XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ

XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Công Bi ển

KHOÁ LU ẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Công Bi ển

KHOÁ LU ẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán b ộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thăng Long

L ời cảm ơn

Em xin g ửi lời cảm ơn đến các thày cô giáo trong nhà trường, những người

tâm huy ết đã nhiệt tình truyền đạt tri thức cho những thế hệ sinh viên của trường Đại

h ọc Công nghệ Em xin gửi lời cảm ơn đến GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ và TS Nguyễn

Th ăng Long đã tạo điều kiện cho em được tham gia thực tập tại phòng thí nghiệm

MEMS và định hướng cho em trong quá trình thực tập và làm khoá luận Đặc biệt là

s ự chỉ bảo nhiệt tình của TS Nguyễn Thăng Long, thày đã trang bị cho em phương

pháp lu ận và nhiều kiến thức quan trọng giúp em hoàn thành khoá luận này

Em xin c ảm ơn các anh trong bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thống đã nhiệt

tình giúp đỡ em trong thời gian qua, cảm ơn các bạn trong nhóm MEMS đã động viên,

giúp đỡ trong thời gian thực ở nhóm

Tóm tắt

Hiện nay, với công nghệ mạch tích hợp và công nghệ màng mỏng phát triển

mạnh mẽ, công nghệ cảm biến từ đã được cải tiến về độ cảm nhận và giảm thiểu kích

thước, phù hợp khi ghép nối với các thiết bị điện tử Các cảm biến từ được ứng dụng

rộng rãi trong thực tế, đặc biệt là trong đo lường và điều khiển Trong khoá luận này,

em tập trung nghiên cứu cảm biến từ trở và xây dựng thiết bị đo sự thay đổi từ trường,

thiết bị này được ứng dụng để phát hiện các phương tiện giao thông Thiết bị được xây

dựng, để đưa vào ứng dụng rộng rãi, phải thỏa mãn các yêu cầu như: độ ổn định cao,

giá thành hạ, thuận lợi trong lắp đặt và sử dụng… Từ đó, khoá luận này sẽ nghiên cứu

các vấn đề sau:

• Một số loại cảm biến thường được sử dụng để phát hiện phương tiện

giao thông

• Hiệu ứng từ trở dị hướng trong vật liệu

• Xây dựng thiết bị phát hiện phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ

trở

Các kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy thiết bị được xây dựng có thể xác định một số thông số như: lưu lượng ô tô, vân tốc của chúng qua một điểm nút Đây

là tiền đề cho việc xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển giao thông thông minh

trong tương lai

M ục lục

thông 2

1.1Những thông số cơ bản trong giám sát và điều khiển giao thông 2

1.2Một số loại cảm biến sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông 3

1.2.1Vòng cảm ứng từ 3

1.2.2Radar 5

1.2.3Camera 7

1.2.4Cảm biến hồng ngoại 7

1.2.5Cảm biến từ 9

Ch ương 2 C ảm biến từ trở di hướng AMR 11

2.1Cơ bản về vật liệu từ 11

2.2Hiệu ứng từ trở dị hướng 12

Ch ương 3 Ứng dụng cảm biến từ trở dị hướng để nhận biết phương tiện giao thông 18

3.1Mô tả ứng dụng 18

3.1.1Sơ đồ khối và chức năng 18

3.1.1.1Cảm biến từ trở HMC 1052 20

3.1.1.2Khối khuếch đại 22

3.1.1.3Khối biến đổi tương tự - số (ADC) 23

3.1.1.4Khối truyền thông nối tiếp(UART) 25

3.1.1.5Mạch thực hiện tạo xung Set/Reset 26

3.2Kết quả thực nghiệm và nhận xét 29

Tài li ệu tham khảo 36

Ph ụ lục 1 37

Ph ụ lục 2 38

L ời mở đầu

Các thiết bị hoạt động dựa trên tác động của từ trường đã được sử dụng từ rất

sớm, cách đây hơn 2000 năm Những ứng dụng ban đầu chủ yếu là trong việc xác định

hướng, định vị trí… Ngày nay, các cảm biến từ vẫn chủ yếu được dùng trong các ứng

dụng đạo hàng, nhưng chúng ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng

khác ( như: cảm biến từ được sử dụng trong các đầu đọc cho băng đĩa, ổ lưu trữ dữ

liệu, trong các mũi khoan…) Đặc biệt với cảm biến từ trở dị hướng, có độ cảm nhận

cao, hoạt động trong vùng từ trường của trái đất, đã được sử dụng trong các ứng dụng

về giao thông như: ứng dụng điều khiển thanh ngang trong hệ thống đường sắt, điều

khiển xe ôtô tìm vị trí trống để đỗ xe, phát hiện xe ôtô… Vì vậy, em đặt mục tiêu

nghiên cứu và xây dựng thiết bị phát hiện phương tiện giao thông, có thể triển khai

