Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO THIÉT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG NHỎ Mã số: QGTĐ.10.27 Chủ trì đề tài: PGS TS Phạm Quốc Triệu Hà N ộ i- 2 BÁO CÁO TÓ M TẮT Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát thăng giảng từ trường nhỏ Mã số: QGTĐ.10.27 Chù trì đề tài: PGS TS Phạm Quốc Triệu Các thành viên tham gia: ThS Nguyễn Thế Nghĩa T hs Nguyễn Thị Mỹ Đức ThS Nguyễn Tuấn Hưng ThS Đỗ Duy Tùng HVCH Nguyễn Trọng Luân HVCH Nguyễn Thu Phương Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo thiết bị nhậy với thăng giáng từ trường nhỏ cùa môi trường Chủ động thiết kế công nghệ chế tạo thiết bị Cụ thể: - Chế tạo sensor nhậy từ trường nhỏ theo nguyên lý íluxgate - Thiết kế, lắp ráp hệ thống mạch điện tử xử lý tín hiệu - Ghép nối hệ đo với máy tính để thu số liệu tự động - Đo đạc, hiệu chinh, thử nghiệm thiết bị Nội dung nghiên cứu a) Chế tạo sensor (đầu dò) Trong nội dung này, nghiên cứu hướng tới chế tạo sensor nhậy từ trường nhỏ theo nguyên lý Auxgate Cụ thể: - Mô nguyên lý hoạt động cùa sensor - Chọn vật liệu thông sổ kỹ thuật - Khảo sát hiệu ứng chuyển đổi b)Chế tạo khối analog - Thiết kế mạch điện tử chức - Thiết kế khí lắp đặt khối điện tử thiết bị đo - Kiểm tra chức hoạt động c) Lắp ráp khối digital ghép nối - Chọn IC chức - Thiết kế m ạch phối họp đầu vào ADC - Phần mềm điều khiển thu nhận số liệu d) Hiệu chỉnh, đo đạc thử nghiệm - Khảo sát, đo đạc thử nghiệm với tín hiệu mơ phòng PTN - Hiệu chinh, chuẩn chinh hệ thống - Đánh giá bước đầu khà làm việc thiết bị Các kết đạt a) Bài báo, báo cáo khoa học: 04 + Phạm Quốc Triệu, Đỗ Gia Tùng, Nghiên cứu cài thiện tỳ sổ S/N cùa thiết bị phát thăng giáng từ trường nhò, Hội nghị SPM S-2011, TPH C M 11/2011 + Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung, Manufacture the device fo r detectỉng small magnetic fieldfluctuation, Institute o f Electronics, Infomation and Com m unication Engineer IEICEDV 8-2011 4- Phạm Quốc Triệu, Đỗ Gia Tùng, Kháo sát độ nhậy sensor fluxgate , gửi đăng + Pham Quoc Trieu, Fluxgate sensor and application , subm it to publish b) Đào tạo: 03 Thạc sĩ • Học viên: Đỗ Gia Tùng - Tên Luận văn: Chuyển đồi tín hiệu vật lý ứng dụng sensor - Năm bảo vệ: 2011 • Học viên: Nguyễn Trọng Luân - Tên Luận văn: Thiết bị phát thăng giáng từ trường nhò -S ẽ bảo vệ: 12-2012 • Học viên: Nguyễn Thu Phương - Tên Luận văn: Nguyên lý ứng dụng m ột số loại sensor - S ẽ bào vệ: 12-2012 c) Bài giảng: Một số nội dung nghiên cứu đề tài sử dụng vào biên soạn giảng cho sinh viên năm thứ ba thứ tư Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN: + Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm vật lý + Phạm Quốc Triệu, Cảm biến ibig dụng + Pham Quoc Trieu, Sensor Development and application d) Thiết bị: Thiết bị phát thăng giáng từ trường nhò QGTD 10.27 (đã đãng ký cấp Giải pháp hữu ích Cục Sở hữu trí tuệ, tham định) Tình hình kinh phí Tổng kinh phí cấp: 300.000.000 đ (ba trăm triệu đồng) Kinh phí cho năm 2010-2011:150.000.000 đ Kinh phí cho năm 2011-2012: 150.000.000 đ Đã tốn xong kinh p h í cùa năm 2010-2011 Thanh tốn nốt kinh p h í năm 2011-2012 tháng 11-12/2012 Xác nhận BCN Khoa Vật lý Xác nhận Trường ĐHKHTN Chủ trì đề tài B R IE F R E P O R T Title: INVESTIGATION TO MANUFACTURE THE DEVICE FOR DISCOVERING THE FLUXATION OF SMALL MAGNETIC FIELD Code: QGTD.10.27 Coordinator: Assoc Prof Dr Pham Quoc Trieu Key implementors: MSc Nguyen The Nghia MSc Nguyen Thi My Due MSc Nguyen Tuan Hung MSc Do Duy Tung Nguyen Trong Luan Nguyen Thu Phuong Purpose and content of the Researching 1.1- Purpose: Manufacturing equipment sensitive to small magnetic field fluctuations of the environment Offer design and manufacturing technology Specifically: - Make small magnetic sensor sensitivity using fluxgate principle - Design and assembly of electronic circuit signal processing - Connect the signal to a computer for automatic data collection - Measuring, editing, testing equipment 1.2- Content: a) Sensor Fabrication: - Simulation o f the principle o f operation o f the sensor - Select materials and specifications - Investigation o f transition effects b) Production o f analog block: - Design o f electronic circuits - Mechanical Design - Check the functioning c) Installation o f the digital