Chuyển đổi tín hiệu vật lý và ứng dụng trong sensor

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐỖ GIA TÙNG CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ VÀ ỨNG DỤNG TRONG SENSOR LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐỖ GIA TÙNG CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ VÀ ỨNG DỤNG TRONG SENSOR Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã số: 60.44.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM QUỐC TRIỆU Hà Nội - 2011 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… ……….01 Chương - CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ………………………… ……… 02 1.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt- điện…………………………………….02 1.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện…………………………………… ……… 02 1.1.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở………………………… ………………04 1.1.3 Hiệu ứng điện hỏa 05 1.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi - điện… ……………………………… 06 1.2.1 Hiệu ứng áp điện 06 1.2.2 Hiệu ứng từ giảo………………………………………………… 07 1.2.3 Hiệu ứng trở áp ……………… …………………… … …….08 1.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang -điện…… …….………….………… 08 1.3.1 Hiệu ứng quang điện…………………………………………… 08 1.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện ……………………………….….11 1.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa………………………………….11 1.3.4 Hiệu ứng quang điện môi……………………………………… 13 1.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay………………………………………… 13 1.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr………………………………………… 14 1.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels………………………… 15 1.3.8 Hiệu ứng phát quang phản ứng hóa học…………………….16 1.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện…………………….…… ……… 16 1.4.1 Hiệu ứng Hall…………………………………………………… 16 1.4.2 Hiệu ứng Spin Hall…………………………………… ……… 18 1.4.3 Định luật Faraday-Henry……………………………………….18 1.4.4 Hiệu ứng Barkhausen………………………………………… 19 1.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen……………………………… 20 1.4.6 Hiệu ứng từ trở………………………………………………….20 1.5 Hiệu ứng Dopper………………………………………………….21 Chương - SENSOR TỪ ĐIỆN……………………………………………………22 2.1 Khái quát cảm biến từ…………………………………………………22 2.2 Một số loại từ kế phổ biến……………………………………………… 24 2.2.1 Từ kế ống dây………………………………………………… 24 2.2.2 Từ kế hiệu ứng Hall ………………………………………… 31 2.2.3 Từ kế proton precession…………………………………… .34 2.2.4 Từ kế bơm quang học………………………………………… 36 2.2.5 Từ kế SQUID ………………………………………………… 38 2.2.6 Từ kế hiệu ứng từ trở………………………………………… 41 2.2.7 Từ kế Fluxgate………………………………………………… 45 Chương - MƠ PHỎNG HIỆU ỨNG CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TRONG SENSOR 3.1 Vector cảm ứng từ…………………………………………………… 51 3.2 Từ trường dịng điện thẳng………………………………………… 52 3.2.1 Mơ từ trường nửa dòng điện gây đường pháp tuyến qua tâm O………………………………………………………53 3.2.2 Mơ từ trường dịng điện gây đường pháp tuyến qua tâm O………………………………………………………… 55 3.2.3 Quan hệ dòng điện-từ trường………………………………… 56 3.3 Các đặc trưng vật liệu từ mềm………………………………57 3.3.1 Đường từ hóa, độ từ thẩm độ tự cảm vật liệu từ trường chiều ……………………… 57 3.3.2 Quá trình từ hóa từ trễ……………………………………….58 3.4 Mơ hoạt động fluxgate sensor ………………………………62 3.4.1 Cấu tạo sensor