trong thực tế ở nước ta

Các hệ thống giám sát và điều khiển giao thông đã được sử dụng ở nhiều

nước trên thế giới, chúng có ưu điểm: độ chính xác cao, hoạt động thông minh… Tuy

nhiên nhược điểm quan trọng làm cho chúng không thể áp dụng ngay tại Việt Nam đó

là đặc điểm hạ tầng cơ sở giao thông ở nước ta mang đặc thù riêng và giá thành của

các hệ thồng này rất cao Ở nước ta đã có một số nhóm nghiên cứu và xây dựng hệ

thống giám sát giao thông (như nhóm nghiên cứu ở trường ĐH GTVT, sử dụng xử lý

hình ảnh để giám sát phương tiện giao thông), tuy nhiên chúng vẫn chưa được triển

khai trong thực tế Vì vậy một thiết bị giám sát giao thông hoạt động ổn định có độ

chính xác cao, giá thành thấp có ý nghĩa quan trọng để xây dựng hệ thống mạng giám

sát giao thông trong thành phố hay trên các tuyến đường cao tốc ở vùng ngoại thành…

Trên thực tế có nhiều phương pháp để nhận biết phương tiện giao thông, sử

dụng nhiều loại cảm biến từ đơn giản đến tinh vi như: vòng từ, radar, cảm biến từ, phát

sóng siêu âm, camera… Những loại cảm biến này có những ưu điểm và nhược điểm

riêng Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp là cần thiết để xây dựng được thiết bị

mong muốn Trong khoá luận này, em sẽ tìm hiểu một số loại cảm biến thông thường

đã được sử dụng trong thực tế ở một số nước trên thế giới, trong các hệ thống giám sát

giao thông Cảm biến phù hợp nhất sẽ được lựa chọn để xây dựng thiết bị và thiết bị

phải được kiểm nghiệm trong thực tế đối với các yêu cầu đặt ra

Ch ương 1 M ột số loại cảm biến sử dụng để phát hiện phương tiện

giao thông

Một hệ thống quản lý giao thông, về cơ bản, có thể được chia ra làm ba khối

chức năng chính:

• Khối thu thập dữ liệu: Khối này có chức năng thu thập các dữ liệu mô

tả tình trạng các luồng giao thông trên các tuyến đường, truyền các

thông tin này tới các trạm thu nhận trong hệ thống

• Khối xử lý thông tin: Khối này sẽ thu thập các thông tin về tình trạng

giao thông, xử lý các thông tin đó, đưa ra các giải pháp để tối ưu hoá

quá trình giao thông

• Khối điều khiển giao thông: Dựa trên các thông tin thu nhận được và

đã được xử lý, hệ thống điều khiển đưa ra những quyết định như: phân

luồng giao thông, cảnh báo khả năng tắc ngẽn có thể xay ra, cảnh báo

các tai nạn…

Những thông tin cơ bản cung cấp cho hệ thống quản lý giao thông gồm có:

lưu lượng, tốc độ của các phương tiện, hiệu suất chiếm chỗ trên các tuyến đường, độ

dài hàng đợi khi xảy ra tắc ngẽn…

Lưu lượng (Volume): Lưu lượng giao thông được định nghĩa là số phương

tiện khảo sát hoặc tính toán được trên một đoạn đường giao thông trong một khoảng

thời gian Thông số này thường được sử dụng để đánh giá chất lượng hoạt động của

giao thông Thông số lưu lượng phương tiện giao thông được sử dụng để theo dõi hoạt động giao thông trong các thời điểm lịch sử và từ đó dự đoán các khả năng có thể xảy

ra tắc ngẽn giao thông trong tương lai trên các làn đường [8]

Tốc độ (Speed): Tốc độ của các phương tiện tham gia giao thông là thông số

quan trọng quyết định đến chất lượng hoạt động của giao thông Tốc độ thường được

sử dụng để mô tả hoạt động giao thông bởi nó đơn giản và dễ hiểu Đo tốc độ thường được thực hiện đối với từng loại phương tiện giao thông, và sau đó sẽ lấy trung bình

Tốc độ đo được có thể được so sánh với các giá trị tối ưu để đánh giá mức độ hoạt động của các tuyến đường, hoặc xác định các va chạm có thể xảy ra Ví dụ: các hệ

thống cảnh báo các va chạm có thể xảy ra khi tốc độ trung bình giảm xuống dưới tốc

độ yêu cầu, hoặc tốc độ của một phương tiện nào đó quá cao [8]

Hiệu suất chiếm chỗ (Occupancy): Được định nghĩa là tỉ lệ thời gian mà các

phương tiện có mặt trên một đoạn đường và nó thường được sử dụng thay thế cho

thông số mật độ phương tiện giao thông Hiệu suất chiếm chỗ trên từng đoạn đường được xác định bằng các bộ theo dõi và phát hiện phương tiện, và từ đó ta dễ dàng xác định được mật độ phương tiện giao thông Hiệu suất chiếm chỗ trên mỗi đoạn đường

có giá trị từ 0 (khi không có phương tiện nào đi qua đoạn đường này) đến 100 (khi mà

các phương tiện giao thông đỗ trên toàn đoạn đường đó) [8]

