấu tạo khác biệt.
1.3.2.3 Cấu tạo đèn đọc phim sử dụng led thanh
Hình 1.7: Đèn đọc phim sử dụng led thanh
Đèn đọc phim có cấu tạo phức tạp hơn so với các loại đèn khác nhờ vào bộ driver điều khiển led Sử dụng thanh led công suất lớn, đèn mang lại độ dày cải thiện so với đèn huỳnh quang và bóng tuýp led Đặc biệt, đèn đọc phim với led thanh cho phép điều chỉnh cường độ sáng dễ dàng thông qua bộ dimmer, giúp bác sĩ quan sát hình ảnh với độ sáng tối ưu.
Tiêu chuẩn về chiếu sáng cho đèn đọc phim
Trong thiết kế đèn đọc phim, việc đảm bảo độ rọi và hiệu quả chiếu sáng cho thị giác là yếu tố quan trọng hàng đầu Đèn cần phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể để tối ưu hóa trải nghiệm sử dụng.
Ánh sáng mạnh có thể gây ra hiện tượng lóa mắt, làm cho mắt cảm thấy khó chịu và thần kinh căng thẳng, dẫn đến việc thị giác trở nên không chính xác.
Ánh sáng đồng đều là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng ảnh được đọc rõ ràng Khi ánh sáng được phân bổ đều, mắt sẽ không phải điều tiết quá nhiều khi quan sát từ vị trí này sang vị trí khác, giúp giảm thiểu hiện tượng mỏi mắt.
Theo Thông tư số 22/2016/TT-BYT, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng tại nơi làm việc được đánh giá dựa trên hai đại lượng chính.
Độ rọi, hay còn gọi là độ chiếu sáng, là mức độ sáng của một vật khi được chiếu sáng bởi một chùm sáng Đơn vị đo lường độ rọi là Lux, trong đó 1 Lux tương đương với độ sáng mà một nguồn sáng có quang thông 1 Lumen phát ra từ khoảng cách 1m chiếu lên diện tích 1m².
Độ rọi duy trì (Em) (maintained illuminance): Độ rọi trung bình trên bề mặt quy định không được nhỏ hơn giá trị này
Trong môi trường bệnh viện và các phòng khám, tiêu chuẩn độ rọi cho đèn đọc phim yêu cầu phải đạt tối thiểu 1000 Lux và không được vượt quá 10000 Lux.
Một đèn đọc phim tốt cần có độ sáng vừa đủ để đảm bảo chất lượng ảnh rõ nét, độ sáng đồng đều và không gây cảm giác mỏi mắt hay lóa cho người sử dụng trong quá trình đọc phim X Quang.
Kết luận chương
Đèn đọc phim là thiết bị thiết yếu trong chẩn đoán hình ảnh, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và hiệu quả của kết luận y tế Chất lượng đèn đọc phim, với độ đồng đều và độ chiếu sáng trong khoảng cho phép, quyết định chất lượng hình ảnh và giảm thiểu cảm giác chói mắt cho người sử dụng Do đó, trong đồ án này, tôi sẽ thiết kế hệ thống kiểm tra chất lượng ánh sáng của đèn đọc phim, nhằm xác định độ đồng đều và độ rọi có đạt tiêu chuẩn hay không.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO KIỂM ĐÈN ĐỌC PHIM
Thiết kế khung CNC
CNC, viết tắt của Computer Numerical Control, là công nghệ điều khiển máy móc bằng máy tính để sản xuất các bộ phận kim khí và vật liệu phức tạp Công nghệ này sử dụng các chương trình được viết bằng mã G theo tiêu chuẩn EIA-274-D CNC được phát triển vào cuối thập niên 1940 và đầu thập niên 1950 tại phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT.