block: - Select IC function - ADC input circuit design - Software control and data acquisition - ADC input circuit design - Software control and data acquisition d) Correction, test measurement: - Survey and experimental measurements with signals simulated in the laboratory - Adjust, standard - Evaluation o f the applicability of the device Results a) Sientific article + Pham Quoc Trieu, Do Gia Tung, Research to improve the SNR o f the device fo r detecting sm all magnetic field, SPMS-2011 Conference, HCM City 11/2011 + Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung, Manufacture the device fo r detecting sm all magnetic fie ld fluctuation, Institute of Electronics, Infomation and Communication Engineer IE1CEDV 8-2011 + Pham Quoc Trieu, Do Gia Tung, Examine the sensitivity o f the fluxgate sensor, submit to publish + Pham Quoc Trieu, Fluxgate sensor and application , submit to publish b) Training: 03 MSc + Name o f Master Student: Do Gia Tung Title of Thesis: Convert the physical signals and sensor applications Graduated in 2011 + Name o f Master Student: Nguyen Trong Luan Title of Thesis: Equipment sensitive to small magnetic fie ld fluctuations Implementing + Name o f Master Student: Nguyen Thu Phuong Title of Thesis: The principle and application o f a number o f sensor Implementing c) The results o f project have participated into the lecture: + Pham Quoc Trieu, Experimental Methods in Physics + Pham Quoc Trieu, Sensor Development and application d) Equipment: Devices detect small magnetic fluctuations QGTD.10.27 (copyright registered at the National Office o f Intellectual Property o f Vietnam) MỤC LỤC Trang MỜ Đ Â U 01 C hương - CHUYÊN ĐỒI TÍN HIỆU VẬT L Ý 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 trờ .04 1.1.3 Hiệu ứng điện hỏa 05 1.2 Một sổ 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 đ iệ n 11 1.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa .11 1.3.4 Hiệu ứng quang điện m ôi 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 h ọc 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 NemsƯEttingshausen 20 1.4.6 Hiệu ứng từ trở 20 1.5 Hiệu ứng Dopper 21 C hưong - 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 dầy 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 S Q U ID 38 2.2.6 Từ kế hiệu ứng từ trờ 41 2.2.7 Từ kế Fluxgate .45 Chương - MƠ PHỎNG HIỆU ỨNG CHUN ĐỔI TÍN HIỆU TRONG SENSOR 3.1 Vector cảm ứng từ .51 3.2 Từ trường dòng điện thẳng 52 3.2.1 Mô phòng từ trường nửa dòng điện gây đường pháp tuyến qua tâm o 53 3.2.2 Mơ từ trường dòng điện gây đường pháp tuyến qua tâm o 55 3.2.3 Quan hệ dòng điện-tìr 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 Mô hoạt động fluxgate sensor .62 3.4.1 Cấu tạo sensor fluxgate hai lõi mắc xung đối .62 3.4.2 Mô q trình chuyển đổi tín hiệu sensor 62 3.4.3 Mô phụ thuộc biên độ tín hiệu theo từ trường .67 Chương - THIÉT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG N H Ỏ 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 K H Ả O 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 đo lường có tính chất điện dễ dàng khuếch đại, xử lý truyền xa Báo cáo tập trung vào nhiệm vụ chế tạo thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ, nội dung thực là: - - Chế tạo cảm biến nhậy từ trường nhỏ dùng nguyên lý íluxgate - Chế tạo khối xừ lý tín hiệu nhỏ - Ghép nối tín hiệu hệ đo tự động - Chế tạo hệ thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ dạng sản phẩm Đo đạc, hiệu chỉnh, khảo sát, đánh giá chức hoạt động thiết bị Được quan tâm ĐHQGHN, Trường ĐHKHTN Khoa Vật lý, hướng nghiên cứu cảm biến (sensor) nói chung, cảm biến phát thăng giáng từ trường nhỏ nói riêng tiến hành nghiên cứu nhiều năm gần Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng, kết thu áp dụng vào lĩnh vực quan trắc mơi trường, thăm dò địa chất, phát dòng điện ngầm v v Bản báo cáo trình bầy bốn chương: Chương Chuyển đổi tín hiệu vật lý Chương Sensor từ-điện Chương M ô hiệu ứng chuyển đổi tín hiệu sensor Chương Thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ Bản phụ lục trình bầy kết báo, báo cáo khoa học liên quan, kết đào tạo sau đại học đăng ký sản phẩm khoa học MAGNETIC FIELD SENSORS H < lm T I H > i _ ; MAGNETOMETERS i _ ,— (B, lm T GAUSSMETERS \I I H all E ffect M agnetoresistive [~ ~ V E C T O R _ i SCALAR _ M a g n e to dio d e ! _Search Coil | Fluxgate i Optically Pumped ' M agnetotransistor Proton Precession T ^SQUID Magnetoresistive I Fiber-Optic F I G U R E M agnetic field sensors are di vi ded into two categories based on their field strengths and measurement ange: (i) magnetometers measure l ow fields and F I G U R E The p r i n c i p l e o f F l u x g a t e s e n s o r (ii) ¡»auss-meters measure high fields the w i n d i n g is zero I f , on the o t h e r h a n d , a f i e l d c o mp o n e n t is p r e s e n t a l o n g the s i g n a l w i n d i n g a x i s, e l e c t r i c v o l t a g e T h er e are ma n y d i f f e r e n t f l u x g a t e then each t i m e the f e r r o u s m a t e r i a l goes f r o m one c o n f i g u r a t i o n s One o f the mor e p o p u l a r ones w h i c h s a t u r a t i o n e x t r e m e to the o t h e r , the f l u x w i t h i n the was core w i l l c h ange f r o m a l o w l e v e l to a h i g h l e v e l manufactured in our laboratory is s ho w n in F i g u r e [ ] A v e r y c o m p r e h e n s i v e e x p l a n a t i o n o f A c c o r d i n g to F a r a d a y ’ s l a w , a c h a n g i n g the p r oduc e fluxgate configurations princip le is and given different [3) The fluxgate at the t e r m i n a l s o f the signal core w i n d i n g that is p r o p o r t i o n a l t o the r at e o f c h a n ge o f f l u x For dc and l o w - f r e q u e n c y m a g n e t i c f i e l d s , the saturable si gnal w i n d i n g v o l t a g e is: material, ring a voltage w ill f l u x g a t e is c o n s t r u c t e d f r o m a t h i n r i b b o n o f e a s i l y ferromagnetic in the flux such as 4-79 E(t)= nAnoH [dpc (t)/dt] P e r m a l l o y w r a p p e d a r o u n d a b o b b i n to f o r m a r i n g or toroid current is As shown applied in Figure through 3, a coil an that where H = C o m p o n e n t o f the m a g n e t i c f i e l d b e i n g alternating is measured wound ab o u t the t o r o i d T h i s cr e a t e s a m a g n e t i c f i e l d that n = N u m b e r o f t ur ns on the s i g n a l w i n d i n g c i r c u l a t e s a r o u n d the m a g n e t i c c or e A = C- r o s s - s e c t i o n a l area o f the s i g n a l w i n d i n g p c ( / ) = E f f e c t i v e r e l a t i v e p e r m e a b i l i t y o f the cor e As O ut the core perm eability alternates from a low val ue to a h i g h v a l u e , it p r o d u c e s a v o l t a g e p ul se at the s i g n a l winding proportional FIGURE Fluxgate sensor to output the t hat magnitude has of an amplitude the o f the f i e l d T he f r e q u e n c y o f the s i g n a l T h i s m a g n e t i c f i e l d causes the f l u x external ma g n e t i c f i e l d and a phase i n d i c a t i n g the d i r e c t i o n the in the f e r r o u s excitation frequency s i nc e is t w i c e saturation to m a t e r i a l to p e r i o d i c a l l y s a t u r a t e f i r s t c l o c k w i s e and saturation t r a n s it io n t hen c o u n t e r c l o c k w i s e A p i c k - u p ( s i g n a l ) w i n d i n g p e r i od is w r a p p e d a r o u n d the o u t s i d e o f the t o r o i d W h i l e a m p l i t u d e - m o d u l a t e d s u p p r e s s e d c a r r i e r s i g n a l that The signal occurs the from the f e r r o u s m a t e r i a l is b e t w e e n s a t u r a t i o n e x t r e m e s , is s y n c h r o n o u s it m a i n t a i n s an a v e r a g e p e r m e a b i l i t y m u c h g r e a t er excitation signal than t h a t o f a i r W h e n the c o r e is in s a t u r a t i o n , the M a n u fa c tu r e the device core p e r m e a b i l i t y b e c o me s e qu a l to t h a t o f r I f with the tw i c e each e x c i t a t i o n the second fluxgate harmonic is an o f the The device di scovering small m agnetic fi el d fl uctuation t her e is no c o m p o n e n t o f m a g n e t i c f i e l d a l o n g the was manufactured with the f o l l o w i n g main blocks: a xi s o f the s i g n a l w i n d i n g , the f l u x c h a n g e seen by (i) 69 Generating - (ii Create the sine-shaped wave (i ii ) Fluxgate sensor 55 - ( iv) Signal processing - (vj Indicator and PC interface - 60 - 32.5 cm 30 cm 27.5 cm 25 cm 22.5 cm 20 cm - When an external magnetic field changes, the signal 35 - E (t) before