Các thông số lưu lượng, tốc độ, hiệu suất chiếm chỗ, là những thông tin

truyền thống được sử dụng trong các hệ thống giám sát giao thông Nhưng trong các

hệ thống giám sát và quản lý giao thông ngày nay còn sử dụng các thông tin khác như:

thời gian hoạt động của các phương tiện trên các làn đường, vị trí của các phương tiện

giao thông, vị trí các luồng giao thông, vị trí các phương tiện phục vụ cho các nhiệm

vụ khẩn cấp, độ dài hàng đợi phương tiện khi xảy ra tắc ngẽn, điều kiện mặt đường

giao thông (như: độ ẩm, nhiệt độ, băng tuyết…), điều kiện khí quyển…

Trong thực tế có nhiều loại cảm biến đã được nghiên cứu và ứng dụng để phát

hiện các phương tiện giao thông Ở đây chúng tôi chỉ đề cập ngắn gọn một số loại cảm

thông biến thương được sử dụng nhất

1.2.1 Vòng c ảm ứng từ

Vòng cảm ứng từ là loại cảm biến đơn giản dựa trên cơ sở định luật Faraday

Theo đó, một vòng dây đặt trong từ trường biến thiên, sẽ tạo ra điện áp tự cảm tỷ lệ

với độ biến thiên của từ trường xung quanh cuộn dây

dt

d t

e( )=− φ (1.1)

Cuộn cảm ứng từ tương đương với một mạch dao động LC Mạch dao động

này có điện áp lối ra phụ thuộc vào tần số dao động trong mạch Hình vẽ 1, mô tả

mạch dao động bao gồm một cuộn cảm L mắc nối tiếp điện trở R và tụ C [6]

Hình 1 Giá tr ị điện áp lối ra phụ thuộc vào tần số dao động của cuộn dây, và độ lớn

c ủa từ trường

Dự trên cơ sở này, người ta có thể xây dựng thiết bị phát hiện phương tiện

giao thông sử dụng vòng cảm ứng từ Thiết bị này sẽ cảm biến với sự xuất hiện của vật

thể kim loại Vòng cảm ứng sẽ thay đổi trở kháng khi có vật thể kim loại xuất hiện

xung quanh nó Thiết bị loại này thường gồm 4 phần (hình 2): một vòng dây (hoặc

nhiều vòng dây) được gắn dưới bề mặt đường, một cặp đầu dây nối từ vòng cảm ứng

từ đến thu nhận tín hiệu đặt ở bên cạnh đường, một đầu dây nối từ hộp thu nhận này

tới bộ điều khiển, và một khối điện tử đặt trong cabin điều khiển Khối điện tử điều

khiển bao gồm bộ dao động và khuếch đại để xử lý tín hiệu thu được từ vòng dây Khi

có phương tiện giao thông đi qua các vòng cảm ứng từ hoặc dừng trong các vòng này,

sẽ làm thay đổi trở kháng của vòng dây, do đó làm mất cân bằng mạch, kết quả là làm

thay đổi tần số dao động của mạch Sự thay đổi dao động sẽ được phát hiện bởi khối

mạch điện tử và do đó phương tiện giao thông được phát hiện

Hình 2 Mô t ả vòng cảm ứng được sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông

Kích thước, hình dạng và cấu hình của vòng dây phụ thuộc vào từng ứng

dụng cụ thể Bởi tính linh hoạt trong cấu hình vòng cảm ứng, nên nó có thể phù hợp để

phát hiện nhiều loại phương giao thông khác nhau

Các bộ phát hiện phương tiện giao thông sử dụng vòng cảm ứng từ có thể phát

hiện được sự xuất hiện của các phương tiện, đếm phương tiện, xác định hiệu suất

chiếm chỗ trên mỗi đoạn đường Với một vòng cảm ứng từ không thể xác định trực

tiếp tốc độ của các phương tiện Với cấu hình sử dụng hai vòng cảm ứng, và thuật toán

thích hợp ta sẽ xác định được thông số tốc độ của phương tiện Với các vòng cảm ứng

từ tốt và khối điện tử xử lý thích hợp, các thông tin thu được từ thiết bị này có thể

phân loại được các phương tiện giao thông

Hoạt động của các vòng cảm ứng từ là đơn giản và dễ hiểu, và cung cấp các

thông số cơ bản trong giao thông Giá thành khi chế tạo thiết bị sử dụng vòng cảm ứng

từ thấp hơn so với công nghệ cảm biến không phá huỷ mặt đường như: phương pháp

sủ dụng Camera, sử dụng radar…

Điều hạn chế đối với việc sử dụng vòng cảm ứng từ là phải phá huỷ đường

giao thông khi cài đặt và sửa chữa Ngoài ra các vòng cảm ứng từ chịu tác động của

nhiệt độ [7]

