Nghiên cứu chế tạo hệ đo tổng trở dựa trên lock-in số

- Chế tạo hệ đo tổng trờ dựa trên lock-in sổ Standíord SR830 DSP ử n g dụng đo đạc tône trở phụ thuộc vào tân sô cua một sô hệ vật liệu điện môi lớn Viết báo cáo khoa học.. Mở đầuHiện na

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜN G ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NH IÊN

"%

r r i A -m A A \ •

Tên đê tài:

D ự A TRÊN LOCK-IN SÓ

MẢ SÓ: QT - 09 - 06

C H Ủ T R Ì Đ Ê T À I: ThS N G U Y Ề N N G Ọ C Đ ỈN H

Các cán bộ tham gia:

l.T h S Trần Vĩnh Thắng ĐAI HỌC QUOC õ.-kha nọi

TRUNG Tám thông T in T hư viên

2 CN Nguyễn Văn Sơn

H À N Ộ I - 2 0 0 9

CN Nguyễn Văn Sơn

Mục tiêu và nội dung

Mục tiêu

- Tìm hiểu tồng quan về phép đo tổng trờ, lock-in số

- Chế tạo hệ đo tổng trờ dựa trên lock-in sổ Standíord SR830 DSP

ử n g dụng đo đạc tône trở phụ thuộc vào tân sô cua một sô hệ vật liệu điện môi lớn

Viết báo cáo khoa học

Nội dung

- Chế tạo hệ đo tông trớ dựa trên lock-in sổ

- Chế tạo vật liệu BZT pha tạp Sr và La đơn pha

- Khảo sát tính chất cấu trúc và bề mật cùa vật liệu

- Khào tỏng trờ cùa vật liệu

- Khảo sát tính chất điện cùa vật liệu

Kết quả chính

- 02 báo cáo khoa học:

o Tính chất từ và hiệu ứng từ tổng trờ trong hợp kim nano composite siêu mềm Fe73sSii7 5B5Nb3Cui, kỷ yếu hội nghị SPMS 2009

o Cấu trúc và tính chất điện môi của một sổ gốm perovskite nền BSZT pha tạp La, kỷ yếu hội nghị SPMS 2009

- 01 khóa luận tốt nghiệp

- 01 Hệ đo tổng trở dựa trên lock-in số

Tình hình kỉnh phí đề tài

- Kinh phí được cấp đến 12 - 2009 đã thanh toán xong: 25.000.000 VNĐ

Cơ quan chủ trì đề tài

BRIEF REPORT OF PR OJECT

R e s e a r c h and built a im p ed a n ce a n a ly se r sy tem based on digital

D S P L ock-in.

The Code number: QT 09-06

The participants o f the project: Mcs Tran Vinh Thang

BSc Neuyen Van Son

1 Purpose and contents of the work

1.1 Purpose

Introduction on Impedance measurement

Bult a measurement system based on DSP lock-in amplifier StandfordSR830

Fabricate some materials with high dielectric constant

Investigate the structural, electrical and optical properties o f produced material

Scientific reports

1.2 Contents

Impedance measurement system

BZT materials were successfully synthesized by ceramic method

Inv estig ated the structural and surface properies o f BZT material

Investigated the electrical properties o f BZT

Phân chính báo cáo

Mở đầu

Hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu vật liệu có hằng số điện môi lớn thu hút được sự tập chung nghiên cứu của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước

Thời gian gần đây các vật liệu perovskite sẳt điện được tập trung nghiên cứu do đây là loại vật liệu hứa hẹn có nhiều ứng dụng thực tiễn cũng như phát triển nghiên cứu cơ bản

Thời gian gân dây, với nhu câu ngày càng cao trong việc chê tạo các linh kiện điện tử có điện dung lớn và phát triển các loại vật liệu thân không chứa chì, thân thiện với môi trường, các vật liệu thay thế đang ngày được quan tâm và ngày càng có nhiều vật liệu mới được phát hiện

Một trong những phép đo quan trọng để nghiên cứu vật liệu điện môi là phép đo tổng trở Tương tự như phép đo điện trở phép đo tổng trở cho ta thông tin

về tính dẫn điện của vật liệu nhung điêm khác là tính dẫn đây được khảo sát trong điện trường xoay chiều

Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu chế tạo hệ đo tôn? trờ dựa trên lock-in số đồng thời chế tạo vật liệu B aZ rT i0 3 (BZT) là loại vật liệu perovskite sất điện có hằng số điện môi tương đương với PZT nhưng không chứa chì trong thành phần; Pha tạp Sr và La để khảo sát tính chất của vật liệu này dựa trên hệ đô được ché

Hình L I : Véc-tơ tông trở và các thông sổ.