processing block o f the form shown in ■ ■ Figure The image above corresponds to small H the bottom is for large H - • 10 ^c 00 05 10 i— |— -1 0 80 “T— I— I -20 -60 - 40 ' r0 20 40 60 t—l 80 100 a z im u th ( d e g r e e ) F I G U R E The orientation o f the probe 76 r\ A\ J A\ J a A - 5- V / SAMPLl : 4- M i l l C D) 2-1 ' Vv' W W V v ' ^ * larvr* -1 -|—i— i— i—|— i— |— i— |—i—|—i— |—i— i—i— | F I G U R E The s i gnal E ( t ) o b t a i n e d by the s ensor 20 22 changes due to H 24 26 28 30 32 34 36 distance (cm) Boxcar techniques can be used in signal processing on F I G U R E The sensitivity o f the probe vs distance the basis of the IC SN74223 and the S & H ci rcuit In PC interface bl ock, IC Atmega8 and IC L M are used The device worked well and can be used to detect small magnetic field fluctuations in the size o f 100 nT M e a s u re m e n t results Some characteristics o f the devices have been i n v e s t i g a t e d The o r i e n t a t i o n o f the p r o b e is s ho w n i n F i g u r e The d e v i ce most s e n s i t i v e to m a g n e t i c f i e l d s a c c o r d i n g to the e l o n g a t i o n o f the p r o b e The sensitivity o f the p r o b e with the magnetic field F IG U R E w i t h d i s t a n c e is shown in F i g u r e F i g u r e is the The magnetic fie ld flu ctu a tio n s o f the Environment s i g n a l r e c e i v e d on the PC wh e n the d e v i c e me a s u r e d m a g n e t i c f i e l d f l u c t u a t i o n s o f the e n v i r o n m e n t 70 F I G U R E The signal from the vibration of the sample at a great distance In F i g u r e is a s i g n a l that the de v i ce o b t a i n e d by the m a i g n e t i c f i e l d f l u c t u a t i o n s by a s ampl e at great d i s t a n ces Cornclusions F l u x g a t c m a g n e t o m e t e r s are used in g e o p h y s i c a l and s pa c e a p p l i c a t i o n s ( | F l u x g a t c compasses are used in aircraft, navigation used in electrical comparators direct l and vehicle and submersible s y s t e ms T he f l u x g a t c p r i n c i p l e is also and currents current for the Simple sensors r e mo t e fluxgatc and current me a s u r e m e n t of ma g n e t o m e t e r s are u s e d f o r d e t e c t i n g met al o b j e c t s and f o r r e a d i ng m agnetic marks and l abel s Fluxgate sensors are r c l i a b le s o l i d - s t a t e d e v i c e s and operat e o v e r a wi d e tem perature rang e Standard comm ercially p r o d u c e d d e v i c e s have 100 pT r e s o l u t i o n and 10 nT a b s o l i u t e p r e c i s i o n but t h i s can be e x te n d e d to 10 pT r e s o l u t i o n and nT l o n g - t e r m s t a b i l i t y T h u s w o r k was s u p p o r t e d by the s u b j ec t o f V N U , H a n o i i , Q G T D 10.27 References [ 1I Steven A Maci ntyre, M agnetic Field Measurement, ' Copyri ght 2000 CRC Press L L C , USA '(htt p:/ /www.engnet base.com) 12 Due N T M , T h e T h e s i s o f P h y s ic M a s t e r , H a n o i U n i v e r s i t y o f Sci ence, V N U , 2008 [31 F P r i m d a h l , T h e f l u x g a t e m a g n e t o m e t e r , J P h y s E- Sci I n s t r u m , 1, p p - , 1979 [ 4j Pavel Ripka, Al oi s Tipek, Modern sensor Handbook, ISTE Ltd, USA, 2007 KHẢO SÁT Đ ộ NHẬY CỦA SEN SO R FLUXGATE Phạm Quốc Triệu1, Đỗ Gia Tùng' 1Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Email: phamtrỉeu(ạ>ynu.edu TĨM TÁT Trong báo này, chúng tơi trình bầy số nghiên cứu khảo sát độ nhậy sensor íluxgate nói riêng, thiết bị phát thăng giáng từ trường nhò nói chung Tín hiệu khảo sát hình thành từ nguồn từ trường chuẩn theo lý thuyết, Trên sờ đánh giá tỷ số S/N, kết luận độ nhậy phát hiộn từ trường nhỏ đưa Việc cải thiện độ nhậy cùa thiết bị cần tập trung vào vật liệu từ sensor íluxgate, sau khối xử lý tín hiệu cần cải thiện Thiết bị cỏ thể ứng dụng vào nơi cần quan sát biến động từ trường nhỏ, sinh đòng điện từ trường trái đất Từ khóa: độ nhậy, sensor, thăng giáng từ trường, mơ phòng MỞ ĐÀU Từ kế fluxgate thiết bị đo cường độ từ trường sử dụng cà mặt đất khơng gian Nó ổn định, đáng tin cậy, kích thước nhỏ yêu cầu lượng hoạt động Những thuộc tính với khả đo vector từ trường 0.1 nT đên mT dài tân sô từ dc đên vài Hz khiến trờ thành thiêt bị linh hoạt Các nhà địa chât sử dụng chúng để thăm dò, nhà địa vật lý sử