Sự xuất hiện của máy CNC đã cách mạng hóa ngành sản xuất công nghiệp, cho phép thực hiện các đường cong và cấu trúc phức tạp 3 chiều một cách dễ dàng Tự động hóa với máy CNC không chỉ giảm thiểu thao tác thủ công mà còn nâng cao độ chính xác và chất lượng sản phẩm Công nghệ tự động của CNC giúp giảm sai sót và giải phóng thời gian cho người vận hành Hơn nữa, máy CNC mang lại sự linh hoạt trong việc thao tác sản phẩm và giảm thời gian thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp gọi là cell, cho phép thực hiện nhiều thao tác trên một bộ phận Hiện nay, máy CNC được điều khiển trực tiếp từ bản vẽ qua phần mềm CAM, giúp quá trình chuyển đổi từ thiết kế sang sản xuất trở nên thuận lợi mà không cần bản vẽ in CNC có thể được coi là các phân đoạn của hệ thống robot công nghiệp, được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất trong giới hạn nhất định.
Hình 2.1: Một máy CNC cơ bản 2.1.1.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một máy CNC điển hình a) Cấu tạo của một máy CNC
Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo của một máy phay CNC cơ bản
Phần điều khiển trong hệ thống bao gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển Chương trình điều khiển là tập hợp các tín hiệu mã hóa dưới dạng chữ cái, số và ký hiệu khác, được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số nhị phân Các cơ cấu điều khiển nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra hoạt động thông qua các tín hiệu từ cảm biến liên hệ ngược Các thành phần chính bao gồm cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đại và cơ cấu đo hành trình.
Cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu là những thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển của máy CNC Những thiết bị điện – điện tử này rất phức tạp và đóng vai trò cốt yếu trong việc đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả của máy.
Phần chấp hành của máy cắt kim loại bao gồm các cơ cấu tự động hóa như tay máy, ổ chứa dao, và hệ thống bôi trơn, giúp cắt gọt kim loại để tạo hình chi tiết Các bộ phận chính như hộp tốc độ, hộp chạy dao, và thân máy được thiết kế để đảm bảo quá trình điều khiển tự động ổn định và chính xác Hộp tốc độ có khả năng điều chỉnh lớn với truyền động vô cấp, sử dụng ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ dễ dàng Hộp chạy dao thường có nguồn dẫn động riêng, sử dụng động cơ bước và các phương pháp khử khe hở Thân máy được thiết kế cứng vững để dễ dàng thải phoi và thay dao tự động, với nhiều máy tích hợp ổ chứa dao và tay máy tự động thay dao Trong các máy CNC, có thể áp dụng các dạng điều khiển thích nghi để tối ưu hóa các thông số như lực cắt, nhiệt độ, độ bóng bề mặt, và độ ồn.
Máy CNC bao gồm nhiều loại như máy khắc, máy tiện, máy phay, và máy bào, nhưng đều hoạt động theo nguyên lý chung Trục chính di chuyển theo chiều Z từ trên xuống, trong khi bàn máy giữ sản phẩm theo trục X, Y để lưỡi cắt tiếp xúc với tất cả bề mặt sản phẩm Một ví dụ cụ thể về nguyên lý hoạt động của CNC là máy in 3D, nơi sản phẩm được thiết kế bằng phần mềm chuyên biệt và mã hóa thành G-code, sau đó dữ liệu được gửi đến máy tính để thực hiện quy trình in.
15 liệu để điều khiển các động cơ di chuyển theo lập trình có sẵn, trong đó trục X và Y có nhiệm vụ di chuyển vật phẩm trên mặt phẳng đã định sẵn.
Z sẽ điều chỉnh độ cao để tạo ra mô hình 3D theo yêu cầu Nhờ vào tính toán chính xác, vật thể thu được rất gần gũi với bản thiết kế ban đầu.
Dựa trên cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy, việc thiết kế khung CNC để điều khiển cảm biến đo nhằm quét toàn bộ bề mặt phẳng chiếu sáng của đèn là rất hợp lý.
2.1.1.3 Ưu điểm cơ bản của máy CNC
Với sự tiến bộ của công nghiệp hóa hiện đại, hệ thống CNC đã trở thành một công cụ thiết yếu trong ngành kỹ thuật cơ khí CNC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp luyện kim thủ công truyền thống.
Máy CNC giúp tiết kiệm công sức lao động nhờ vào việc tự động hóa quy trình sản xuất Khác với các máy điều khiển bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người vận hành mà dựa vào chương trình đã được lập sẵn Người điều khiển chỉ cần theo dõi và kiểm tra các chức năng hoạt động của máy, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.