fluxgate hai lõi mắc xung đối……………… 62 3.4.2 Mơ q trình chuyển đổi tín hiệu sensor……………62 3.4.3 Mơ phụ thuộc biên độ tín hiệu theo từ trường 67 Chương - THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG NHỎ……… 71 4.1 Sơ đồ khối thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ……… 71 4.2 Khảo sát phản ứng thiết bị đo theo phông từ trường………………… 73 4.3 Khảo sát phản ứng thiết bị đo có nguồn từ trường ngồi………….75 4.3.1 Từ trường dòng điện thẳng…………………………………….75 4.3.2 Từ trường cuộn dây Xolenoit……………………………… 76 4.4 Giải pháp nâng cao tỷ số S/N …………………………………………… 77 KẾT LUẬN……………………………………………………………………………80 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………….81 PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Chuyển đổi tín hiệu lĩnh vực lý thú có nhiều ứng dụng thực tiễn Các đầu dò, đầu đo, cảm biến (sensor)… chế tạo đưa vào sử dụng đo lường, điều khiển tự động dựa nguyên lý chuyển đổi tín hiệu Đặc biệt chuyển đổi tín hiệu khơng điện sang tín hiệu điện quan tâm ưu trội Tín hiệu điện dễ dàng khuếch đại, xử lý truyền xa Bản luận văn tập trung vào nhiệm vụ nghiên cứu tổng quan số hiệu ứng chuyển đổi tín hiệu khơng điện sang tín hiệu điện nói chung, chuyển đổi từ điện nói riêng Trong phần nghiên cứu thực nghiệm, luận văn hướng vào nội dung tìm hiểu chế chuyển đổi tín hiệu từ điện dùng ngun lý bão hịa từ thông sensor Fluxgate, phương pháp xử lý số liệu nhỏ đánh giá khả phát thăng giáng từ trường nhỏ thiết bị đo nghiên cứu thiết kế, chế tạo Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội Nội dung luận văn phần nhiệm vụ nghiên cứu khoa học đề tài trọng điểm cấp ĐH Quốc Gia Hà Nội mã số QGTĐ.10.27 nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ Bố cục luận văn trình bày chương: Chương Chuyển đổi tín hiệu vật lý Chương Sensor từ-điện Chương Mô hiệu ứng chuyển đổi tín hiệu sensor Chương Thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ CHƯƠNG CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ 1.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện 1.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện Gradient nhiệt sinh hiệu điện mối nối hai vật dẫn bán dẫn khác loại Hiện tượng quan sát kim loại vào năm 1821 Thomas Johann Seebeck mang tên ơng Hình 1.1- Vật liệu A B gắn chặt hai đầu giữ nhiệt độ T1 T2 Hình 1.1 mơ tả hai vật liệu khác loại A B, hiệu điện V sinh hai đầu nối giữ nhiệt độ khác tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ T  T2  T1 , tuân theo phương trình: V  ( S A  S B )T (1.1) Với S A S B hệ số Seebeck vật liệu A vật liệu B Đây hiệu ứng vật lý sử dụng dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay dụng cụ mẫu cho đo lường nhiệt độ Năm 1834 Jean Charly Athanase Peltier tìm tượng ngược lại: đầu nối hai kim loại khác nhau, chênh lệch nhiệt độ tăng có dịng điện chạy qua Nhiệt lượng đơn vị thời gian, Q, hấp thụ mối nối có nhiệt độ thấp bằng: (1.2) Q  ( A   B ) I với  A ,  B hệ số Peltier vật liệu, I dòng điện Năm 1854 William Thomson (Lord Kelvin) phát dòng điện qua vật có gradient nhiệt dọc theo chiều dài làm vật vừa hấp thụ vừa giải phóng nhiệt Do gradient nhiệt tồn dọc chiều dài vật liệu nên lực điện động sản sinh dọc theo chiều dài Các hệ cảm biến bao gồm nhiều sensor nhiệt chế tạo dựa hiệu ứng nhiệt