dụng chúng để nghiên cứu trường địa từ (cỡ 20 ị í ĩ đến 70 Ọ.T bề mặt trái đất) Các kỹ sư vệ tinh sử dụng chúng để xác định điều khiển tàu không gian, nhà khoa học sử dụng chúng nghiên cứu, quân đội sử dụng chúng cho nhiều mục đích bao gồm tìm kiếm mò, phát thiết bị giao thơng nhận dạng mục tiêu Bộ phận cốt lõi sensor fluxgate cổng từ thơng Nó chuyển đổi từ trường thành điện tương ứng Có nhiều cách xây dựng cổng từ thơng Hình minh họa số loại cổng từ thông thường gặp [1] Hoạt động cùa sensor lõi tròn làm từ vật liệu sắt từ dễ bão hòa mơ tả sau Có hai cuộn dây quấn lõi, cuộn kích thích cuộn tín hiệu, trục hai cuộn dây trực giao (hình 2) [bì íc) (c) lơ) H ình 1- Một sốỳluxgate sensor Cuộn dây kích tlúch Cuộn dây tín hiệu Loi Hình 2- Fluxgate lõi tròn Khi đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn dây kích thích Dòng điện tạo từ trường lan truyền lõi từ Từ trường làm từ thơng lõi bão hòa tuần hồn theo chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ Khi lõi chưa bão hòa có độ từ thẩm lớn nhiều so với Theo định luật Faraday, từ thông thay đổi sản sinh điện tỷ lệ với thay đổi từ thông hai đầu cuộn dây tín hiệu Đối với từ trường cần đo biến đổi chậm, điện cuộn dây tín hiệu có th ề mơ tả sau [2]: \ ụ ) -_n/ A » f ỉ ỉ i , nAụy j ẹ i dt Với (l) dt H từ trường cần đo n số vòng cùa cuộn tín hiệu A diện tích mặt cắt cuộn tín hiệu jue(t) độ từ thẩm hiệu dụng Độ từ thẩm cùa lõi thay đồi từ thấp đến cao, tạo xung điện có biên độ tỷ lệ với độ lớn cùa từ trường đầu cuộn tín hiệu pha xung điện cho biết hướng từ trường Tần số tín hiệu hai lần tần số kích thích chuyển trạng thái bão hòa xuất h iệ n hai lần chu kỳ kích thích I J Fluxgate Hình 3- Từ trường kích thích từ kế Jluxgate làm lồi trờ lên bão hòa theo hướng ngược nhau, làm độ từ thầm hiệu dụng thay đổi giá trị cực đại hai lần moi chu kỳ thay đổi thông lượng Ngày nay, công nghệ vật liệu đạt nhiều thành tựu tiên tiến Sensor Fluxgate sử dụng vật liệu sắt từ màng mòng có độ từ thẩm cực cao cho phép phát thăng giáng từ trường nhỏ đến Gamma M Ơ PH ỊN G TÍN HIỆU TR O N G SEN SO R FLUXGATE 2.1 Mô từ trư n g dòng điện gây đường ph áp tuyến qua tâm o Ị3Ị M Ớ, A ^ V ' o I — -— / Hình 4- Từ trirờng dòng điện thảng gây M Cũng với trường hợp trên, từ trường B M hình 3.4 có chiều từ phía sau mặt phang trang giấy ngồi Dưới ta tìm độ lớn cùa cảm ứng từ Btrong số trường hợp Do tính đối xứng cùa tốn ta có 02 = n - ỚJ cos ỡ2 = cos(7T - ỡị) = - cos ỚJ: B- Anr cos = —— n r 7/2 + r (2) + r=OM cố định AA' chạy vô Thay JUQ= 4tt 1o -7 (T.m / A), 1= 0.1,0.5 (A), r=l (cm) vào ta được: D_ 4/r 1o-7./ B = / 20II ,_ n i -/ T = = ( T ) = ~7 r — 2/r.0,01 V/ + l _ (3 ) V/ +1 Thay đồi / từ đến 15 với bước 0.5 thay vào để tính B vẽ đồ thị ta thu đồ thị hình (a) + r=OM chạy từ o vô cùng, A Ă xác định Thay ụ ữ = An 10 -7 ( T.m / A), 1= 0.1,0.5,1.0 (A) được: (4, 2n r 2n r r r c ho r= 0,0.5,1,.- 515 thay vào (4) vẽ đồ thị thu hình (b) Hình 5- (a) Sự phụ thuộc cùa cảm ứng từ B M vào chiều dài cùa dỏng điện đặt dầu dò cách dây cm , (b) Sự phụ thuộc cùa B vào khoáng cách đo dòng điện có chiều dài xác định 2.2 Mơ phụ thuộc biên độ tín hiệu theo từ trư ờng Căn theo kết quà mơ phòng trên, chúng tơi thực mơ xác định mối quan hệ chuyển đồi tín hiệu từ trường Ho suất điện độnệ lối Era sensor Tín hiệu Erađược xử lý theo kỹ thuật tích phân phía để tạo mức chiều biến đồi chậm Kết quà cho thấy phụ thuộc biên độ tín hiệu lối sensor theo theo độ lớn từ trường bên ngồi có dạng phi tuyến Đặc trưng cho thấy ứng với vật liệu làm lõi, cần phải chọn dải đo dòng điện kích thích phù hợp để vùng nhậy cảm sensor rơi vào khoảng tuyến tính (ví dụ khoảng 0-1 đặc trưng hình 6) Việc lựa chọn vùng từ trường làm việc sensor thực khảo sát thực nghiệm Hình 6- Đồ thị phụ thuộc cùa biên độ E theo Ho KHẢO SÁT Đ ộ NHẬY CỦA SENSOR 3.1 Khảo sát phản ứng thiết bị đo theo phông từ trường Chúng thực nhiều phép đo phông từ trường phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hình hình số liệu thăng giáng phông từ trường đo thời điểm khác Tín hiệu ghi đồng hồ số đa phân giải cao Keithley (Mỹ), thời gian lấy mẫu 5s Hình 7- Số liệu đo phơng từ trường (Pl) phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm KHVL Nhận xét: Tín hiệu phơng từ trường ghi nhận hình chứng tỏ khà phát thăng giáng nhỏ cùa