Độ chính xác làm việc cao: Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn
Máy có cấu trúc cơ khí bền chắc cho phép cắt với tốc độ cao, giúp tối ưu hóa việc sử dụng các vật liệu cắt hiện đại như kim loại cứng và gốm oxit.
Thời gian gia công ngắn hơn
Máy CNC mang lại tính linh hoạt vượt trội trong lập trình, giúp tiết kiệm thời gian điều chỉnh máy Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo tính kinh tế khi gia công các sản phẩm nhỏ.
Chi phí dừng máy nhỏ do ít phải dừng máy vì kỹ thuật
Giá thành đo kiểm tra giảm, tiêu hao do kiểm tra ít
Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ
Có thể gia công hàng loạt
2.1.1.4 Trình độ hiện nay của máy CNC
Nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ bộ vi xử lý, hệ thống CNC ngày càng được cải thiện về khả năng tính toán và đạt được tốc độ xử lý cao Các hệ thống CNC hiện nay được sản xuất hàng loạt với khả năng xử lý đa chức năng, phục vụ cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau, trong đó có việc sử dụng vật mang tin từ băng đục.
16 lỗ, băng từ, đĩa từ và tiến tới sử dụng đĩa CD có dung lượng ngày càng lớn, độ tin cậy và tuổi thọ cao
CNC có thể được áp dụng trong các xí nghiệp nhỏ thông qua việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ thống NC, tạo thành hệ thống CNC mà không cần phòng lập trình riêng Điều này cho phép người điều khiển máy lập trình trực tiếp trên máy, mang lại sự thuận tiện và tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp.
Thiết kế phần đo và xử lí dữ liệu
Để đo độ rọi của đèn đọc phim, tôi sử dụng cảm biến ánh sáng BH1750 kết hợp với việc thu thập và xử lý dữ liệu bằng phần mềm Matlab Kết quả thu được bao gồm giá trị độ rọi nhỏ nhất, giá trị độ rọi trung bình và độ đồng đều ánh sáng của đèn đọc phim.
BH1750 là mạch cảm biến đo cường độ ánh sáng với bộ chuyển đổi AD 16 bít, cung cấp tín hiệu đầu ra số mà không cần tính toán phức tạp Mạch này sử dụng diode quang để xuất ra giá trị điện áp, phục vụ cho việc tính toán các số liệu cần thiết Khi sử dụng BH1750, người dùng có thể trực tiếp xem giá trị cường độ ánh sáng (đơn vị Lux) mà không cần thực hiện thêm bất kỳ phép tính nào Tuy nhiên, để tính toán các thông số khác như cường độ sáng (cd), độ chói (cd/m2) và quang thông (lumen), cần thực hiện các bước bổ sung.
Bằng cách sử dụng thêm một số thông số khác và áp dụng các công thức toán học hiện có, chúng ta có thể suy luận trực tiếp từ thông số Lux mà mạch cảm biến hiển thị.
Hình 2.19: Cảm biến BH1750 2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Hình 2.20: Sơ đồ chân của cảm biến BH1750
AMP: bộ tích hợp khuếch đại thuật toán nhằm chuyển đổi dòng diode quang sang giá trị điện áp
ADC: bộ chuyển đổi AD để thu được giá trị 16 bít ở dạng số
Bộ tính toán ánh sáng tích hợp giao diện I2C, cho phép thu thập dữ liệu ánh sáng xung quanh qua cổng ghi dữ liệu với giá trị khởi tạo "0000_0000_0000_0000" Đồng thời, cổng ghi thời gian đo các thông số với giá trị khởi tạo là "0100_0101", giúp quản lý và phân tích thông tin một cách hiệu quả.
