Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại

Chiếc máy dò kim loại đầu tiên trên thế giới được chế tạo bởi nhà khoa học Gerhard Fischer, người Mỹ gốc Thụy Điển, đã được cấp bằng sáng chế năm 1937. Kể từ khi ra đời, chiếc máy dò kim loại, hoạt động dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, đã được sử dụng nhiều trong quân đội, đáp ứng nhu cầu dò mìn và vũ khí trong chiến tranh thế giới thứ II. Cho đến nay, máy dò kim loại đã có ứng dụng rộng rãi, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như các lĩnh vực an ninh, khảo cổ, xây dựng… Dù đã đem lại nhiều lợi ích đáp ứng nhu cầu của đời sống, song với hoạt động theo nguyên lí cảm ứng điện từ, chiếc máy còn nhiều nhược điểm như độ nhạy thấp, cấu trúc phức tạp và tiêu tốn nhiều điện năng. Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cùng với sự phát triển lớn mạnh của công nghệ vi điện tử, các nhà sản xuất đã đưa ra một công nghệ dò tìm kim loại mới: sử dụng cảm biến từ trường, tích hợp với vi điều khiển tạo ra những chiếc máy dò kim loại hiện đại được vi tính hoá. Công nghệ microchip cho phép người sử dụng có thể tự ý thiết lập độ nhạy, loại kim loại cần dò, tốc độ dò, mức ngưỡng…v.v và lưu giữ lại các thông số đo được. So với các máy dò kim loại theo nguyên lí cũ, những chiếc máy công nghệ mới này có khối lượng nhẹ hơn, khả năng tìm kiếm sâu hơn, tiêu tốn ít năng lượng, và đặc biệt là khả năng phân biệt loại kim loại, xác định đúng loại kim loại cần tìm. Một trong những nhà sản xuất đi đầu trong lĩnh vực này là Honeywell với công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR sensor, tạo ra những cảm biến có độ chính xác và độ nhạy cao dùng trong các máy dò kim loại sắt từ. Với những tính năng ưu việt do công nghệ mới đem lại, các máy dò kim loại mới này đang dần thay thế các máy dò kiểu cũ. Vừa qua hãng điện tử Phillips đã đăng kí sản phẩm điện thoại di động tích hợp cảm biến từ độ nhạy cao của Honeywell, có ứng dụng dò tìm kim loại để tung ra thị trường trong thời gian tới. Với sự quan tâm và hứng thú tìm hiểu công nghệ mới, trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nghiên cứu, tìm hiểu về cảm biến từ trở không đẳng hướng của Honeywell, và ứng dụng thiết kế, chế tạo một máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến này. Với đề tài “Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại”, báo cáo của em gồm những phần chính sau: - Phần 1: Trình bày các kiến thức tổng quan về cảm biến từ trường, công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng, cảm biến HMC1053 và HMC2003 của Honeywell. - Phần 2: Trình bày ý tưởng thiết kế và thiết kế cụ thể máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến HMC1053, HMC2003, lập trình phần mềm trên vi điều khiển PSoC và lập trình giao diện trên máy tính bằng phần mềm Visual Basic. - Phần 3: Phụ lục. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn và kinh nghiệm làm thực tế còn yếu, đề tài hoàn thành chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để mình có thể hiểu sâu vấn đề hơn và để có thể phát triển đề tài trở nên hoàn thiện hơn.

Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kĩ Thuật Đo và Tin Học Công Nghiệp đã tận tâm nhiệt tình dạy dỗ chúng em trong suốt những năm học vừa qua. Nếu không có những kiến thức rất bổ ích mà em đã tiếp thu được của các thầy cô thì em sẽ không thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này. Em xin cảm ơn Phòng Công nghệ Tự Động Hoá - Viện Công Nghệ Thông Tin - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện học tập và làm việc tốt cho em trong thời gian thực tập và làm đồ án. Em xin cảm ơn GS.TSKH. Phạm Thượng Cát và TS. Phạm Minh Tuấn và các bác, các anh chị trong phòng Công nghệ Tự Động Hoá đã giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đồ án tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và đặc biệt là trong thời kỳ làm đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Quốc Cường - người đã tận tâm hướng dẫn em và cho em nhiều lời khuyên quí báu trong quá trình thực hiện đồ án này. Hà Nội tháng 5 năm 2007 Sinh viên Nguyễn Thùy Giang 1 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 LỜI MỞ ĐẦU Chiếc máy dò kim loại đầu tiên trên thế giới được chế tạo bởi nhà khoa học Gerhard Fischer, người Mỹ gốc Thụy Điển, đã được cấp bằng sáng chế năm 1937. Kể từ khi ra đời, chiếc máy dò kim loại, hoạt động dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, đã được sử dụng nhiều trong quân đội, đáp ứng nhu cầu dò mìn và vũ khí trong chiến tranh thế giới thứ II. Cho đến nay, máy dò kim loại đã có ứng dụng rộng rãi, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như các lĩnh vực an ninh, khảo cổ, xây dựng… Dù đã đem lại nhiều lợi ích đáp ứng nhu cầu của đời sống, song với hoạt động theo nguyên lí cảm ứng điện từ, chiếc máy còn nhiều nhược điểm như độ nhạy thấp, cấu trúc phức tạp và tiêu tốn nhiều điện năng. Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cùng với sự phát triển lớn mạnh của công nghệ vi điện tử, các nhà sản xuất đã đưa ra một công nghệ dò tìm kim loại mới: sử dụng cảm biến từ trường, tích hợp với vi điều khiển tạo ra những chiếc máy dò kim loại hiện đại được vi tính hoá. Công nghệ microchip cho phép người sử dụng có thể tự ý thiết lập độ nhạy, loại kim loại cần dò, tốc độ dò, mức ngưỡng…v.v và lưu giữ lại các thông số đo được. So với các máy dò kim loại theo nguyên lí cũ, những chiếc máy công nghệ mới này có khối lượng nhẹ hơn, khả năng tìm kiếm sâu hơn, tiêu tốn ít năng lượng, và đặc biệt là khả năng phân biệt loại kim loại, xác định đúng loại kim loại cần tìm. Một trong những nhà sản xuất đi đầu trong lĩnh vực này là Honeywell với công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR sensor, tạo ra những cảm biến có độ chính xác và độ nhạy cao dùng trong các máy dò kim loại sắt từ. Với những tính năng ưu việt do công nghệ mới đem lại, các máy dò kim loại mới này đang dần thay thế các máy dò kiểu cũ. Vừa qua hãng điện tử Phillips đã đăng kí sản phẩm điện thoại di động tích hợp cảm biến từ độ nhạy cao của Honeywell, có ứng dụng dò tìm kim loại để tung ra thị trường trong thời gian tới. 2 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Với sự quan tâm và hứng thú tìm hiểu công nghệ mới, trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nghiên cứu, tìm hiểu về cảm biến từ trở không đẳng hướng của Honeywell, và ứng dụng thiết kế, chế tạo một máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến này. Với đề tài “Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại”, báo cáo của em gồm những phần chính sau: - Phần 1: Trình bày các kiến thức tổng quan về cảm biến từ trường, công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng, cảm biến HMC1053 và HMC2003 của Honeywell. - Phần 2: Trình bày ý tưởng thiết kế và thiết kế cụ thể máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến HMC1053, HMC2003, lập trình phần mềm trên vi điều khiển PSoC và lập trình giao diện trên máy tính bằng phần mềm Visual Basic. - Phần 3: Phụ lục. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn và kinh nghiệm làm thực tế còn yếu, đề tài hoàn thành chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để mình có thể hiểu sâu vấn đề hơn và để có thể phát triển đề tài trở nên hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Quốc Cường đã hướng dẫn em thực hiện đề tài này. Em xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn đã dạy em những kiến thức trong những năm qua, tạo điều kiện tốt cho em thực hiện đề tài này. Hà Nội, tháng 5 năm 2007 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thùy Giang 3 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG HMC1053 I.CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG Từ xa xưa, các dụng cụ phát hiện được từ trường trái đất như la bàn đã giúp cho người thám hiểm định hướng trên biển hay trong rừng rậm bằng cách xác định các cực từ trái đất. Ngày nay, việc nhận biết và đo đạc từ trường đã phát triển mạnh do nền công nghiệp hiện đại yêu cầu nhiều loại cảm biến từ trường khác nhau để nhận biết sự xuất hiện, cường độ hay hướng của các từ trường không chỉ của trái đất mà còn từ trường tạo bởi nam châm vĩnh cửu, nam châm từ hóa, từ trường nhiễu do xe cộ tạo ra và các từ trường tạo bởi dòng điện. Các cảm biến từ trường có thể xác định các đặc tính này mà không cần có một tiếp xúc vật lí nào. Chúng đã trở thành mắt nhìn của nhiều hệ thống điều khiển công nghiệp. 1. Cảm biến từ trường Các cảm biến từ trường đã được sử dụng từ hơn 2000 năm với những ứng dụng ban đầu để xác định hướng và trong lĩnh vực hàng hải. Ngày nay, cảm biến từ trường vẫn là một trong những dụng cụ cơ bản trong ngành hàng hải nhưng bên cạnh đó còn rất nhiều ứng dụng khác nữa. Công nghệ cảm biến từ trường cũng đã phát triển theo yêu cầu ngày càng cao về độ nhạy, kích cỡ nhỏ, và độ tương thích với các hệ thống điện tử. Từ đó xuất hiện một mạch điện tích hợp dựa trên cảm biến từ trường, đo từ trường trong phạm vi dải từ trường trái đất: cảm biến từ trở không đẳng hướng (AMR sensor). Các cảm biến này có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Một vấn đề phổ biến khi sử dụng cảm biến từ trường, đó là từ trường không phải đại lượng chính cần đo. Thông số cần đo thường là tốc độ bánh xe, sự xuất hiện của mực từ, phát hiện xe cộ, hay định hướng. Những thông số này không thể đo trực tiếp, nhưng có thể suy được từ những thay đổi hay nhiễu trong từ trường. Các cảm biến thông thường như cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, sức căng, hay các cảm biến quanh đều có thể chuyển trực tiếp thông số cần đo về một giá trị đầu ra tỉ lệ điện áp hay dòng điện. Nhưng mặt khác, việc sử dụng cảm biến từ để định hướng, nhận biết sự xuất hiện, chiều quay, góc quay hay dòng điện đều chỉ có thể được xác định gián tiếp thông qua giá trị từ trường. Trước tiên, các giá trị đầu vào này phải tạo ra được, hay làm