từ trường ngồi tác động nên đầu dò 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 phòng thí nghiệm thi cơng xây dựng Tuy nhiên, dứt đợt thi cơng, tín hiệu lại trờ trạng thái cân 3.2 Khảo sát phản ứng thiết bị theo từ trường Chúng chế tạo cuộn dây Xolenoit với kích thước L=10cm, D=lcm số vòng N=120 Với thơng số cấu tạo vậy, thí nghiệm tập trung vào khảo sát phản ứng cùa thiết bị phát thăng giáng từ trường nhò tồn khơng tồn nguồn từ trường tác động đầu dò đặt cuộn Xolenoit Hình 8- Sổ liệu đo phơng từ trường (P2) phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm KHVL Hình tín hiệu ghi thiết bị ghép nối máy vi tính Tín hiệu có dạng xung vuông với mức cao tương ứng với trường hợp cuộn dây có dòng điện 1=0.5 mA, mức thâp tương ứng với trạng thái ngắt dòng Hình 9- Giá trị quy đổi điện cùa từ trường lỏng cuộn Xolenoit 120 vòng có dòng điện 0.5 mA dạng xung vuông chạy qua Càm ứng từ B sinh lòng cuộn dây Xolenoit cỏ dòng 1=0.5 mA tính theo cơng thức: Nêu lây tỷ sơ S/N=4 (là tỳ sơ độ cao trung bình tín hiệu độ cao trung bìnhi cùa nhiễu) có thề ước tính độ nhậy hệ vào cỡ 100 nT K É T LUẬN Các kết khảo sát cho thấy, độ nhậy sensor phát thăng giáng từ trường nhò nằm dải đo phù họp với nghiên cứu khác Kết cho thấy, muốn nâng cao độ nhậy sensor, cần quan tâm đên vật liệu từ mềm Các kết quà thu định hướng cho việc nghiên cứu cải tiến khối xử lý tín hiệu, làm tăng cường tỷ số S/N thiết bị đo Thiết bị cần khảo sát kỹ địa điểm xa thành phố, chịu ảnh hường thăng giáng từ trường nhiễu Thiết bị có khả phát thăng giáng từ trường nhỏ cỡ 100 nT Lời cảm ơn: Các tác giả cảm ơn Đại học Quốc gia Hà nội cấp kinh phí thựchiện nội dung khoa học khuôn khổ đề tài QGTĐ 10.27 TÀI LIỆU TH A M K H Ả O Steven A Macintyre- Magnetic field measurement, Copyrigh 2000 CRC Press LLC, USA F Primdall- The Fluxgate magnetometer, J.Phys E: Sei Instrum., 1, (1979), pp.242-253 P Q Trieu, N T Nghia, D G Tung- Study on manufacture the device for detecting small magnetic field fluctuation, The 2011 international conference on ICDV, pp 68-71 Wallace H Campbell- Introduction to geomagnetic field, Cambridge University Press, (2002), Australia SV Narasimhan, s Veena- Signal processing, Alp Science International Ltd, Harrow, 2005, UK Fluxgate sensor and application Pham Quoc Trieu Faculty o f Physics, University o f Sciences, Hanoi National University 334 Nguyen Trai Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Abstract: D evices detect sm all m agnetic flu ctu ation s b a sed on the fluxgate prin ciple has been stu d ied p ro to typ e at the U niversity o f N atural Sciences, Vietnam National University, Hanoi D evice is co n n ected to the P C to easily record data In this paper, we p resen t a number o f studies evaluating the SNR in order to im prove the sensitivity an d sta b ility o f the device Equipment capable o f detecting the m agnetic f ie ld flu ctu ation s o f about 100 nT In the fu n ctio n a l blocks o f the device, the blocks should be im p ro ved are sensor a n d signal processing This device can be a p p lied to detecting sm all fluctuations o f the m agnetic field, remote detection current or u sed in g eo lo g ica l research Keywords: sensor, m agnetic field, fluctuations, flu xgate I INTRODUCTION The fluxgate sensor consists of a core of magnetic material surrounded by a pick-up coil (figure 1) A Equivalent elipscid Figure The basic flu x g a te consists o f a j ferrom agnetic core a n d a pick-u p coil C hanges o f < core perm eability jir cause the core f ie ld B to change, i thereby inducing a voltage in the pick-u p coil The earth's field along the core axis, Bcx produces « a magnetic flux BA in the core of (average) ( cross-sectional area A If the permeability pr of t the core material is changed, the flux changes and i a voltage Vsec is induced in the n turns of the j pick-up coil, where Vsec = nA dB/dt (1) i B is proportional to Be, for small Bex, and the factor of proportionality fia (the effective I permeability) depends on the core material and ( on the geometrical shape of the core: B=|ia Bex (2) ' The field inside the core is given by: B= ¿io(7/+ M) (3) \ where A/, the magnetisation, is proportional to H: M= x H (4) the susceptibility x being the factor of proportionality, and H is given