OSC: bộ dao động trong (loại 320 kHz), dạng xung clock (CLK) [8]
Khoảng đo: 1 -> 65535 lux (cường độ ánh sáng theo đơn vị Lux)
Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến BH1750
2.2.2.3 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của giao tiếp I2C
I2C, viết tắt của Inter-Integrated Circuit, là một giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ phổ biến, được sử dụng để kết nối nhiều IC với nhau hoặc giữa IC và các thiết bị ngoại vi với tốc độ thấp Giao tiếp I2C sử dụng hai dây, bao gồm SCL (Serial Clock) để đồng bộ hóa các thiết bị trong quá trình truyền dữ liệu và SDA (Serial Data) để truyền dữ liệu.
Hình 2.22: Kết nói I2C cùng các thiết bị
35 Đặc điểm I2C: I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu
Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz)
Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng
Sơ đồ kết nối như hình dưới
Hình 2.23: Kết nối các thiết bị đến bus I2C
Giao thức I2C cho phép dữ liệu trên đường SDA được ghi nhận tại sườn lên của chân CLK, vì vậy xung clock không cần phải chính xác với tốc độ 1MHz hoặc 3.4MHz Từ đặc điểm này, có thể sử dụng 2 chân GPIO để tạo giao tiếp I2C mềm mà không cần chân CLK với tần số chính xác, chỉ cần sử dụng delay và bật tắt mức logic là đủ.
SCL và SDA được kéo lên nguồn thông qua một điện trở kéo lên có giá trị khoảng 4,7 KOhm, có thể dao động từ 1KOhm đến 4,7KOhm tùy thuộc vào thiết bị và chuẩn giao tiếp Cần lưu ý rằng với cấu hình này, thiết bị có thể ở mức logic LOW hoặc trở nhưng không thể ở dạng HIGH, vì vậy chính điện trở pull-up tạo ra mức logic HIGH.
Hình 2.24: Kết nối điện trở khi kéo SCL và SDA
Bus I2C cho phép nhiều thiết bị kết nối đồng thời mà không bị xung đột, nhờ vào việc mỗi thiết bị được cấp một địa chỉ riêng biệt Mối quan hệ chủ - tớ giữa các thiết bị được duy trì trong suốt quá trình kết nối, đảm bảo sự giao tiếp hiệu quả và chính xác.
Hình 2.25: Đường truyền nhận dữ liệu của Master – Slave
Chế độ hoạt động của I2C dựa vào tốc độ ta chia thành các loại:
Chế độ chuẩn (standard mode) hoạt động ở tốc độ 100 Kbps
Chế độ tốc độ thấp (low-speed mode) hoạt động ở tốc độ 10 Kbps
Chế độ nhanh (Fast mode) hoạt động ở tốc độ lên tới 400 Kbps
Chế độ siêu tốc (High-Speed mode)
Cơ sở truyền nhận dữ liệu của I2C dựa vào các tín hiệu START, RESTART, STOP
Hình 2.26: Điều kiện START – STOP
START : SCL ở mức 1 và SDA được kéo từ mức 1 xuống mức 0 lúc đấy sẽ báo hiệu 1 START
Khi SCL ở mức 1, SDA được kéo từ 0 lên 1, tín hiệu STOP xuất hiện, lúc này bus I2C sẽ trở nên rỗi (free) và sẵn sàng cho một giao tiếp mới từ thiết bị chủ.
Trong giao thức I2C, quá trình truyền dữ liệu diễn ra khi tín hiệu trên chân SCL ở mức thấp (0), lúc này dữ liệu trên chân SDA có thể thay đổi mà không ảnh hưởng đến việc truyền Khi chân SCL ở mức cao (1), trạng thái của một bit dữ liệu được xác định bởi chân SDA Khi chân SCL được kéo xuống mức thấp (0), một bit dữ liệu đã được truyền thành công.
Hình 2.27: Quá trình truyền dữ liệu
Trong giao thức I2C, dữ liệu được định dạng 1 byte với bit MSB (Most Significant Bit) được truyền đi trước Khi Master truyền đủ một khung 8 bit, Slave nhận được 8 bit và phản hồi lại bằng tín hiệu ACK để xác nhận việc nhận dữ liệu thành công Địa chỉ trong I2C có hai chuẩn: 7 bit và 10 bit, nhưng trong phần này chỉ đề cập đến chuẩn 7 bit Với 7 bit địa chỉ, chúng ta có khả năng mã hóa thông tin hiệu quả.