thay đổi một từ trường. Một dòng điện trong cuộn dây, một bánh răng quay qua một nam châm vĩnh cửu, hay một vật thể có chứa sắt di chuyển trong từ trường trái đất có thể tạo ra biến đổi từ trường này. Khi sensor từ trường phát hiện ra sự thay đổi đó, tín hiệu đầu ra đòi hỏi cần được xử lí để giải mã tín hiệu từ cảm biến thành giá trị của đại lượng mong muốn. Điều này làm cho việc sử dụng cảm biến từ trường có phức tạp hơn so với cảm biến nhiệt độ, áp suất… Nhưng xác định được biến đổi từ trường có thể đem lại khả năng cảm nhận và đo đạc chính xác, tin cậy các đại lượng phức tạp. 4 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Cảm biến đo các đại lượng thông thường và cảm biến từ 2. Phân loại cảm biến từ trường Một cách để phân loại cảm biến từ trường là phân theo cường độ từ trường đo được. Theo cách này ta chia cảm biến từ trường thành 3 loại: - Cảm biến từ trường cường độ thấp: < 1 µGauss - Cảm biến từ trường cường độ trung bình: từ 1 µGauss đến 10 Gauss: sensor từ trường trái đất - Cảm biến từ trường cường độ cao: > 10 Gauss Bảng sau liệt kê một số công nghệ sensor và dải đo của chúng 5 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Ứng dụng mạch điện dò kim loại sử dụng các cảm biến từ trường không đẳng hướng (AMR sensor), làm việc trong phạm vi giá trị từ trường trái đất. Các sensor AMR có thể phát hiện cả hướng và độ lớn của từ trường, dùng trong các ứng dụng phát hiện vật thể bằng sắt. 3. Cảm biến từ trở không đẳng hướng (Sensor AMR) Sensor AMR (cảm biến từ trở không đẳng hướng) là cảm biến thích hợp với dải đo từ trường trái đất. Sensor AMR có thể nhận biết các từ trường tĩnh một chiều, đo được cường độ và hướng của từ trường. Sensor này là một sợi mỏng làm bằng hợp kim Ni-Fe đặt trong một vỏ silicon như một dây điện trở, gọi là film Permalloy. Cấu trúc vật liệu chế tạo của film Permalloy làm giá trị trở kháng của nó thay đổi 2-3% khi xuất hiện từ trường. Thông thường, 4 dây từ trở này được nối với nhau theo dạng mạch cầu Wheatstone, nhờ vậy có thể đo cả hướng và độ lớn của 1 từ trường theo 1 trục nhất định. Điện trở thông thường của cầu là vào khoảng 1 kΩ. Với các sensor AMR thông thường, dải thông vào khoảng 1-5MHz. Giá trị của cảm biến từ trở biến đổi rất nhanh khi từ trường thay đổi và không bị giới hạn bởi cuộn dây hay tần số dao động. Ưu điểm của sensor AMR là có thể gắn vào các mạch tích hợp thương mại, điều này cho phép sensor AMR có thể tự kết hợp với các mạch và linh kiện hệ thống khác. Mạch cầu cảm biến AMR Đặc tính của sensor AMR Các film Permalloy đặt vào các cầu trở khác nhau, đưa ra các đầu ra có giá trị dễ đoán trước khi đặt trong từ trường. Ưu điểm của sensor AMR là chi phí thấp, độ nhạy cao, kích thước nhỏ, khả năng chống nhiễu tốt, và độ tin cậy cao, dễ lắp ráp. Đặc tính của film Permalloy là giá trị điện trở của nó thay đổi ΔR khi từ trường xung quanh biến đổi , từ đó mà có khái niệm từ trở. Việc thay đổi giá trị từ trở này gây ra một sự biến đổi tương ứng điện áp đầu ra. 6 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Độ nhạy của cầu thường được biểu diễn cỡ mV/V/Oe. V là kí hiệu của điện áp vào cầu Vbridge = Vb. Nếu độ nhạy là 3mV/V/Oe và Vb=5V thì giá trị áp ra sẽ là 15mV/Oe. Bằng cách chọn bộ khuyếch đại cầu phù hợp, ta có thể thu được mức điện áp ra là 1 microVolt. Điều này dẫn đến độ phân giải từ 67microOersted, hay 1/15000 Oersted. Nếu hệ số khuyếch đại