by: H= Hex - DM (5) where D is the demagnetising factor and Hex = Bex/ jio (6) From equations (3)-(6), B= nrBex/[1+ D(^ir- 1)] (7) where the relative permeability is given by Hr = + X From comparison of this equation with equation (2), the apparent permeability is fla=fl,/[l+DOlr- l ) ] (8) Inserting (7) into equation (1) gives Vsec=nABex(l- D)(d nr /dt)/[l + D(^r - 1)]2 (9) which is the basic fluxgate equation [1] II GENERAL ELECTRONIC REQUIREMENTS Good results for excitation of the core can be obtained with a square wave and this is certainly easier to generate than a sine, so is to be recommended Digital generation of square wave excitation together with a 2f reference frequency is conveniently accomplished by means of a microcontroller or a few discrete logic devices To ensure good low noise the core material should be driven well into saturation by 10 to 100 times its saturation field Operational frequencies for typical fluxgates lie between and 10kHz, with the ring cores more towards the top end Transformer drive is often employed although easier capacitive drive can also be used, providing low leakage capacitors are chosen to avoid spurious and variable offsets The voltage drive to the fluxgate together with the excitation coil inductance, determine the current ramp rate in the coil, and therefore the maximum frequency attainable (see figure above) The drive voltage should therefore be chosen to suit the frequency desired, with attention paid to the saturation point of the core within the cycle In this context one advantage of using a microcontroller to generate the waveforms is the ability to easily adjust the phase shift between the f and 2f outputs for better control of the demodulation The sense winding is normally fed into a preamp with mild tuning at the 2nd harmonic of excitation frequency (fig.2) In practice this can cause problems because of pulse stretching of the voltage spikes passing through, and a broader band amplifier with a reasonably high slew rate can help avoid this Demodulation is usually accomplished with a phase sensitive detector, typically a CMOS analogue switch, following the preamp It is important to chose a switch with low charge injection to avoid further offset problems The switch drives an op-amp integrator, which needs to be a low offset, low temperature coefficient device The integrator time constant is chosen as a compromise between response time and noise performance >o N»' 15 c O) c/) 2000 4000 6000 8000 Time (s) Figure A sign al o f the m agnetic fieldflu ctu ation s obtained The feedback voltage to current converter can be as simple as a resistor, or an active device such as a transconductance amplifier can be employed When a resistor be used, its temperature coefficient will be added directly to the magnetic field measurement, so care needs to be taken here In addition should the voltage from the integrator be taken as the field output, the proportion of voltage across the feedback coil will be subject to the large temperature coefficient of copper This can be taken out in software or by the use of additional analogue circuitry Where a microprocessor is available the former solution is preferable, providing a more accurate result and less interference to the low level sense signal from the fluxgate [2] III TESTING ON A DEVICE TO DETECT SMALL MAGNETIC FIELD FLUCTUATION The important part of our equipment includes: Sensor: To make the sensors work well, we need to design the pulse generator block, split frequency, sine wave power amplifier Acquisition: To receive in and observe the signal, we have designed functional blocks such as blocks rectifiers, small signal amplification and processing, the ADC and computer connection Figure is a form of the results obtained from our device Measure with Tesla Meter Figure C om parison o f sign al devices with Tesla M eter 4048 (F W Bell) In Figure 5, the signal is recorded in the case of selecting the wire length = 1.2m, I = 160 mA current intensity and the distance r = cm Based on the simulation results, with r chosen as above, the cord can be considered infinite Meanwhile, the magnetic induction B in the probe are: ^ = 4^101160^ = , ^ = 2nr 2^ 1.10 Signal separated into two levels: the high