128 loại thiết bị Một master có thể kết nối tối đa 127 Slave nhưng trong I2C có
Mỗi địa chỉ sử dụng để dự trữ có thể kết nối tối đa 111 slave, tương đương với 112 thiết bị trên đường truyền Để tạo thành byte đầu tiên được truyền đi sau mỗi lệnh start hoặc Restart, 7 bit địa chỉ được bổ sung thêm một bit chế độ W/R (đọc/ghi).
2.2.2.4 Kết nối module BH1750 và module arduino uno Để thu được tín hiệu đo được từ cảm biến BH1750 có thể sử dụng rất nhiều cách Trong bài này tôi chọn Kit Arduino Uno Do khi kết nối 2 module BH1750 và module arduino uno lại với nhau ta sẽ có được một công cụ để kiểm tra độ sáng trên bề mặt của đèn đọc phim với độ sáng đo được lên tới 65000 lux
Hình 2.29: Kết nối giữa 2 module BH1750 và Arduino uno
Dựa vào địa chỉ các chân kết nối trong hình 3.15 ta có thể dễ dàng thực hiện kết nối chân và được mô phỏng như hình dưới
Hình 2.30: Kết nối 2 module Arduino và BH1750
Kết nối các module cho phép chúng ta theo dõi kết quả đo đạc trên màn hình máy tính, đồng thời thu thập và lưu trữ dữ liệu để phục vụ cho việc phân tích và xử lý.
Việc thiết kế hệ thống đo kiểm đèn đọc phim nhằm đo độ rọi của đèn lọc phim tại các điểm trên bề mặt yêu cầu sự di chuyển của cả đèn đọc phim và cảm biến đo Để tự động hóa quá trình này, tôi đã sử dụng một khung CNC cơ bản kết hợp với cảm biến, máy tính để điều khiển và thu thập dữ liệu, sau đó xử lý thông tin qua phần mềm Matlab.
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Kết quả thực hiện
Với phương pháp thiết kế và tính toán như đã nêu ở các chương trước thì tôi đã thực hiện hoàn thành một hệ thống như dự định:
Kích thước tổng thể của hệ thống: chiều dài 1m chiều rộng 0.5m chiều cao 0.4m
Hệ thống đo được hầu hết các loại đèn có chiều dài và chiều rộng tối đa là 40x80mm
Nguồn sử dụng là nguồn điện lưới 220V-50Hz
Dải đo độ rọi từ 0 đến 65535 lux
Hình 3.1: Hệ thống đánh giá độ đồng đều đèn lọc phim hoàn chỉnh
Hệ thống được thiết kế với cấu tạo tương tự như quá trình mô phỏng, bao gồm khối nguồn và khối điều khiển gọn nhẹ trong hộp Khối nguồn kết nối với khối chấp hành (khung CNC) và hai dây kết nối với máy tính Đặc biệt, khối nguồn được cách điện bởi tấm mica trắng, trong khi vỏ hộp được sơn phủ bảo vệ.
Sơn cách điện 40 đảm bảo an toàn cho máy móc, trong khi vỏ hộp điều khiển được trang bị công tắc và giắc cắm kết nối, giúp hệ thống trở nên gọn nhẹ và dễ dàng di chuyển.
Dữ liệu thực nghiệm và đánh giá
Dữ liệu thô thu được từ quá trình đo sẽ được xử lý bằng chương trình viết trên công cụ Matlab, nhằm tính toán độ rọi trung bình, giá trị nhỏ nhất và độ đồng đều Kết quả đo được trình bày cho một số lần đo đối với đèn đọc phim tự thiết kế kích thước 46 x 36 x 3 (cm) và đèn âm trần kích thước 13 x 13 (cm).