điện áp cầu ra là 67 thì độ nhạy đầu ra tổng sẽ là 1V/gauss. (=67 x 15 mV/gauss). Nếu dải đo là ±2 Gauss, thì đầu ra biến thiên trong khoảng từ 0,5V đến 4,5V. Mức tín hiệu này thích hợp với hầu hết các bộ chuyển đổi ADC. Sử dụng một sensor AMR và một bộ khuyếch đại, có thể nhận biết được chính xác hướng và độ lớn của từ trường. Có những kĩ thuật thiết kế cụ thể để tạo ra các hệ thống phụ sensor từ trường nhạy. Bằng cách đơn giản đổi đặc tính của film Permalloy, điện áp offset của sensor cũng như độ trôi nhiệt của sensor và khuyếch đại có thể loại bỏ. Các dây offset on-chip có thể dùng để tự động căn chỉnh sensor AMR trong các ứng dụng cụ thể, khi hoạt động bình thường. Biến đổi khuyếch đại đầu ra do nhiệt có thể giảm đáng kể bằng cách sử dụng một kĩ thuật hồi tiếp vòng kín, nhờ vậy sensor hoạt động trong môi trường từ ban đầu bằng 0. 4. Cảm biến đo từ trường HMC1053 (Honeywell) HMC1053 là bộ cảm biến đo vectơ từ trường trên 3 trục X, Y, Z dùng để đo các từ trường có cường độ nhỏ (gấp 2 đến 3 lần từ trường trái đất). HMC1053 sử dụng công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR của Honeywell có độ nhạy và độ chính xác cao, cung cấp những ưu điểm vượt trội so với các cảm biến từ theo công nghệ cảm ứng qua vòng dây cổ điển. HMC1053 là các cảm biến từ trạng thái tĩnh, độ nhạy cao chuyên dùng để đo hướng và độ lớn của từ trường trái đất, có giá trị cường độ trong khoảng từ 120 µGauss đến 6 Gauss.Các cảm biến từ 7 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 trường của Honeywell là một trong những cảm biến có độ nhạy và độ tin cậy cao nhất trong công nghiệp, với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như la bàn, từ kế, phát hiện kim loại và cảm biến dòng… Mặt dưới cảm biến HMC1053 Đặc điểm - Kích thước nhỏ thích hợp cho các ứng dụng cầm tay, cỡ nhỏ - Khả năng đo chính xác 3 trục vectơ từ trường (x,y,z) - Điện áp hoạt động thấp (min 1.8V) - Thích hợp cho các ứng dụng dùng pin - Giá thành rẻ, chi phí thấp - Mạch cầu Wheatstone 4 dây từ trở - Độ nhiễu thấp - Dải đo từ trường rộng (+/- 6 Oe) - Có thể dùng trong các môi trường từ mạnh - Các dây Set/Reset và Offset linh hoạt, tiện lợi 8 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 9 Ngiên cứu và chế tạo máy dò kim loại Nguyễn Thùy Giang DL1 – K47 Sơ đồ chân HMC1053 HMC1053 tích hợp cảm biến từ trở là các thiết bị cầu Wheatstone, dùng để đo các từ trường có cường độ thấp. Cấp điện áp cho mạch cầu, cảm biến chuyển đổi các giá trị từ trường thành độ chênh các giá trị điện áp ra. Tích hợp cùng cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone là 2 cặp dây có từ tính: cặp dây offset và cặp dây set/reset. Các cặp dây này được Honeywell thiết kế để điều chỉnh các từ trường nhiễu ngẫu nhiên và thay thế cho cho các cuộn trường bên ngoài và cung cấp các chế độ hoạt động khác nhau. Honeywell tạo ra các dây offset tích hợp (Xoff+ và Xoff-…) có thể dùng để đưa các từ trường cục bộ vào cầu để xử lí hay chỉnh một trường ứng dụng nào đó. Kĩ thuật này có thể dùng để huỷ bỏ các từ trường không mong muốn xung quanh. Dây offset về danh nghĩa là cung cấp từ trường 1 Gauss dọc theo trục nhạy với 48mA của dòng offset qua mỗi dây. Dây offset điều chỉnh các chế độ hoạt động khi có dòng trực tiếp đi qua. Các chế độ đó là: 1) loại trừ các từ trường nhiễu bên ngoài 2) bỏ điện áp offset của cầu 3) bỏ từ trường mạch kín 4) tự động căn chỉnh cầu. 10