1.2.2 Radar

Radar (Radio Detection And Ranging) dùng sóng viba được đặt bên lề các

tuyến đường giao thông, với bước sóng sử dụng thường trong vùng tần số 10.525 GHz

(vùng tần số của tia X) Radar sẽ phát ra năng lượng trong một vùng trên đường, độ

rộng của vùng có thể điều khiển được, gọi là vùng quan sát Một phần năng lượng phát

ra sẽ bị phản xạ bởi các phương tiện giao thông đến cảm biến Tại đó cảm biến sẽ phát

hiện và chuyển đổi thành các thông tin về giao thông Có thể sử dụng một cảm biến

hoặc có thể kết nối nhiều cảm biến, đặt bên lề đường giao thông [7]

Hình 3 Radar nh ận tín hiệu phản xạ từ các phương tiện giao thông

Radar sử dụng trong các ứng dụng giao thông thường sử dụng hai loại sóng

Loại thứ nhất phát sóng liên tục (CW) có tần số không đổi theo thời gian Loại thứ hai

phát ra sóng đã được điều tần Radar phát ra sóng liên tục mà tần số không thay đổi

theo thời gian, theo nguyên lý Doppler, thì sự chuyển động của các phương tiện giao

thông trong vùng nhìn của Radar làm thay đổi tần số của tín hiện phát ra Tín hiệu

phản xạ lại khi gặp các phương tiện có tần số khác tần của tín hiệu phát ra Do đó nó

có thể phát hiện được khi có phương tiện giao thông di chuyển qua Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này không thể phát hiện được phương tiện khi chúng không

chuyển động [8]

Radar sử dụng sóng đã được điều tần phát ra sóng có tần số thay đổi tuần

hoàn theo thời gian Do đó nó thể phát hiện được các phương tiện khi chúng không

chuyển động

Hình 4 Tín hi ệu điều tần được phát ra và thu được về Radar

Bằng cách sử dụng Radar, thiết bị có thể cung cấp các thông tin như: lưu

lượng phương tiện giao thông, tốc độ của phương tiện, độ dài hàng đợi…nhưng không

thể phân loại được phương tiện Tuy nhiên sử dụng Radar là tốn kém, không phù hợp

với điều kiện kinh tế đất nước ta

1.2.3 Camera

Các camera vốn được sử dụng trong các hệ thống quản lý giao thông dựa trên

khả năng truyền hình ảnh tới hệ thống vô tuyến đến trung tâm điều hành Trong các ứng dụng quản lý giao thông ngày nay, các camera cung cấp hình ảnh được tự động

phân tích các tình huống giao thông và rút ra các thông tin phục vụ cho giám sát và điều khiển giao thông Các hệ thống xử lý hình ảnh video thường bao gồm một hoặc

nhiều camera, một bộ vi xử lý để số hoá và phân tích hình ảnh, và phần mềm phân tích

các hình ảnh thành các thông tin mong muốn [7]

Hệ thống xử lý hình ảnh sẽ phát hiện phương tiện giao thông bằng cách phân

tích hình ảnh thu được từ các camera, phân biệt sự thay đổi giữa các khung ảnh liên

tiếp Thuật toán xử lý hình ảnh khảo sát sự thay đổi các mức xám theo các nhóm điểm ảnh trong từng khung hình ảnh Các thuật toán này sẽ tách các mức xám trong hình ảnh gốc (background ) do các điều kiện thời tiết, thay đổi ánh sáng, sao cho vẫn giữ lại được hình ảnh các vật thể cần phát hiện Các thông tin khác (vận tốc, lưu lượng, phân

loại phương tiện…) đạt được thông qua phân tích các khung hình ảnh liên tiếp nhau

[8]

Các kỹ thuật xử lý hình ảnh liên tục cải tiến khả năng nhận biết các vật thể

trong bóng tối, hay thay đổi ánh sáng, phản chiếu ánh sáng, điền kiện thời tiết khắc

nghiệt Các hệ thống xử lý hình ảnh có nhiều camera có thể cung cấp các thông tin

trong vùng rộng lớn Tuy nhiên, khả năng thu nhận hình ảnh sẽ giảm sút trong các điều

kiện thời tiết khắc nghiệt, ánh sáng không tốt… hoặc khi xảy ra tắc nghẽn sẽ khó phân

biệt các phương tiện Chi phí để xây dựng hệ phát hiện theo phương pháp là rất cao

1.2.4 C ảm biến hồng ngoại

Các cảm biến hồng ngoại được sản xuất sử dụng trong các ứng dụng trong

giao thông, thường được gắn trên các thanh ngang qua làn đường giao thông Có hai

loại cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông là:

tích cực và thụ động

Thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực (Active Infared Sensor): Loại

này sẽ phát sóng xuống một vùng hẹp với năng lượng thấp được tạo ra bởi các Diode