Hình 3.2 Quá trình đo và lấy dữ liệu
3.2.1.1 Dữ liệu thu được đèn đọc phim một cửa Đối với đèn đọc phim có kích thước 46 x 36 x 3 (cm) Độ sáng của đèn có thể thay đổi được trong khoảng 0 ÷ 6800 Lux Đèn sử dụng nguồn phát ra ánh sáng trắng Kích thước vùng chiếu sáng cần đo là 40 x 30 (cm)
Hình 3.3: Sản phẩm đèn đọc phim một cửa với độ dày 3cm
Để điều khiển máy, trước tiên bạn cần lấy kích thước của đèn và thiết lập hành trình cho cảm biến Sau đó, nạp G-code vào phần mềm UniversalGcodeSender Lưu ý rằng cảm biến nên được đặt cách mặt đèn 3cm Cuối cùng, tiến hành đo và ghi nhận dữ liệu như hình dưới đây.
Giá trị độ rọi của đèn đọc phim trong lần đo đầu tiên cho thấy độ rọi lớn nhất đạt 1889 lux, trong khi độ rọi nhỏ nhất là 938 lux Độ rọi trung bình được ghi nhận là 1343 lux, với độ đồng đều đạt 69.84%.
Giá trị độ rọi thu được từ đèn đọc phim lần 2 cho thấy độ rọi lớn nhất đạt 1841 lux, trong khi độ rọi nhỏ nhất là 947 lux Độ rọi trung bình được ghi nhận là 1353 lux, cho thấy sự biến động trong quá trình sử dụng đèn.
Giá trị độ đồng đều: 69.99%
Kết quả đo độ rọi trên màn đọc phim cho thấy giá trị dao động từ 947-1841 lux, với độ đồng đều dưới 75%, cho thấy đèn chưa đạt tiêu chuẩn Đồ thị độ rọi cho thấy sự biến động lớn theo thời gian, chỉ ra rằng bố trí LED trên đèn không đồng đều Hiện tượng vệt sáng tối xen kẽ trên bề mặt đèn càng khẳng định điều này Để xác minh độ chính xác, tôi đã sử dụng thiết bị đo độ rọi và thực hiện các phép đo trên bề mặt đèn, thu được kết quả như hình.
Hình 3.6 Độ rọi đo bằng máy đo ánh sáng Độ rọi lớn nhất: 6201 lux Độ rọi nhỏ nhất: 3100lux Độ rọi trung bình: 4452 lux
Giá trị độ đồng đều: 69.62%
Dữ liệu cho thấy độ rọi của đèn tại bề mặt đạt 6201 lux, đáp ứng tiêu chuẩn yêu cầu Tuy nhiên, độ đồng đều chỉ đạt 69.62%, thấp hơn mức tối thiểu 75%, cho thấy thiết kế của đèn đọc phim này chưa đạt yêu cầu Đồ thị độ rọi dạng sóng cho thấy sự chênh lệch lớn, với giá trị nhỏ nhất là 3100 lux và giá trị lớn nhất đạt được.
Hệ thống đo ánh sáng cho kết quả khoảng 6201 lux, và qua kiểm định bằng máy đo, giá trị này được xác nhận là tương đối chính xác Độ đồng đều của kết quả gần như tương đương với giá trị đo được bằng máy đo ánh sáng chuyên dụng.
3.2.2 Đánh giá quá trình thực hiện đề tài
Xây dựng được hệ thống tự động đo độ rọi của đèn đọc phim cũng như đánh giá được chất lượng đèn về độ đồng đều ánh sáng
Rút ngắn được nhiều công đoạn và thời gian so với việc kiểm tra chất lượng sáng bằng thủ công
Kiểm tra chất lượng sáng của nhiều loại đèn có kích thước khác nhau
Sản phẩm có thiết kế đẹp và gọn nhẹ, dễ di chuyển
Việc thu thập dữ liệu và điều khiển khung CNC hiện vẫn chưa được tích hợp đồng thời, dẫn đến việc sử dụng hai chương trình khác nhau cho quá trình thu thập và điều khiển.
Giá thành khá đắt do xây dựng hệ thống dựa trên khung CNC
Chưa có cảm biến hành trình, do đó khi máy chạy quá hành trình sẽ không được dừng gây ảnh hưởng tuổi thọ của motor
Với mỗi đèn có kích thước khác nhau thì cần phải viết lại mã G-code.
