Do an ngien cuu va che tao may do kim loai

Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 LỜI CẢM ƠN i i Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Kĩ Thuật Đo Tin i i i i i i i i i i i i i i i i i Học Công Nghiệp tận tâm nhiệt tình dạy dỗ chúng em suốt năm học i i i i i i i i i i i i i i i i vừa qua Nếu khơng có kiến thức bổ ích mà em tiếp thu i i i i i i i i i i i i i i i i i i thầy em khơng thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin cảm ơn i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện học tập làm việc tốt cho em thời gian i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Phịng Cơng nghệ Tự Động Hố - Viện Công Nghệ Thông Tin - Viện Khoa học i i i i i thực tập làm đồ án Em xin cảm ơn GS.TSKH Phạm Thượng Cát TS Phạm i i i i i i i i i i i i i i i i i Minh Tuấn bác, anh chị phòng Cơng nghệ Tự Động Hố giúp i i i i i i i i i i i i i i i i i đỡ em nhiều thời gian em thực đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời i i i i i i i i i i i i i i i i i i i cảm ơn tới gia đình bạn bè, người giúp đỡ, động viên em suốt i i i i i i i i i i i i i i i i i i trình học tập đặc biệt thời kỳ làm đồ án tốt nghiệp i i i i i i i i i i i i i i i Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Quốc Cường - người i tận tâm hướng dẫn em cho em nhiều lời khuyên q báu q trình thực i i i i i i i đồ án i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i iiiiiii Hà Nội tháng năm 2007 Sinh viên i ii i ii i i iii Nguyễn Thùy Giang i i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 LỜI MỞ ĐẦU i i Chiếc máy dò kim loại giới chế tạo nhà khoa học i i i i i i i i i i i i i i i i Gerhard Fischer, người Mỹ gốc Thụy Điển, cấp sáng chế năm 1937 i i i i i i i i i i i i i i i Kể từ đời, máy dị kim loại, hoạt động dựa ngun lí cảm ứng điện i i i i i i i i i i i i i i i i i i từ, sử dụng nhiều quân đội, đáp ứng nhu cầu dị mìn vũ khí i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i sử dụng nhiều lĩnh vực đời sống lĩnh vực an ninh, khảo cổ, i i i i i i i i i i i i i i i i i i chiến tranh giới thứ II Cho đến nay, máy dị kim loại có ứng dụng rộng rãi, i i i i xây dựng… i Dù đem lại nhiều lợi ích đáp ứng nhu cầu đời sống, song với hoạt động i i i i i i i i i i i i i i i i i i theo nguyên lí cảm ứng điện từ, máy nhiều nhược điểm độ nhạy thấp, i i i i i i i i i i i i i i i i i cấu trúc phức tạp tiêu tốn nhiều điện i i i i i i i i i Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày phát triển với phát triển lớn i mạnh công nghệ vi điện tử, nhà sản xuất đưa công nghệ dị tìm i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i kim loại mới: sử dụng cảm biến từ trường, tích hợp với vi điều khiển tạo i i i i i i i i i i i i i i i i i i máy dò kim loại đại vi tính hố Cơng nghệ microchip cho phép i i i i i i i i i i i i i i i người sử dụng tự ý thiết lập độ nhạy, loại kim loại cần dò, tốc độ dò, mức i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ngưỡng…v.v lưu giữ lại thông số đo So với máy dò kim loại theo i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i nguyên lí cũ, máy cơng nghệ có khối lượng nhẹ hơn, khả i i i i tìm kiếm sâu hơn, tiêu tốn lượng, đặc biệt khả phân biệt loại kim i i i i i i i i i i i i i i i i i i i loại, xác định loại kim loại cần tìm Một nhà sản xuất đầu i i i i i i i i i i i i i i i i i lĩnh vực Honeywell với công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR i i i i i i i i i i i i i i i i sensor, tạo cảm biến có độ xác độ nhạy cao dùng máy i