Laser Các Diode Laser hoạt động trong dải bước sóng gần vùng hồng ngoại, xung

quanh bước sóng 0.85µm Năng lượng do các Diode Laser phát ra sẽ bị phản xạ lại khi

gặp các phương tiện giao thông (mà chúng không hấp thụ năng lượng này) Năng

lượng phản xạ này sẽ được hướng tới cảm biến hồng ngoại đặt trên mặt phẳng vuông

góc và đi qua tiêu điểm (tiêu diện) của hệ quang học thu năng lượng hồng ngoại này

Cảm biến Laser hồng ngoại tích cực có hai bộ quang học Bộ quang học phát chia lối

ra thành hai chùm tia, lệch nhau khoảng vài độ (Hình 5) Bộ phận quang học nhận có

vùng nhìn rộng hơn, vùng này có thể nhận năng lượng bị phân tán do gặp các phương

tiện giao thông Bằng cách phát ra một hay nhiều chùm tia, hệ thống này có thể xác định xác định thời gian phương tiện đi vào mỗi chùm tia [6]

Sử dụng các cảm biến hồng ngoại tích cực cho phép phát hiện phương tiện,

xác định lưu lượng, độ dài phương tiện, phân loại phương tiện

Hình 5 Diode Laser phát ra n ăng lượng hồng ngoại xuống làn đường giao thông

Thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động: là loại không phát ra năng

lượng, mà nó chỉ thu nhận năng lượng hướng tới nó Năng lượng hướng tới cảm biến

có thể được phát ra từ các phương tiện giao thông, từ bề mặt đường hay các vật thể

khác khi chúng nằm trong vùng nhìn (vùng cảm biến) của cảm biến Vì vậy sử dụng

loại cảm biến này có vùng nhìn rộng hơn

Các cảm biến hồng ngoại có thể được chế tạo để thu nhận năng lương tại bất

kỳ tần số nào Một số loại được chế tạo thu nhận ở bước sóng trong dải hồng ngoại từ

8 đến 14 µm, có thể làm giảm thiểu được hiệu ứng của phản chiếu ánh sáng mặt trời và

sự thay đổi cường độ sáng do sự chuyển động của mây Khi có phương tiện đi vào

vùng nhìn của cảm biến, làm thay đổi năng lượng mà cảm biến nhận được, do đó có

thể phát hiện được chúng Năng lượng thu nhận được khi có phương tiện giao thông đi

qua tỉ lệ với tích của hiệu các hệ số phát và độ chênh lệch nhiệt độ khi nhiệt độ của bề

mặt đường và phương tiện giao thông bằng nhau Hiệu hệ số phát là hiệu hệ số phát

của mặt đường và phương tiện giao thông Độ chênh lệch nhiệt độ là hiệu của nhiệt độ

tuyệt đối của mặt đường và nhiệt độ khí quyển bị phân tán [7] Khi thời tiết nhiều mây

hay ẩm ướt sẽ ảnh hưởng đến tín thu được

Hình 6 C ấu hình của bộ phát hiện sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động

Nếu sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại thụ động ta có thể xác định được các

thông tin như: tốc độ, độ dài các phương tiện, lưu lượng phương tiện…Thời gian trễ

giữa hai tín hiệu nhận được ở hai vùng, ta có thể xác định tốc độ của các phương tiện

giao thông khi đi qua vùng này

Ưu điểm của phương pháp này là khi cài đặt không cần phải phá huỷ đường

giao thông Sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực cần phải phát nhiều chùm tia để có

thể xác định vị trí, tốc độ, và phân loại Cảm biến hồng ngoại thụ động thì chỉ cần sử

dụng nhiều vùng cảm nhận Tuy nhiên phản chiếu của ánh sáng mặt trời có thể làm

xáo trộn tín hiệu nhận được Khí quyển và điều kiện thời tiết khắc nghiệt có thể làm

nhiễu loạn hoặc hấp thụ năng lượng hướng tới mặt phẳng tiêu diện của hệ quang học

1.2.5 C ảm biến từ

Cảm biến từ là loại thiết bị thụ động, biến đổi sự thay đổi của từ trường thành

các thông số mong muốn Cảm biến từ có thể được phân loại theo nhiều cách Xét theo

vùng từ trường làm việc, cảm biến từ được phân làm ba loại: cảm biến trong vùng từ

trường thấp, từ trường trung bình, và từ trường lớn Cảm biến trong vùng từ trường

thấp là loại cảm biến mà chỉ có thể phát hiện được từ trường nhỏ hơn 1microgauss

Các cảm biến phát hiện được từ trường trong vùng từ 1 microgauss đến 10 gauss, được

coi là cảm biến trong vùng từ trường trung bình Cảm biến phát hiện từ trường lớn hơn

10 gauss, là loại cảm biến từ trường lớn

Hình 7 Vùng làm vi ệc của một số loại cảm biến từ

Các phương tiện giao thông như ôtô, môtô đều chứa các thành phần làm từ vật

liệu sắt từ Do đó, phương tiện sẽ làm nhiễu loạn từ trường trái đất tại điểm chúng đi

qua Từ hình 7 ta thấy rằng cảm biến từ chế tạo từ vật liệu có hiêu ứng từ trở dị hướng