Tổng trở là một thông số quan trọng của vật liệu cũng như mạch điện thông thường Tổng trở (Z) đặc trưng cho sự cản trở dòng điện xoay chiều của mạch điện hay vật liệu tại một tần số nhất định Tống trở là một giá trị phức được thể hiện bằng một vec-tơ (véc-tơ tổng trờ), véc-tơ đó chứa phần thực là điện trờ thuần R và phần phức là X như chỉ ra trên hình 1.1

Tổng trờ được thể hiện theo dạng thông thường z = R + j X hoặc dưới dạng

cực có độ dài véc-tơ |z| và góc pha 0 Hình 1.1 cũng chì ra mối liện hệ giữa R z

và 0 Trong một số trường hợp, nghịch đảo của tổng trờ hay được sử dựng:

ị = — !— = Y = G + jB

Trong đó Y gọi là độ dẫn nạp, G là độ dẫn và B là điện nạp

Đơn vị của tổng trờ là Ohm ( Q ) và dẫn nạp là siemen (S) Tone trờ thườns; được sử dụng với mạch nôi tiẻp và dẫn nạp được sư dụns với mạch song sona do

sự thuận tiện tương ứng của chúng với hai loại mạch này (tổna trờ/ dẫn nạp tương đương của mạch có thể nhận được bàng cách cộng các thành phần thực và ảo) xem hình 1.2.

Có nhiều phương pháp đo tổng trở trong đó phải kể đến các phương pháp thông dụng như: phương pháp Volt-ampe, phương pháp cầu, phương pháp công hường, phương pháp phân tích mạng (network analyser)

a) Phương pháp cầu cân bằng:

Sơ đồ nguyên lý đo được thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4: Phương pháp cầu cân bằng.

Khi không có dòng điện chạy qua điện kế D, tồng trờ của Zx được tính toán dựa trên các thành phần khác như trên hình vẽ

Khi mạch điện xảy ra cộng hưởng bằng cách chỉnh giá trị của điện dung

c T one trờ Rx và Lx được tính toán thông qua các giá trị ọ c và tần sổ

có khả năng hoạt động tại vung tần sổ khá cao Có hai dạng bổ chí

A m pe kế và Vôn kế ứng với đo tổng trở lớn và nhỏ

Low impedance type Z x = — V = 2 R

High impedance type

V

Hình 1.7: Phương p h á p RFI - V.

e) Phương pháp phân tích mạng (network analyser)

Hệ số phàn xạ được đo đạc tỷ số của tín hiệu tới và tín hiệu phàn xạ.Cầu phản xạ được sừ dụng để đo đạc tín hiệu phản xạ từ mầu đo (DƯT).Phương pháp này thường được sử dụng tại vùng tần số cao.

V V

T

i

signal Directional Incident

bridge or coupler signal Z x

Hình Ỉ.8: Phương ph áp phân tích mạng.

3 Khuếch đại lock-in

Khuếch đại lock-in được sử dụng một cách phổ biến để đo đặc cái tín hiệu

AC rất nhỏ (cỏ thể xuống tới nano vôn) Điểm đặc biệt là tín hiệu nhỏ có thể được

đo chính xác ngay cả khi bị lẫn bởi phông tạp lớn hơn hàng nghìn lần

Khuếch đại lock-in là một phương pháp nhạy về độ lệch pha aiừa tín hiệu

và tín hiệu chuẩn (tín hiệu so sánh)

Xét một tín hiệu có độ lớn 10 nV có dạng sine, tần số 10kHz Với tín hiệu

bé như thế này thì ta bắt buộc phải khuếch đại tín hiệu trước khi đo đạc.Với một

bộ khuếc đại tốt, nhiều đầu vào vào khoảng 5nV/VHz Nếu tỷ số khuếch đại của máy là 1000 và băng thông 100kHz ta sẽ cỏ tín hiệu đầu ra vào lOuV và 1.6mV nhiễu Với kết quả như trên thì ta không thể dùng bộ khuếch đại này để khuếch đại tín hiệu lOnV

Nếu ta sử dụns bộ khuếch đại trên với bộ lọc band pass có ọ = 100 (rất tốt)

có trun? tâm dải tần đi qua là 10 kHz Điều đó có nghĩa là tất cả các tín hiệu trona dài tần số có độ rộng 100 Hz (= 100kHz /Q) được khuếch dại Nhiều trons dai tần

này có độ lớn 50 uV (5nV/VHz X VlOOHz X 1000) trong khi tín hiệu có đ ộ lớn lOuV Tỷ số tín hiệu trên nhiễu là 1/20.