điện, nhiều loại ứng dụng lĩnh vực như: nghiên cứu khoa học, y học, công nghiệp, dự trữ thực phẩm… Những kim loại hợp kim sử dụng chế tạo cặp nhiệt điện cho thuộc tính biểu khác Chromel (khoảng 90% Ni 10%) Contantan (khoảng 40%Ni 60% Cu) hai hợp kim thường sử dụng Loại K loại cặp nhiệt điện sử dụng rộng rãi có độ nhạy xấp xỉ 41µV/ ºC Một vài cặp nhiệt điện loại E hoạt động dải nhiệt độ thấp so với loại K nhiên chúng lại có độ nhạy cao (68µV/ ºC) Loại N (Nicrosil(hợp kim Ni-Cr-Si) / Nisil(hợp kim Ni-Si)) có độ nhạy cao có khả chống lại oxi hóa dùng cho phép đo nhiệt độ cao Các loại cặp nhiệt điện khác B, R S làm từ kim loại quý để đo nhiệt độ cao có độ nhạy thấp (cỡ 10µV/ ºC) Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ vật liệu bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn sử dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ Nó sử dụng làm bơm nhiệt để kích đến trạng thái tự kích số sản phẩm diode laser, CCD cameras, vi xử lý, phân tích máu… Khả chuyển đổi qua lại điện nhiệt thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào số phẩm chất (ZT) vật liệu chế tạo xác định : ZT  ( S 2T ) / (  KT ) S ,T , ρ, (1.3) K T hệ số Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở suất độ dẫn nhiệt toàn phần Thơng thường vật liệu nhiệt điện có hệ số Seebeck lớn, dẫn nhiệt tốt điện trở nhỏ hiệu việc chế tạo thiết bị nhiệt điện Bi2Te3 , Sb2Te3 vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp xỉ đơn vị nhiệt độ phịng Vật liệu với kích cỡ nano đề cử trội để cải thiện thể cấu trúc nhiệt điện Với dây lượng tử Bi2Te3 đạt ZT lớn 14 bán kính dây giảm đến 0.5 nm Đối với cấu trúc siêu mạng vật liệu với độ dày lượng tử tích tụ nm giá trị phẩm chất tốt tính 2.5 Với nhiều hiệu bật vật liệu nhiệt điện, tương lai gần dụng cụ tìm kiếm cho phát điện chuyển lượng nhiệt dư thừa thành điện Bảng 1.1- Một vài loại cặp nhiệt điện phổ biến dải nhiệt độ tương ứng [14] Loại Vật liệu Dải nhiệt độ (ºC) K Chromel/Alumel (hợp kim Ni-Al) -200 đến +1200 E Chromel/Contantan -110 đến +140 J Iron/ Contantan -40 đến +750 N Nicrosil(hợp kim Ni-Cr-Si)/Nisil (hợp kim Ni-Si) 1.1.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở Nhiệt điện trở liên quan đến thay đổi điện trở vật liệu theo nhiệt độ sử dụng rộng rãi cảm biến nhiệt Đây hiệu ứng thiết bị cảm biến nhiệt nhiệt kế điện trở nhiệt điện trở Điện trở R tính theo cơng thức: R  Rref (1  1T   T    n T n ) Trong (1.4) Rref điện trở nhiệt độ tham chiếu, 1  n hệ số nhiệt điện trở vật liệu, T  (T  Tref ) chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ T nhiệt độ tham chiếu Tref Phương trình cho thấy điện trở tăng theo nhiệt độ Điều không với vật liệu, vật liệu có hệ số nhiệt dương (PTC-positive temperature coefficient) điện trở tăng theo nhiệt độ, ngược lại hệ số nhiệt âm (NTC-negative temperature coefficient ) điện trở giảm theo nhiệt độ Trong nhiều trường hợp, vật liệu thể mối quan hệ tuyến tính nhiệt độ điện trở, không cần quan tâm đến số hạng bậc cao phương trình (1.4) Tuy nhiên tuyến tính dải nhiệt độ định Bảng 1.2- Dải nhiệt độ tuyến tính số vật liệu sử dụng chế tạo sensor nhiệt điện trở Vật liệu Dải nhiệt độ tuyến tính (ºC) Đồng -200  260 Platinum -260 1000 Vật liệu nano dùng để chế tạo thiết bị nhiệt điện trở với