level corresponds to the current I = 160 mA, low to the current state I = Figure M a g n etic f i e l d o f lo n g stra ig h t c u rren t Magnetic induction B in the xolenoid coil when a current I = 0.5mA be calculated by the formula: B = ^ 0n l= p 0— I = ,7 n T I Here, N=120, D=lcm, 1=0.5mA In Figure 6, the signal is recorded in the case of the above xolenoid coil The detection of such anomalies can be facilitated by correlating data from closely spaced sites, recorded preferably by an array of simultaneously Operating magnetometers The detection and interpretation of these frequencydependent anomalies, related to lateral electrical inhomogeneities, give the basis and objectives of the GDS technique In an alternative sense, the GDS combines the principle of both, soundings (depth) and profiling (lateral), to image lateral conductivity inhomogeneities at varying depths The sensitivity of this method is expected to (/') strongly correlate with the vibration frequency; the fulfilment is not valid at the low frequency, is better at the raising frequency and is fulfilled at the frequency high enough for the case under investigation; (//) resistible to the occurence of random noise influenced by the statistical weight of the measured transient band, must not be affected very much by the random noise In the heavy noisy environment, the noise can be filtered-off according to the procedure discussed in [3] Tcchical specifications of the device Measurement range: >100nT Power suppy: ±9V DC Current: 60mA Overall dimensions: 10cmx20cmx30cm, Weight: 0.3 kg Figure M a g n etic f i e l d o f the s o le n o id c o il Acknowledgements: We w ould like to thank VNU f o r supporting the pojectt QDTD 10.27 to make this content If we take the ratio of S / N = (the ratio of the height of the signal and noise), to estimate the sensitivity of the system in the order of 100 nT V REFERENCES V CONCLUSION In geomagnetic deep sounding (GDS) the deduction of the internal electrical conductivity distribution is based only on three time-varying geomagnetic field components X, Y and Z (or H, D, and Z) Basically, the relationship between external and internal magnetic fields, at a range of frequencies, holds information on the radial conductivity distribution However, the presence of lateral electrical conductivity differences at depth perturbs the flow of induced currents and produces frequency-dependent anomalies in the X, Y and Z components [1] Primdal, The fluxgate magnetometer , 1979 J Phys E: Sci Instrum 12 241 (http://iopscience ¡op.org/0022-3735/12/4/001) [2] Ken Evans, Fluxgate Magnetometer Explained, UK INVASENS 2006 http://www.invasens.co.uk/FluxgateExplained [3] Steven Macintyre (2000), Magnetic Field Measurement, CRC Press LLC Phụ lục A Mầu số: O l - s c TỜ KH AI M ■/ ĐĂNG KÝ SÁNG CHẾ I D Ấ Ư N H Ặ N Đ Ợ N " ; •' (Danh cho ¿ấn nhạn]đcm) ; ỈATííAL^Ỉ nC iiõr Kn t L U c n U ^ i:;iVíY ị Kính gửi: Cục Sở hữu trí tuệ 386 Nguyễn Trãi, Hẩ Nội ! 2Ầ ‘ -10” 2Ủ12 CChù đon yêu cầu Cục Sờ hữu trí tuệ xem xét 2-20 2201200238 điđơn cấp: □ Bằng độc quyền sáng chế s 0238 HI Bằng độc quyền giải pháp hữu ích* □ ũ Đơn nộp sở đơn PCT số: GCông bố quốc tế số: ngày: 1 ị Ngày nộp cL ẳ Ngày chọn Việt Nam (nếu có): TÊN SÁ N G CHẾ PHÂN LOẠI SÁNG CHẾ Q U ỐC TẾ (chi tiết đến chi số hạng thứ ba) Khối mạch điện tử thiết bị phát thăng giáng từ trường nhỏ dùng Auxgate sensor 22 C H Ủ ĐƠN (Tồ chức, cá nhân yêu cầu cấp Bằng độc quyền sáng ché/giải pháp hừu ích) TYTen đầy đủ: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Đ Địa chỉ: 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội ĐĐiện thoại: (84) 043-8584615/8581419 Fax: (84) 043-8583061 Email: hus@vnu.edu.vn □ □ Chủ đơn đồng thời tác giả sáng chế □ □ Ngoài chù đơn khai mục có dơn khác khai trang bồ sung 33 ĐẠI DIỆN C ỦA C H Ủ ĐƠN □ □ người đại diện theo pháp luật chủ đơn □ □ tồ chức dịch vụ đại diện sở hữu công nghiệp uý quyền chủ đơn □ □ người khác uý quyền chủ đơn TtTên đầy đủ: Đ Địa chỉ: Đ Điện thoại: 44 TtTến đằy đủ: E-mail: Fax: TÁC GIẢ PHẠM QUỐC TRIỆU Quốc tịch: Việt nam Đ Địa chỉ: Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Đic)iện thoại: : 0912154600 Fax: Email: phamtrieu@ vnu.edu.vn KI Ngồi tác giả khai mục có tác già khác khai trang bổ sung ỸkbM/ỔhtOÙfault *