i i i i i i i i i i i i i i i i i dò kim loại sắt từ Với tính ưu việt cơng nghệ đem lại, máy i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i dò kim loại dần thay máy dò kiểu cũ Vừa qua hãng điện tử i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Phillips đăng kí sản phẩm điện thoại di động tích hợp cảm biến từ độ nhạy cao i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Honeywell, có ứng dụng dị tìm kim loại để tung thị trường thời gian i i i i i i i i i i i i i i i i tới i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Với quan tâm hứng thú tìm hiểu công nghệ mới, thời gian làm đồ i i i i i i i i i i i i i i i i i án tốt nghiệp, em nghiên cứu, tìm hiểu cảm biến từ trở khơng đẳng hướng i i i i i i i i i i i i i i i i ii Honeywell, ứng dụng thiết kế, chế tạo máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm i i i i i i i i i i i i i i i i i i i biến i Với đề tài “Nghiên cứu chế tạo máy dò kim loại”, báo cáo em gồm i i i i i i i i i i i i i i i i i phần sau: i i i - Phần 1: Trình bày kiến thức tổng quan cảm biến từ trường, công nghệ i i i i i i i i i i i i i i i i cảm biến từ trở không đẳng hướng, cảm biến HMC1053 HMC2003 i i i i i i i i i i i i i Honeywell - Phần 2: Trình bày ý tưởng thiết kế thiết kế cụ thể máy dò kim loại sắt từ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i sử dụng cảm biến HMC1053, HMC2003, lập trình phần mềm vi điều khiển i i i i i i i i i i i i i i PSoC lập trình giao diện máy tính phần mềm Visual Basic i i i i i i i i i i i i i - Phần 3: Phụ lục i i i Mặc dù cố gắng thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn i i i i i i i i i i i i i i i i i i i kinh nghiệm làm thực tế yếu, đề tài hồn thành chắn khơng thể tránh khỏi i i i i i i i i i i i i i i i i i thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp để i i i i i i i i i i i i i i i hiểu sâu vấn đề để phát triển đề tài trở nên hoàn thiện i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Em xin cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Quốc Cường hướng dẫn em thực i i i i i i i i i i i i i i đề tài Em xin cảm ơn thầy cô môn dạy em kiến i i i i i i i i i i i i i i i i i i thức năm qua, tạo điều kiện tốt cho em thực đề tài i i i i i i i iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii i i i i i i i i Hà Nội, tháng năm 2007 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii i i i i i Sinh viên thực i i i iiiiiiii iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii iiiiiiii Nguyễn Thùy Giang i i i i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG HMC1053 i i i i i i i I.CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG Từ xa xưa, dụng cụ phát từ trường trái đất la bàn giúp cho người thám hiểm định hướng biển hay rừng rậm cách xác định cực từ trái đất Ngày nay, việc nhận biết đo đạc từ trường phát triển mạnh công nghiệp đại yêu cầu nhiều loại cảm biến từ trường khác để nhận biết xuất hiện, cường độ hay hướng từ trường khơng trái đất mà cịn từ trường tạo nam châm vĩnh cửu, nam châm từ hóa, từ trường nhiễu xe cộ tạo từ trường tạo dòng điện Các cảm biến từ trường xác định đặc tính mà khơng cần có tiếp xúc vật lí Chúng trở thành mắt nhìn nhiều hệ thống điều khiển công nghiệp i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Cảm biến từ trường Các cảm biến từ trường sử dụng từ 2000 năm với ứng dụng ban đầu để xác định hướng lĩnh vực hàng hải Ngày nay, cảm biến từ trường dụng cụ ngành hàng hải bên cạnh cịn nhiều ứng dụng khác Công nghệ cảm biến từ trường phát triển theo yêu cầu ngày cao độ nhạy, kích cỡ nhỏ, độ tương thích với hệ thống điện tử Từ xuất mạch điện tích hợp dựa cảm biến từ trường, đo từ trường phạm vi dải từ trường trái đất: cảm biến từ trở không đẳng hướng (AMR sensor) Các cảm biến có phạm vi ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Một vấn đề phổ biến sử dụng cảm biến từ trường, từ trường khơng phải đại lượng cần đo Thông số cần đo thường tốc độ bánh xe, xuất mực từ, phát xe cộ, hay định hướng Những thông số đo trực tiếp, suy từ thay đổi hay nhiễu từ trường Các cảm biến thông thường cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, sức căng, hay cảm biến quanh chuyển trực tiếp thông số cần đo giá trị đầu tỉ lệ điện áp hay dòng điện Nhưng mặt khác, việc sử dụng cảm biến từ để định hướng, nhận biết xuất hiện, chiều quay, góc quay hay dịng điện xác định gián tiếp thông qua giá trị từ trường Trước tiên, giá trị đầu vào phải tạo được, hay làm thay đổi từ trường Một dòng điện cuộn dây, bánh quay qua nam châm vĩnh cửu, hay vật thể có chứa sắt di chuyển từ trường trái đất tạo biến đổi từ trường Khi sensor từ trường phát thay đổi đó, tín hiệu đầu địi hỏi cần xử lí để giải mã tín hiệu từ cảm biến thành giá trị đại lượng mong muốn Điều làm cho việc sử dụng cảm biến từ trường có phức tạp so với cảm biến nhiệt độ, áp suất… Nhưng xác định biến đổi từ trường đem lại khả cảm nhận đo đạc xác, tin cậy đại lượng phức tạp i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Cảm biến đo đại lượng thông thường cảm biến từ i i i i i i i i i i i Phân loại cảm biến từ trường Một cách để phân loại cảm biến từ trường phân theo cường độ từ trường đo Theo cách ta chia cảm biến từ trường thành loại: - Cảm biến từ trường cường độ thấp: < µGauss - Cảm biến từ trường cường độ trung bình: từ µGauss đến 10 Gauss: sensor từ trường trái đất - Cảm biến từ trường cường độ cao: > 10 Gauss Bảng sau liệt kê số công nghệ sensor dải đo chúng i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Ứng dụng mạch điện dò kim loại sử dụng cảm biến từ trường không đẳng hướng (AMR sensor), làm việc phạm vi giá trị từ trường trái đất Các sensor AMR phát hướng độ lớn từ trường, dùng ứng dụng phát vật thể sắt i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Cảm biến từ trở không đẳng hướng (Sensor AMR) Sensor AMR (cảm biến từ trở khơng đẳng hướng) cảm biến thích hợp với dải đo từ trường trái đất Sensor AMR nhận biết từ trường tĩnh chiều, đo cường độ hướng từ trường Sensor sợi mỏng làm hợp kim Ni-Fe đặt vỏ silicon dây điện trở, gọi film Permalloy Cấu trúc vật liệu chế tạo film Permalloy làm giá trị trở kháng thay đổi 23% xuất từ trường Thông thường, dây từ trở nối với theo dạng mạch cầu Wheatstone, nhờ đo hướng độ lớn từ trường theo trục định Điện trở thông thường cầu vào khoảng kΩ Với sensor AMR thông thường, dải thông vào khoảng 1-5MHz Giá trị cảm biến từ trở biến đổi nhanh từ trường thay đổi không bị giới hạn cuộn dây hay tần số dao động Ưu điểm sensor AMR gắn vào mạch tích hợp thương mại, điều cho phép sensor AMR tự kết hợp với mạch linh kiện hệ thống khác i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Mạch cầu cảm biến AMR i i i i Đặc tính sensor AMR Các film Permalloy đặt vào cầu trở khác nhau, đưa đầu có giá trị dễ đoán trước đặt từ trường Ưu điểm sensor AMR chi phí thấp, độ nhạy cao, kích thước nhỏ, khả chống nhiễu tốt, độ tin cậy cao, dễ lắp ráp Đặc tính film Permalloy giá trị điện trở thay đổi ΔRR từ trường xung quanh biến đổi , từ mà có khái niệm từ trở