hệ số nhiệt âm dương mong muốn Những vật liệu có cấu trúc nano với tỷ lệ bề mặt / thể tích lớn hiệu việc thay đổi theo biến thiên môi trường Điều làm tăng độ nhạy sensor với biên độ làm giảm thời gian đáp ứng Saha chế tạo thành công bột có kích cỡ nano ( Mnx Fe1 x ) O3 Vật liệu cải tiến có số nhạy NTC lớn đáng kể so với vật liệu NTC thơng thường Tính chất điện vật dẫn vật cách điện hợp chất cao phân tử trộn với hạt có kích thước nano sử dụng để chế tạo nhiệt điện trở 1.1.3 Hiệu ứng điện hỏa Khi nung nóng hay làm lạnh, tinh thể sinh phân cực điện kết tạo hiệu điện Nhiệt độ thay đổi nguyên nhân làm cho điện tích dương điện tích âm di chuyển đến cực đối diện tinh thể Vật liệu điện hỏa sử dụng sensor xạ, xạ tới bề mặt chúng chuyển hóa thành nhiệt Sự tăng nhiệt độ xạ nguyên nhân làm thay đổi độ lớn phân cực điện tinh thể Điều dẫn đến điện đo được, đặt mạch điện, dòng đo được: CHƯƠNG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG NHỎ Trên sở nghiên cứu chế chuyển đổi tín hiệu sensor phát thăng giáng từ trường nhỏ dựa nguyên lý Fluxgate, chương này, chúng tơi trình bày số nghiên cứu khảo sát tín hiệu đo thu hệ thực nghiệm Việc đánh giá độ nhạy hệ đo thực thông qua nguồn tạo từ trường Giá trị cảm ứng từ điểm không gian nguồn gây tính tốn theo cơng thức lý thuyết 4.1 Sơ đồ khối thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ [19] Khối phát xung Chia tần Khối tạo sóng sine Khuếch đại cơng suất Khuếch đại Xử lý Chỉ thị ADC SENSOR (đầu dị) PC Hình 4.1- Sơ đồ khối thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ Giải thích hoạt động khối thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ Hình 4.1 sơ đồ khối thiết bị đo Các khối chức thiết bị bao gồm: Khối phát xung Linh kiện chủ yếu khối IC 4011 thuộc loại CMOS Nhiệm vụ khối tạo xung vuông tần số 10 kHz 71 Khối chia tần Linh kiện chủ yếu khối IC 4013 thuộc loại CMOS Nhiệm vụ khối tạo xung vuông đặn Khối tạo sóng sine khối khuếch đại cơng suất Nhiệm vụ khối tạo sóng hình sine đơn sắc đủ cơng suất để ni sensor Đầu dò từ trường nhỏ Là sensor fluxgate cấu tạo lõi permalloy, lõi gồm nhiều có chiều dài 100 mm, rộng mm dày 0,3 mm Cuộn sơ cấp bao gồm cuộn dây quấn hai lõi permalloy Mỗi cuộn dây gồm 800 vịng, có đường kính dây 0,05 mm Cuộn thứ cấp gồm 400 vịng dây, kích thước 0,03 mm bao xung quanh toàn hai lõi permalloy cuộn sơ cấp hình 3.12 Hình 4.2- Kết thực nghiệm hiển thị máy tính Khối xử lý tín hiệu Có thể sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu nhỏ lối sensor sau: + Phương pháp chỉnh lưu tích phân + Phương pháp Sampling and Hold (Boxcar) 72 Khối thị Sau khối xử lý, tín hiệu đo đồng thời đưa đến khối thị mức điện áp chiều khối ghép nối máy tính để quan sát lưu số liệu (hình 4.2) 4.2 Khảo sát phản ứng thiết bị đo theo phông từ trường Chúng thực nhiều phép đo phông từ trường phịng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hình 4.3 số liệu thăng giáng phơng từ trường ngày 21/9/2011 hình 4.4 số liệu ghi ngày 22/9/2011 Tín hiệu ghi đồng hồ số đa phân giải cao Keithley (Mỹ), thời gian lấy mẫu 5s Hình 4.3- Phơng từ trường đo phịng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu ngày 21.9.2011 Nhận xét: Tín hiệu phơng từ trường ghi nhận hình 4.3 4.4 chứng tỏ khả phát thăng giáng nhỏ từ trường ngồi tác động nên đầu dị Độ lớn cảm ứng từ phơng từ trường trái đất có giá trị nhỏ Gauss Sự thăng giáng ghi điều kiện biến động phông từ cao, xung quanh phịng thí nghiệm thi cơng xây dựng 73 Tuy nhiên, dứt đợt thi cơng, tín hiệu lại trở trạng thái cân Hình 4.4- Phơng từ trường đo phịng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu ngày 22.9.2011 Chúng thực ghi tín hiệu phơng từ trường thơng qua hệ thống ghép nối máy tính Tín hiệu thăng giáng từ trường nhỏ ghi ngày 03/10/2011 có dạng hình 4.5 hình 4.6 Dạng tín hiệu thu chứng tỏ hoạt động hệ thống quan sát ghi số liệu Tuy nhiên, chưa thể kết luận độ nhạy từ trường nhỏ hệ thống tín hiệu ghi tạp nhiễu gây ra, cịn chưa có tham gia tín hiệu so sánh Hình 4.5- Phơng từ trường đo tự động máy tính 74 Hình 4.6- Phơng từ trường đo ngày 3.10.2011 phịng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu 4.3 Khảo sát phản ứng thiết bị đo có nguồn từ trường ngồi 4.3.1 Từ trường dịng điện thẳng Trong thí nghiệm này, chúng tơi sử dụng dịng điện thẳng, chạy dây dẫn dài 1,2m làm nguồn phát sinh từ trường Trên hình vẽ bên, A đoạn dây dẫn điện, B đầu dị từ trường Đầu dị từ trường có phương vng góc với mặt phẳng tờ giấy Khoảng cách từ sợi dây đến tâm đầu dò r Thay đổi giá trị dòng điện I khoảng cách r, ta có độ lớn cảm ứng từ B dòng điện tác dụng nên đầu dò khác nhau, tính theo cơng thức lý thuyết: B 0 I (cos 1  cos  ) 4 R (4.1) Trên hình 4.7 tín hiệu ghi nhận trường hợp chọn dây dẫn có độ dài l=1.2m, cường độ dòng điện I=160 mA khoảng cách r=1cm Căn theo kết mô chương 3, với r lựa chọn trên, sợi dây xem vơ hạn Khi đó, cảm ứng từ B tâm đầu dị tính: 0 I 4 107.160.103 B   320.108 T  3, 2T 2 2 r 2 1.10 (4.2) Tín hiệu hình 4.7 tách biệt thành hai mức: mức cao tương ứng với trạng thái dây dẫn có dịng điện I=160 mA, mức thấp ứng với trạng thái dòng điện I=0 Như vậy, thiết bị phát rõ có mặt từ trường nhỏ bên ngồi đầu dị 75 Vì đầu dị có đặc tính nhạy với đường sức từ theo phương song song với trục chính, nên việc sử dụng nguồn từ trường dòng điện thẳng dẫn đến việc giá trị hiệu dụng B qua đầu dị nhỏ Có thể biểu diễn sau: Bhd=kB0 (4.3) Ở Bhd cảm ứng từ hiệu dụng tác dụng vào đầu dò (sensor) B0 giá trị cảm ứng từ tâm đầu dò k hệ số Thơng qua đó, ước lượng độ nhậy thăng giáng từ trường nhỏ thiết bị vào cỡ nhỏ μT Hình 4.7- Từ trường xung quanh dây dẫn thẳng kích thích dịng điện dạng xung vuông 4.3.2 Từ trường cuộn dây Xolenoit Trường hợp dịng điện thẳng dài vơ hạn, từ trường sinh biểu diễn đường sức trịn khép kín, nằm mặt phẳng vng góc với sợi dây Sử dụng cuộn dây Xolenoit, ta tạo từ trường lịng cuộn dây theo phương dọc Tính toán rằng, chiều dài L cuộn dây lớn gấp 10 lần đường kính D xem từ trường vùng tâm cuộn dây Chúng chế tạo cuộn dây Xolenoit với kích thước L=10cm, D=1cm số vịng N=120 Với thơng số cấu tạo vậy, thí nghiệm tập trung vào khảo sát phản ứng thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ tồn không tồn nguồn từ trường tác động lên đầu dị đặt cuộn Xolenoit 76 Hình 4.8 tín hiệu ghi thiết bị ghép nối máy vi tính Tín hiệu có dạng xung vng với mức cao tương ứng với trường hợp cuộn dây có dịng điện I=0.5 mA, mức thấp tương ứng với trạng thái ngắt dịng Hình 4.8- Giá trị quy đổi điện từ trường lòng cuộn Xolenoit 120 