(Anisotropic Magnetoresistive Resistance - AMR) có dải làm việc phù hợp cho việc đo

từ trường trái đất Vì thế chúng có thể ứng dụng cho các thiết bị nhận biết phương tiện

giao thông Nghiên cứu của em sẽ tập trung vào việc xây dựng một thiết bị nhận biết

phương tiện giao thông dựa trên cảm biến từ trở dị hướng

Ch ương 2 C ảm biến từ trở dị hướng

Để hiểu về các cảm biến từ trở, trước hết chúng ta cần có một số khái niệm cơ

bản về vật liệu từ

Các vật liệu bị từ hoá nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vật liệu từ

(magnetic material) T ừ tính (magnetism) của các vật liệu từ khác nhau tuỳ thuộc vào

cấu trúc từ của chúng Ở đây, ta sẽ đề cập ngắn gọn đến một số đại lượng đặc trưng

cho các vật liệu từ

Moment từ của các vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích được gọi là độ

nhiễm từ M (intensity of magnetization ) hay độ từ hoá, hoặc từ độ (magnetization)

Đó là một vector hướng từ cực Nam (S) đến cực Bắc (N) của thanh nam châm Đơn vị

của I là Wbm/m3

= Wb/m2 (Tesla)

1Tesla = 4

10.4

1

π gauss = 800 gauss

Ngoài độ nhiễm từ I, ta còn sử dụng cảm ứng từ (magnetci induction) hay mật

độ từ thông (magnetic flux density) B:

H M

B= +µ0 (H ệ SI) (2.1)

Như vậy đơn vị của B cũng là Wb/m2

Song khi chuyển sang hệ CGS thì:

Đại lượng χ đựoc gọi là độ cảm từ (magnetic susceptibility) hay hệ số từ hoá

Đơn vị của χ là Henri/met (H/m), giống đơn vị của µ Độ cảm từ tương đối (không 0

Đại lượng µ được gọi là độ thẩm từ (magnetic permeability) Đơn vị của µ là

µ có giá trị như nhau trong hệ SI và hệ CGS [1]

Hiệu ứng từ trở là sự thay đổi giá trị điện trở của vật liệu do tác động của từ

trường ngoài Hiệu ứng từ trở có thể chia làm nhiều loại với bản chất khác nhau như:

-Từ trở đẳng hướng (Ordinary Magnetoresistance)

-Từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance)

-Từ trở khổng lồ (Giant magnetoresistance)

-Từ trở xuyên ngầm (Tunneling magnetoresistance)

…

Trong các loại từ trở này, từ trở dị hướng đã được ứng dụng sớm và rộng rãi

nhất Các hiệu ứng từ trở mới như GMR (Giant Magnetoresistance) và TMR

(Tunneling Magnetoresistance) cũng đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh Trong

phần này, chúng tôi tập trung giới thiệu về từ trở dị hướng AMR

Hiệu ứng từ trở dị hướng là hiệu ứng điện trở của vật liệu phụ thuộc vào

hướng tương đối giữa vector từ độ của vật liệu và dòng điện đi qua vật liệu Bản chất

vật lý của hiệu ứng từ trở dị hướng là do tương tác spin-quỹ đạo dẫn tới sự tán xạ phụ

thuộc spin của các điện tử dẫn

Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng

màng mỏng Trên màng sẽ có một hướng dễ từ hóa (easy axis) và một hướng khó từ

hóa trực giao với nó (hard axis) Hướng dễ từ hoá là hướng mà sự từ hoá đạt đến trạng

thái bão hoà dễ dàng nhất Hướng mà khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (chỉ bão hoà

ở từ trường cao) [1] Một thông số quan trọng cảm biến AMR là độ thay đổi điện trở

tương đối, ∆ρ ρ, là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở và điện trở của màng khi mà vector

từ hoá quay 900

so với trục dễ bởi tác động của từ trường ngoài (khi đó vector từ hóa

trùng với trục khó)

Hình 8 S ự thay đổi của điện trở do tác động của từ trường ngoài

Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật

liệu sắt từ là rất phức tạp Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector từ hoá trong

màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà M S, khi có sự tác động của từ trường ngoài

sẽ làm thay đổi hướng của vector này Thứ hai, ta xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh đơn giản, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vector từ độ (vector từ hoá), và

mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài tác động

Hình 9 T ừ trường tác động lên màng mỏng Permalloy

Điện trở R có thể xác định thông qua góc Θ , góc giữa vector cường độ dòng điện và vector từ độ:

Θ

∆+

=Θ

∆+

=

, 0 2

l

Trong phương trình trên: ρ0 ,n và ∆ là hằng số của vật liệu, l là độ dài, b là ρ

độ rộng và d là độ dày của băng trở (một màng mỏng vật liệu dị hướng từ) R0,nlà điện

trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ, và ∆ là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi R

sự tác động của từ trường ngoài [6]

Hình 10 Giá tr ị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hướng

c ủa vector từ hoá

Khi dòng điện chạy theo chiều x, ta thu được một điện áp U x :

Θρ

l I

Vector từ độ trong màng sẽ định theo hướng mà tổng năng lượng của nó là

nhỏ nhất Những năng lượng quan trọng nhất bao gồm: năng lượng do từ trường ngoài

tác động, năng lượng dị hướng của vật liệu (hay năng lượng dị hướng từ tinh thể), và

năng lượng khử từ (năng lượng hình dạng dị hướng)

Với tổng trường dị hướng H0 =2K/µ0M s(với K là hệ số dị hướng), góc giữa

vector M và trục dễ (theo hướng x) khi H x=0 là:

với Hy/H0 ngoài khoảng trên

Xác định góc giữa M và trục dễ và sự phụ thuộc của điện trở vào hướng của

vector M sẽ được kết hợp để xây dựng cảm biến [4]

R R

R0 ,p = 0 ,n −∆

22

, 0 , 0 ,

0 0

n p n

R R R R

=+

R 0 là giá trị trở trung bình

Như vậy ta có:

) ( sin )

Khi từ trường ngoài rất lớn, làm quay hẳn vector M sang hướng trục khó, khi

đó đạt tới trạng thái bão hoà:

2 0 ,

)(

H

H R R

Như vậy điện trở phụ thuộc không tuyến tính vào từ trường ngoài Hơn nữa,

độ cảm biến dR dH y là rất nhỏ, xấp xỉ bằng không (và bằng không khi mà H y=0)

Hình 11 S ự phụ thuộc của điện trở vào từ trường ngoài tác dụng

Để làm giảm bớt những nhược điểm của hiệu ứng này, trong thực tế người ta đưa ra cấu trúc barber pole khi chế tạo cảm biến Cấu trúc barber pole bao gồm một số

băng trở làm bằng các vật liệu dẫn điện tốt, được sắp xếp sao cho dòng điện chạy qua

từng băng hợp với trục x (hướng dòng điện) một góc 450

Θ = − (2.14)

điều này dẫn đến kết quả:

0 0

) (

=

H

H H

H R R H

Như vậy, cảm biến AMR với cấu trúc barber pole sẽ làm giảm tính phi tuyến

khi H y <H 0 /2, độ phi tuyến sẽ không quá 5% Đặc tính này chỉ đúng nếu vector từ độ

ban đầu nằm theo hướng x, khi không có tác động của từ trường ngoài Điện trở sẽ

thay đổi dấu nếu vector từ độ ban đầu lật theo hướng âm của trục x

Để có thể xác định sự thay đổi điện trở sang thành thông tin về điện áp mà

không có thành phần một chiều DC, cảm biến được thiết kế như là một mạch cầu

Wheatstone với 4 thành phần trở riêng biệt với cấu trúc barber pole theo các góc 450

và 1350 cho các điện trở chéo nhau (hình 12) Nhờ đó, có thể tạo ra điện trở thay đổi

R

∆ âm và dương trong vùng tuyến tính Cấu trúc này cũng có thể bù trừ sai số do sự

phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

Hình 12 C ấu trúc mạch cầu Wheatstone khi chế tạo cảm biến từ trở dị hướng

Điện áp lối ra của mạch cầu Wheatstone thu được:

2

0 0

H R

R U

B A

Độ cảm nhận của cảm biến:

0 0 0

1

H R

R

S = ∆

(2.17)

Như vậy ta thấy, độ cảm nhận S 0 sẽ tăng khi sử dụng vật liệu làm có hiệu ứng

AMR cao và với trường H 0 thấp Vùng tuyến tính của cảm biến với sai số không quá

5% trong dải –H 0 /2 đến H 0 /2 [4]

Các cảm biến AMR có đặc tính là nhạy với sự thay đổi ở từ trường thấp và

tiêu thụ năng lượng thấp Khả năng thay đổi điện trở lớn nhất của hiệu ứng này có thể

lên tới 3-4% Các cảm biến loại này có thể được tạo ra với số lượng lớn và giá rẻ Các

cảm biến từ trở ngày nay được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng trong đời sống như:

đo từ trường trái đất, làm la bàn, cảm biến vị trí hoặc cho xác định từ trường sinh học