Kê khai các linh kiện và vật liệu sử dụng
Dưới đây là bảng kê khai các linh kiện và vật tư để cấu tạo nên hệ thống đo để có cái nhìn tổng quát hơn về sản phẩm:
Bảng 3.1 Kê khai các linh kiện và vật liệu sử dụng
STT Tên linh kiện Số lượng
2 Nhôm định hình 1540 dùng làm mặt bàn CNC
3 Ty trượt tròn phi 10 3 thanh 1m
4 Động cơ step size 42 2 cái
5 Vitme T10, đai ốc T10 (Bước 8) Dài
6 Gá Bắt Đai Ốc Vitme T12 2 chiếc
7 Gá động cơ step size 42 loại thẳng 3 chiếc
8 Ổ Bi Trượt loại dài SC10LUU 4 chiếc
12 Bạc đỡ trục KP 10 2 chiếc
Kết quả từ phương pháp thiết kế và tính toán đã hoàn thành một hệ thống với kích thước 100 x.
Bộ đo 50 x 40 (cm) giúp kiểm tra sự đồng đều ánh sáng của các loại đèn có kích thước khác nhau, rút ngắn thời gian và công đoạn so với phương pháp kiểm tra thủ công Sản phẩm có thiết kế đẹp, dễ dàng di chuyển và cho phép thu thập độ rọi ở hầu hết các điểm của đèn đọc phim Qua quá trình đo, các thông số quan trọng như độ rọi, độ rọi lớn nhất, độ rọi nhỏ nhất, độ rọi trung bình và độ đồng đều ánh sáng được xác định chính xác.
Qua quá trình thực hiện đề tài "Xây dựng hệ thống đánh giá chất lượng đèn đọc phim", tôi đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm và nhận ra những điều cần cải thiện Đề tài này có ứng dụng thực tiễn cao, với hy vọng sản phẩm sẽ được sử dụng tại các bệnh viện và phòng khám Tôi đã phát triển một hệ thống khảo sát chất lượng đèn đọc phim với kích thước 100 x 50 x 40 cm, cho phép kiểm tra độ đồng đều ánh sáng của các loại đèn khác nhau Hệ thống này giúp rút ngắn thời gian và công đoạn kiểm tra so với phương pháp thủ công Sản phẩm có thiết kế đẹp, dễ di chuyển, với hộp điều khiển rời dễ dàng kết nối với khung CNC Hộp điều khiển được trang bị công tắc và giắc cắm kết nối tiện lợi, cùng với khối nguồn cách điện và vỏ hộp bằng thép sơn cách điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng Hệ thống đánh giá cho kết quả chính xác về độ đồng đều của đèn đọc phim, cung cấp các thông số quan trọng như độ rọi, độ rọi lớn nhất, độ rọi nhỏ nhất, độ rọi trung bình và độ đồng đều ánh sáng.
Mặc dù sản phẩm của tôi có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn còn một số thiếu sót cần cải thiện trong tương lai Thiết kế hiện tại tuy gọn gàng nhưng yêu cầu sử dụng hai phần mềm để điều khiển quá trình đo và CNC Động cơ chưa được trang bị cảm biến hành trình, dẫn đến nguy cơ giảm tuổi thọ khi có sự cố hoặc sai số trong điều khiển Hơn nữa, hệ thống cũng cần phát triển một phần mềm tự động lập mã G-code, giúp người dùng chỉ cần nhập thông số kích thước cho mỗi loại đèn khi đọc phim.
Hướng phát triển đề tài
Với đề tài “Xây dựng hệ thống đo kiểm chất lượng đèn đọc phim X quang”, tôi hướng tới việc phát triển những ưu điểm đã nêu và khắc phục các nhược điểm hiện có Mục tiêu là thiết kế một hệ thống có khả năng kiểm tra tất cả các loại đèn khác nhau Bên cạnh đó, tôi mong muốn hệ thống của mình sẽ được phát triển thành một sản phẩm thương mại có thể bán ra thị trường.
Bài viết này đề cập đến việc kiểm tra độ đồng đều của cường độ sáng trên màn hình đọc phim y tế Ngoài ra, nghiên cứu cũng tập trung vào việc phát triển hệ thống đo lường và kiểm tra cường độ sáng của đèn mổ để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu cần thiết.