vịng có dịng điện 0.5 mA dạng xung vng chạy qua Cảm ứng từ B sinh lòng cuộn dây Xolenoit có dịng I=0.5 mA tính theo công thức: B=μ0nI= μ0 N I  0.7 μT (4.4) L 4.4 Giải pháp nâng cao tỷ số S/N Để nâng cao tỷ số S/N thiết bị thăng giáng từ trường nhỏ, ta cần quan tâm số vấn đề: + Tăng độ nhạy sensor: Tín hiệu lối sensor có độ lớn phụ thuộc vào thông số vật liệu làm lõi, tần số tín hiệu kích, số vịng dây thứ cấp…Vật liệu làm lõi có độ từ thẩm μ cao sensor nhậy Tuy nhiên đường cong B(H) dốc dải đo bị thu hẹp lại Tần số tín hiệu kích lớn, biến thiên từ thơng cao tín hiệu lối lớn, dịng Fuco lõi làm nhiệt độ sensor tăng 77 lên, gây suy giảm đường cong B(H) Biện pháp khắc phục dung hịa giữ tần số kích mức vừa phải, đồng thời chế tạo lõi dạng ghép vật liệu mỏng cách điện với Tăng số vòng dây thứ cấp cao dẫn đến việc tăng trở kháng lối tăng kích thước sensor, khó phối hợp với tầng phía sau + Giảm tạp nhiễu: Việc đo phông từ trường cho phép xác định dải đo thăng giáng từ trường hiệu vị trí Tùy theo phơng từ trường, tùy theo thông số kỹ thuật thiết bị chế tạo mà độ nhậy thiết bị đo thăng giáng từ trường theo nguyên lý Fluxgate có dải đo từ nT đến hàng chục μT lớn Để sử dụng thiết bị vào mục đích quan sát thăng giáng từ trường trái đất người ta phải lập trạm đo xa khu dân cư, đường giao thông, vật kim loại… Để phát thăng giáng từ trường cỡ từ 10 μT đến 1000 μT thiết bị chịu ảnh hưởng phơng từ trường Nhằm mục đích giảm nhiễu tác dụng lên đầu dò, tăng cường tỷ số S/N hệ thống, đề xuất xử lý tín hiệu nhỏ từ sensor theo nguyên lý Sampling and Hold (Boxcar) sau: (a) (b) (c) (d) t1 t2 Hình 4.9- Tạo xung Sampling vùng có tín hiệu: (a) Xung đồng chủ, (b) Tín hiệu lối sensor, (c) Tạo xung t1, (d) Tạo xung t2 78 R +5 V (3) C 14 11 10 Q Ra Vào Q (6) t Hình 4.10- Tạo xung t1, t2 mạch đơn hài Thực việc tạo xung t1, t2 thông qua vi mạch đơn hài hình 4.10 Tín hiệu đo (b) xung lấy mẫu (d) hình 4.9 đưa vào khóa dùng transistor trường hình 4.11, cho tín hiệu khoảng t2 qua Như vậy, nhiễu nằm vùng t2 bị khử, dẫn đến việc giảm tạp nhiễu lối thiết bị Việc xác định khoảng t2 thực nhờ quan sát thực nghiệm +V (b) (d) Ra -V Hình 4.11 Mạch Sampling and Hold tối giản 79 KẾT LUẬN Sau trình làm luận văn, hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo, em tập trung nghiên cứu thực nội dung khoa học đề cho luận văn thu số kết sau: Nghiên cứu tổng quan tượng chuyển đổi tín hiệu vật lý nói chung, chuyển đổi tín hiệu khơng điện sang điện nói riêng, đặc biệt chuyển đổi tín hiệu từ sang điện Tìm hiểu chế mơ phần mềm Matlab q trình chuyển đổi tín hiệu sensor phát thăng giáng từ trường nhỏ dùng nguyên lý Fluxgate Việc nắm bắt chế chuyển đổi giúp nhà thiết kế, chế tạo thiết bị định hướng xác yêu cầu cần thiết để nâng cấp, cải thiện chất lượng Mô giá trị từ trường khơng gian dịng điện thẳng gây Tìm hiểu hoạt động, khảo sát số khối chức thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ ghép nối máy vi tính, trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên chế tạo Khảo sát thực nghiệm đánh giá sơ khả phát từ trường nhỏ thiết bị Số liệu thực nghiệm thu cho thấy thiết bị có khả phát thăng giáng từ trường nhỏ cỡ 100 nT Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu kỹ thuật Sampling and Hold nhằm