Đối với khuếch đại lock-in sử dụng bộ phát hiện nhạy pha, băng thông có thể có độ lớn rất nhỏ, cỡ 0.01 Hz Trong trường hợp này, nhiễu chò còn 0.5 uV và

ta có tỷ số tín hiệu trên nhiễu là 20

Để thực hiện khuếch đại lock-in, ta cần có tín hiệu chuẩn Thông thường, mẫu đo được kích thích với một tần số xác định trước (lấy từ máy phát tín hiệu hoặcbộ tạo dao động) và bộ khuếch đại lock-in phát hiện phản ứng cùa mẫu với kích thích đờ tần số chuẩn nào đó Trong giàn đồ thời gian bên dưới, tín hiệu chuẩn có dạng song vuông và có tần số góc G)r Với khuếch đại lock-in, thường có đầu ra đồng bộ giừa tần số chuẩn này với tần số kích thích bên ngoài tác dụng lên mẫu Nếu kích thích lên mẫu có dạng song sin thì tín hiệu phàn hồi cùa mầu

thường có dạng song sin chậm pha so hơn với tín hiệu kích thước Vu, sin(ft> t +ỡu>) Khuếch đại lock-in tự tạo ra một sóng sin khác có phương trình V, s\n(co,t + Oni ).

Tín hiệu đầu vào được nhân với tín hiệu chuẩn thông qua bộ nhân hay còn gọi là

bộ phát hiện nhạy pha (psd):

Vpsa = K,gK sin(ứự + Ớ„K) sin{cứ,t + 0ní)

= 1 / 2VU/ , COS ((tì), -ũ)r)t+ eag - ỡK/) - ỉ ỉ 2V u V l cos((cưr +cor)t+ duK + 0n/)

Nếu V psd được đưa vào bộ lọc thông thấp và G)j bang (0Sig ta có: r,*, = 1 / 2 ^ , cos(0lw-<?„,)

Ta có một tín hiệu một chiều có độ lớn chi phụ thuộc vào dộ lớn tín hiệu

Trong trường hợp đầu vào là tín hiệu cần đo công nhiều Bộ phát hiện nhạy pha và lọc thông thấp chi cho các tín hiệu có tần số rất gần với tín hiệu đầu vào truyền qua Tất cà các nhiễu có tần số khác nhiều so với tín hiệu dầu vào đều bị loại bỏ

v ấ n đề đặt ra cần giải quyết đó là tạo tín hiệu chuẩn có cùng tần sô với tín hiệu đo đồng thời độ lệch pha giữa chúng phải không đổi trong quá trình đo Nói cách khác pha của tín hiệu chuẩn phải được khóa pha so với tín hiệu đâu vào.

Khuếch đại lock-in đùng vòng lặp khóa pha để tạo ra tín hiệu chuẩn Tín hiệu chuẩn bên ngoài (sóng vuông) được đưa vào bộ khóa pha Bộ khóa pha khóa pha của bộ dao động bên trong lock-in kết quả bộ dao động này phát tín hiệu chuẩn có tần số cùa sóng vuông và có pha không đổi so với tín hiệu đầu vào

Trường hợp được xét ờ trên có tín hiệu chuẩn được đưa vào từ bên ngoài nhờ một sóng vuông Trong nhiều trường hợp ta có thể sử dụng luông tín hiệu cùa

bộ dao động bên trong để thay thế

PHÀN 2: LOCK-IN STANDFORD RS830

Hình 2.1 thể hiện sơ đồ khối của khuếch đại lock-in RS830

Low N ose 55.90 H z 'G a i 23 Hz

D ffe 'a n ta i Notch Notrh

At o Filter FiSar Gain

H ình 2 ỉ: Sơ đô nguyên lý của khuêch đại lock-in RS830.

Các bộ lọc 50/60 Hz và 100/120 Hz dùng để lọc nhiều phát sinh do mạng điện lưới (mạng điện lưới của Việt Nam có tần sổ 50 Hz) và hài bậc hai của chúng

Hình 2.2 là mặt máy của RS830 eồm các đầu vào A/B và đầu ra X Y và các tín hiệu chuẩn Bièn độ và pha của tín hiệu được thể hiện bang đèn bày đoạn 41/2 sổ

O i Dsplay 0 2 Diplay Ref Display I

Hình 2.2: Mặt máy khuếch đại lock-in RS830

Thông số máy lock-in RS830

Kênh tín hiệu: Đơn (A) hoặc vi sai (A-B)

Dòng vào 106 or 108 Volts/Amp

Độ nhạy toàn thang 2 nV tới 1 V với bước 1-2-5-10

Điện kháng đầu vào: 10 MOhm+25 pF

Nhiễu đầu vào 6 nV/VHz tại 1 kHz

PHẦN 3: HỆ ĐO TỔNG TRỜ PHỤ THUỘC TÀN SÓ D ựA• • • •

TRÊN LOCK-IN RS830

1 Mạch đo:

H ình 3 Ị : Mạch đo tông trở bằng phươ ng pháp 1- V.