Ch ương 3 Ứng dụng cảm biến từ trở dị hướng để nhận biết

Trong các phương tiện giao thông như ôtô, tàu hoả…có chứa các thành phần được chế tạo từ vật liệu sắt từ Các vật liệu này sẽ tác động lên từ trường trái đất, làm

thay đổi đường sức từ tại nơi mà chúng xuất hiện Ta biết rằng đường sức từ do trái đất

sinh ra, là các đường cong kín mà nó đi ra từ bắc cực và vào cực nam Do diện tích bề

mặt trái đất là rất lớn, nên ta có thể coi từ trường trái đất trên một vùng diện tích rộng

là từ trường đều Cảm biến từ trở AMR được tối ưu hoá để phát hiện sự thay đổi từ

trường trong vùng từ trường trái đất Do đó, các cảm biến này có thể phát hiện được sự

thay đổi từ trường do các phương tiện như ô tô, tàu hoả, môtô… gây ra

Trong ôtô có các thành phần được làm từ các vật liệu sắt từ như: vỏ, vành xe,

trục động cơ…Các thành phần này có thể coi như là tổ hợp của các lưỡng cực từ, các

lưỡng cực từ này sẽ làm nhiễu loạn từ trường trái đất xung quanh chúng

Hình 13 Xe ô tô làm nhi ễu loạn đường sức từ trường của trái đất

3.1.1 S ơ đồ khối và chức năng

Trong ứng dụng này, chúng tôi xây dựng khối thiết bị phát hiện xe ô tô

chuyển động qua và thực hiện đếm số xe qua vị trí này trong khoảng thời gian định

trước Hình vẽ 15 mô tả sơ đồ khối thiết bị phát hiện phương tiện giao thông sử dụng

cảm biến từ trở dị hướng Tín hiệu thu được từ cảm biến là điện áp Khi từ trường

xung quanh cảm biến không thay đổi, điện áp lối ra là không đổi (background) Điện

áp lối ra từ cảm biến sẽ thay đổi khi từ trường xung quanh thay đổi Tín hiệu điện áp

này được đưa đến bộ khuếch đại nhằm khuếch đại và dịch mức tín hiệu Sau khi qua

khối khuếch đại, tín hiệu được đưa tới vi điều khiển AT90S8535 Trong vi điều khiển

loại này có khối chức năng biến đổi ADC và khối truyền thông nối tiếp UART Khối

biến đổi tương tự số ADC sẽ chuyển đổi tín hiệu điện áp tới lối vào thành các giá trị số

dạng BCD Các giá trị số đó sau khi qua tiền xử lý, sẽ được gửi về máy tính nhờ khối

chức năng truyền thông nối tiếp Trên máy tính PC, có một phần mếm thu nhận dữ liệu

gửi về, và thực hiện xử lý dữ liệu này để vẽ lên màn hình PC dạng tín hiệu thu được và

xác định lưu lượng ô tô di chuyển qua khối thiết bị

Hình 14 S ơ đồ khối mô tả ứng dụng

Trong thực tế, độ nhạy của cảm biến sẽ bị giảm sau khi được đặt trong từ

trường lớn Vì vậy cần phải thiết lập lại trạng thái ban đầu cho cảm biến, để khôi phục

độ nhạy Mạch tạo xung Set/Reset sẽ thực hiện chức năng này

3.1.1.1 C ảm biến từ trở HMC 1052

HMC 1052 là loại cảm biến từ trở dị hướng có hai trục cảm biến X và Y

(nhạy với sự thay đổi từ trường theo hai hướng đó) Cảm biến này được chế tạo theo

công nghệ màng mỏng, với hợp chất Permalloy (80 % Ni và 20 % Fe), các băng trở được tạo ra trên các màng silicon Trong khi chế tạo, các băng trở được đặt trong điều

kiện từ trường mạnh để tạo ra một hướng ưu tiên cho vector từ hoá M (tạo trục dễ cho

cảm biến) Vector từ hoá M sẽ được thiết lập song song với chiều dài của băng trở, và

có thể đặt hoặc theo hướng trái hoặc theo hướng phải Các băng trở được sắp xếp chéo

nhau trên màng mỏng Silicon (theo cấu trúc barber pole), và được nối tiếp nhau bởi

các chất dẫn điện tốt (như Au), để tạo thành một điện trở Hình 16 minh hoạ băng trở

được chế tạo theo cấu trúc xếp chéo nhau (barber pole) để tối ưu hoá độ nhạy của hiệu

ứng từ trở Cảm biến HMC1052 được chế tạo theo cấu hình mạch cầu Wheatstone

Mạch cầu bao gồm 4 trở thành phần, các trở được chế tạo từ vật liệu Permalloy Bất cứ

một sự thay đổi từ trường nào xung quanh cảm biến, làm cho độ lớn của các trở thành

phần thay đổi, do đó làm cầu mất cân bằng, và điện áp lối ra của mạch cầu thay đổi

Mỗi cầu trở sẽ được định sao cho nó nhạy cảm với độ thay đổi từ trường theo một

hướng nhất định

Hình 15 Vector t ừ hoá ban đầu được xác lập theo một hướng ưu tiên (easy axis)

Trong HMC 1052 có hai mạch cầu Wheatstone, được định sao cho mỗi cầu sẽ

nhạy với một trục (X và Y trong hệ không gian Decac) (Hình 17)

Hình 16 C ấu trúc và đường đặc trưng của cảm biến từ trở HMC1052