giảm thiểu tạp nhiễu, nâng cao tỷ số S/N Nội dung nghiên cứu luận văn nằm phạm vi nội dung đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm ĐH Quốc Gia Hà Nội, mã số QGTĐ.10.27 Một số kết thu trình thực luận văn sử dụng ba báo cáo khoa học tham gia Hội nghị quốc tế thiết bị mạch tích hợp ICDV (Hà nội, 8/2011), Hội nghị Vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS) Thành phố Hồ Chí Minh 11/2011 Hội nghị Quốc tế dành cho Cao học NCS Việt nam-Lào-Campuchia Thành phố Vinh 10/2011 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tiếng Việt [1] Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Thế Khơi, Vũ Ngọc Hồng (1977), Giáo trình điện đại cương tập 3- NXBGD, Hà Nội [2] Lưu Tuấn Tài (2008), Giáo trình Từ học, NXBĐHQG, Hà Nội [3] Ngạc Văn An (chủ biên), Đặng Hùng, Nguyễn Đăng Lâm, Lê Xuân Thê, Đỗ Trung Kiên (2006), Vô tuyến điện tử, NXBGD, Hà Nội [4] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXBKHKT, Hà Nội [5] Lê Xuân Thê (2006), Dụng cụ bán dẫn vi mạch, NXBGD, Hà Nội [6] Đỗ Xuân Thụ (1999), Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội [7] Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm Vật lý, Giáo trình khoa Vật lý, trường ĐH Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội [8] Phạm Quốc Triệu, Đỗ Gia Tùng (2011), Nghiên cứu cải thiện tỷ số S/N thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ, Báo cáo Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS-2011) B Tiếng Anh [9] M.J Usher and D.A Keating (1991),Characteristics, application, instrumentation, interfacing, VCH, Weinheim, Germany [10] W A Geyger (1964), Control Devices, New York: McGraw-Hill [11] A Yariv (1991), Optical electronics, Oxford University Press, New York,USA [12] Davis (2004) Handbook of Engineering tables, Editor-in-Chief Richard C Dorf University of California [13] Steven A Macintyre (2000), Magnetic Field Measurement, CRC Press LLC [14] H J Goldsmid and G S Nolas (2001), A review of the New Thermoelectric Materials, p 1-6 81 [15] D Saha, A D Sharma, A Sen, and H S Maiti (2002), Masterials Letters 55, 403-406 [16] R Kohler, N Neumann, N Hess, R Bruchhaus, W Wersing, and M Simon (1997), Ferroelectrics 201, 83-92 [17] W Kwaitkawski and S Tumanski (1986), The permalloy magnetoresistive sensors-properties and applications, J Phys E: Sci Instrum., 19, 502–515 [18] F Brymda (1988), The magnetometer, J Phys E: Sci Intrum., 10, 242-253 [19] Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung (2011), Study on manufacture the device for detecting small magnetic field fuctuation, The 2011 International Conference on Integrated Circuits and Devices in Vietnam, 8-18 August, 2011 [20] C M Falco and I K Schuller (1981), SQUIDs and their sensitivity for geophysical applications, SQUID Applications to Geophysics, The society of Exploration Geophysics, 13-18 82 Mô từ trường sợi dây thẳng thay đổi chiều dài sợi dây cường độ dòng điện close all;clear all;clc; l=0:.5:15; B1=(10*l.*0.1)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A B2=(10*l.*0.2)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A B4=(10*l.*0.5)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A B5=(10*l)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A plot(l,B1,'