Tín hiệu lối vào A - voltage của SR830 (hình la, b) ŨH được lấy trên trừ chuẩn

R với các giá trị có thể chọn được là 10, 100 và 1000 Ohm và sai sổ ±0.1%, với trở kháng lối vào của SR830 là lOMOhm, và 25pF, tại tần sổ lớn nhất cỡ 100kHz thì sai số gây ra do trở kháng lối vào này có thể bỏ qua Tín hiệu kích được lấy từ lối

ra SINE OUT của SR830 với tín hiệu sine chuẩn có biên độ và tần sổ thay đổi tương ứng từ 0-5.000 Vpp, và 0.001Hz-102kHz, các giá trị này được điều khiển từ máy tính qua cổng ghép nối GPIB hoặc RS232 Các thông số khác như độ nhạy - SENSITIVITY, hằng số thời gian TIME CONSTANT, pha ban đầu và dừ liệu đo được bao gồm điện áp tổng, phần thực, phần ảo và pha của tín hiệu cũng được điều khiển thu nhận qua cổng này

Giao diện phần mềm của hệ đo như trên hình 3, các chức năng cơ bản được thiết lập trước khi thực hiện phép đo bao gồm: tần số bắt đầu, tần số kết thúc, bước

nhảy tần số, thời gian trễ cho một điểm đo (phụ thuộc vào tần số đo và hằng sổ thời gian đã chọn), biên độ ư 0 và các tham sổ khác.

a, giao diện hệ đo b, thiết lập thông số đoHình 3.2: Giao diện hệ đo, khi đo (b) và thiết lập thông sổ đo (a)

Có bốn dạng hiển thị dừ liệu tùy theo mục đích người sừ dụne bao gồm: bảng số liệu, biểu diễn Z ’, Z ” theo tan so, z, (Ị) theo tần số và Z” theo z \

2 Đánh giá kết quả và sai số:

Nhờ đặc điểm nổi bật của bộ khuếch đại lock-in là khả năng loại nhiễu, cho phép thu nhận được những tín hiệu có tỷ số tín hiệu trên tạp S/N thấp, do đó, với những mẫu vật liệu có trở kháng cao, ta hoàn toàn có thể thực hiện được phép đo trên hệ này với việc tăng độ nhạy đầu vào cờ nV và biên độ kích đên 5Vpp

Hệ đo được khảo sát dựa trên các mẫu chuẩn và linh kiện thương mại với các kết quả như trên các hình 3.2, 3.3, 3.4 Với điện trờ chuẩn 9.9k±0.01%, trờ có tính cảm kháng nhò và có thể phát hiện được từng mức của độ phân giải của SR830 (hình 3.2 a)

a, phổ z của tụ 100nF ở tần số b, phổ z của tụ 100nF ở tần số

Hình 3.3 Phổ tổng trờ Z((ủ) của tụ ĩhương mại 100nF±10%

Hinh 3.3 là kết quà đo với tụ điện thương mại 100nF với các dải tần sổ thấp, và tần số cao đển 100kHz, qua đó cho thấy tụ này chi “tốt” khi hoạt động ờ tần số dưới 4kHz

Hình 3.3 là kết quả đo với thạch anh thương mại 32.728kHz, két quà này hoàn toàn phù hợp với các kết quả đo cộng hường khác của linh kiện áp diện loại này [7,8]

Sai số hệ thống do đường truyền được khảo sát với trờ chuẩn trone toàn phổ đo cho kết quả như trên hình 3a, do trở tham chiếu được chọn với các giá trị lớn nhất chi là 1000 Ohm, so với giá trị Z Lock.in mm-~75kohrn ờ 100kHz (với Z Lock in~10Mohm+25pF) Sai số do đường truyền tương tự như đánh giá ở tài liệu tham khảo [17]

Kết luận

Trên cơ sờ thiết bị sẵn có, chúng tôi đã xây dựng thành công một hệ đo phổ tổng

trở có độ nhạy và độ chính xác cao Với cấu hình đơn giản, và phần mềm sử dụn2

đom giàn, linh hoạt, hệ đo đặc biệt có ý nghĩa trong đào tạo và nghiên cứu khoa học Mục đích đề tài đạt được với kết quả như sau:

- Xây dựng thành công hệ đo tổng trở dựa trên lock-in sổ RS830

- Hệ đo hoàn toàn được lập trình điều khiển tự động trên máy vi tính

- Kết quả đo bao gồm z, z \ Z”, 0

- Dải đo từ 0.001Hz đến 100kHz

- ứ n g dụng hệ đo tổng trở đào tạo được 01 Cừ nhân, 02 bài báo cáo khoa học trong nước