Việc thay đổi giá trị từ trở gây biến đổi tương ứng điện áp đầu i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Độ nhạy cầu thường biểu diễn cỡ mV/V/Oe V kí hiệu điện áp vào cầu Vbridge = Vb Nếu độ nhạy 3mV/V/Oe Vb=5V giá trị áp 15mV/Oe Bằng cách chọn khuyếch đại cầu phù hợp, ta thu mức điện áp microVolt Điều dẫn đến độ phân giải từ 67microOersted, hay 1/15000 Oersted Nếu hệ số khuyếch đại điện áp cầu 67 độ nhạy đầu tổng 1V/gauss (=67 x 15 mV/gauss) Nếu dải đo ±2 Gauss, đầu biến thiên khoảng từ 0,5V đến 4,5V Mức tín hiệu thích hợp với hầu hết chuyển đổi ADC Sử dụng sensor AMR khuyếch đại, nhận biết xác hướng độ lớn từ trường i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Có kĩ thuật thiết kế cụ thể để tạo hệ thống phụ sensor từ trường nhạy Bằng cách đơn giản đổi đặc tính film Permalloy, điện áp offset sensor độ trôi nhiệt sensor khuyếch bỏ Các dây offset onchip dùng để tự động chỉnh sensor AMR ứng dụng cụ thể, hoạt động bình thường Biến đổi khuyếch đại đầu nhiệt giảm đáng kể cách sử dụng kĩ thuật hồi tiếp vịng kín, nhờ sensor hoạt động môi trường từ ban đầu i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Cảm biến đo từ trường HMC1053 (Honeywell) HMC1053 cảm biến đo vectơ từ trường trục X, Y, Z dùng để đo từ trường có cường độ nhỏ (gấp đến lần từ trường trái đất) HMC1053 sử dụng công nghệ cảm biến từ trở khơng đẳng hướng AMR Honeywell có độ nhạy độ xác cao, cung cấp ưu điểm vượt trội so với cảm biến từ theo công nghệ cảm ứng qua vòng dây cổ điển HMC1053 cảm biến từ trạng thái tĩnh, độ nhạy cao chuyên dùng để đo hướng độ lớn từ trường trái đất, có giá trị cường độ khoảng từ 120 µGauss đến Gauss.Các cảm biến từ trường Honeywell cảm biến có độ nhạy độ tin cậy cao i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 công nghiệp, với ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực la bàn, từ kế, phát kim loại cảm biến dòng… i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Mặt cảm biến HMC1053 i i i i Đặc điểm - Kích thước nhỏ thích hợp cho ứng dụng cầm tay, cỡ nhỏ - Khả đo xác trục vectơ từ trường (x,y,z) - Điện áp hoạt động thấp (min 1.8V) - Thích hợp cho ứng dụng dùng pin - Giá thành rẻ, chi phí thấp - Mạch cầu Wheatstone dây từ trở - Độ nhiễu thấp - Dải đo từ trường rộng (+/- Oe) - Có thể dùng mơi trường từ mạnh - Các dây Set/Reset Offset linh hoạt, tiện lợi i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Ngiên cứu chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Sơ đồ chân HMC1053 i i i HMC1053 tích hợp cảm biến từ trở thiết bị cầu Wheatstone, dùng để đo từ trường có cường độ thấp Cấp điện áp cho mạch cầu, cảm biến chuyển đổi giá trị từ trường thành độ chênh giá trị điện áp i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Tích hợp cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone cặp dây có từ tính: cặp dây offset cặp dây set/reset Các cặp dây Honeywell thiết kế để điều chỉnh từ trường nhiễu ngẫu nhiên thay cho cho cuộn trường bên cung cấp chế độ hoạt động khác Honeywell tạo dây offset tích hợp (Xoff+ Xoff-…) dùng để đưa từ trường cục vào cầu để xử lí hay chỉnh trường ứng dụng Kĩ thuật dùng để huỷ bỏ từ trường không mong muốn xung quanh Dây offset danh nghĩa cung cấp từ trường Gauss dọc theo trục nhạy với 48mA dòng offset qua dây Dây offset điều chỉnh chế độ hoạt động có dịng trực tiếp qua Các chế độ là: 1) loại trừ từ trường nhiễu bên 2) bỏ điện áp offset cầu 3) bỏ từ trường mạch kín 4) tự động chỉnh cầu i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii