Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ

Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ - - NGUYỄN THỊ ANH HIỀN NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ĐO TÍN HIỆU TỪ TRƯỜNG NHỎ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Khoa Vật Lý, Trường Đại Học Sư Phạm – Đại Học Đà Nẵng tạo điều kiện cho em thực đề tài luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Mỹ Đức tận tình hướng dẫn, bảo em suốt thời gian thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ khoa tận tình giảng dạy, trang bị cho em kiến thức quý báu năm học vừa qua Con xin nói lên lịng biết ơn sâu sắc đến Ơng Bà, Cha Mẹ chăm sóc dạy dỗ nên người Xin chân thành cảm ơn anh chị bạn bè ủng hộ, giúp đỡ động viên em suốt thời gian học tập nghiên cứu Mặc dù em cố gắng hoàn thành luận văn phạm vi khả cho phép chắn không thiếu thiếu sót Em kính mong nhận cảm thơng tận tình bảo Thầy Cơ bạn Sinh viên thực Nguyễn Thị Anh Hiền Tháng 05/2012 MỤC LỤC SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC A MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp đề tài 7 Cấu trúc nội dung đề tài B NỘI DUNG Chương 1: TÍN HIỆU NHỎ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TỈ SỐ S/N 1.1 Tín hiệu nhỏ 1.1.1 Khái niệm tín hiệu nhỏ 1.1.2 Phân biệt khái niệm tín hiệu – nhiễu – tạp nội 1.1.3 Đặc trưng tín hiệu 10 1.2 Nhiễu 10 1.2.1 Đặc trưng nhiễu 10 1.2.2 Nhiễu phép đo thực nghiệm 11 1.3 Tạp nội 12 1.3.1 Đặc trưng tạp nội 12 1.3.2 Sự phát sinh tạp nội chuyển đổi đo không điện sang điện 12 1.3.3 Giới thiệu số tạp nội linh kiện cảm biến 15 1.3.4 Tạp âm khuếch đại nhiều tầng 17 1.4 Tỉ số tín hiệu tạp S/N 18 1.4.1 Khái niệm tỉ số tín hiệu tạp 18 1.4.2 Hệ số tạp âm F 19 1.5 Một số phương pháp nâng cao tỉ số S/N 19 1.5.1 Trùng phùng tín hiệu, loại trừ nhiễu 19 1.5.2 Phương pháp lọc tần số 21 1.5.3 Phương pháp Lock-in (chọn pha) 23 1.5.3.1 Sơ đồ khối khuếch đại Lock-in 23 1.5.3.2 Khối tách sóng đồng tích phân 24 1.5.4 Phương pháp Boxcar 27 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ 1.5.4.1 Khái niệm mạch Boxcar 27 1.5.4.2 Sơ đồ khối mạch Box-car 29 Chương 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 31 2.1 Giới thiệu 31 2.2 La bàn nam châm dạng hình 32 2.3 Dụng cụ cảm biến cổ điển 36 2.4 Từ kế phiếm định 37 2.5 Cực dò dòng trái đất 38 2.6 Từ kế vòng cảm ứng 41 2.7 Từ kế quay 42 2.8 Từ kế tiến động Proton 43 2.9 Từ kế bơm quang học 46 2.10 Từ kế hiệu ứng Zeeman 49 2.11 Từ kế siêu dẫn sử dụng kỹ thuật nhiệt độ thấp 51 2.12 Từ kế Gradient 53 2.13 So sánh từ kế 55 Chương 3: TỪ KẾ HALL VÀ SƠ ĐỒ KHỐI THIẾT BỊ PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG NHỎ 57 3.1 Đo từ trường hiệu ứng Hall 57 3.1.1 Hiệu ứng Hall 57 3.1.2 Công thức hiệu ứng Hall 57 3.1.3 Từ kế sử dụng hiệu ứng Hall 59 3.1.4 Ưu điểm từ kế hiệu ứng Hall 61 3.1.5 Một số nhược điểm từ kế hiệu ứng Hall 62 3.2 Thiết bị phát thay đổi nhỏ từ trường 62 3.2.1 Vật liệu sắt từ 62 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động từ kế Fluxgate 63 3.2.3 Ưu điểm từ kế Fluxgate 68 3.2.4 Xây dựng sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ 69 3.2.3.1 Xây dựng khối phát xung 70 3.2.3.2 Xây dựng khối chia tần 70 3.2.3.3 Xây dựng khối tạo sóng sine khối khuếch đại cơng suất 71 3.2.3.4 Đầu dị từ trường nhỏ (Sensor) 71 3.2.3.5 Xây dựng khối khuếch đại tín hiệu 72 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ 3.2.3.6 Xây dựng khối xử lý 73 3.2.3.7 Khối thị 73 C KẾT LUẬN 74 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 A MỞ ĐẦU SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Lí chọn đề tài Xung quanh tồn môi trường vật chất mà người khơng thể nhìn thấy hay cảm nhận được, mơi trường vật chất từ trường Việc nhận biết tồn biến đổi có ý nghĩa quan trọng Các lồi chim di trú bay qng đường xa từ cực Bắc đến cực Nam địa cầu mà không bị lạc hướng Ngư dân biển biết hướng để trở vào đất liền Các lồi chim di trú khơng bị lạc chúng đánh dấu đường bay cách định hướng từ trường Nhờ việc xác định hướng từ trường mà ngư dân xác định vị trí Chúng ta xác định hướng từ trường nhờ vào trâu, bị dựa vào tư nằm chúng Chúng ln nằm vị trí đầu hướng cực Bắc, hướng cực Nam Từ trường Trái Đất có giá trị nhỏ khoảng vài chục  T tác động khơng nhỏ Nhờ xác định từ trường mà người biết thay đổi tự nhiên bão địa từ, động đất, bão, mưa Phát tồn từ trường Trái Đất biến đổi quan trọng vật lý đời sống Sự đời thiết bị đo từ trường giải vấn đề Các thiết bị đo từ trường hay gọi cảm biến từ trường đời dựa tương tác từ trường với quy trình vật lý Từ lúc xa xưa, người biết đo từ trường từ dụng cụ đơn giản la bàn đá nam châm Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật cảm biến đời với độ nhạy cao xác nhiều Là sinh viên ngành vật lý việc trang bị cho kiến thức vật lý cần thiết em cịn muốn tìm hiểu bổ sung kiến thức vật lý có liên quan đến nhiều lĩnh vực Đó lí giúp em định chọn đề tài “ Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ” Đề tài giúp hiểu về loại cảm biến đo từ trường, ưu điểm, hạn chế phương pháp Từ đưa sơ đồ mạch cho thiết bị phát thay đổi nhỏ từ trường Em mong nội dung khóa luận tài liệu nhỏ để tham khảo giáo viên sinh viên khóa sau trường ĐH Sư phạm Mục đích đề tài SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Mục đích đề tài nhằm: * Lý thuyết: Nghiên cứu tín hiệu nhỏ biện pháp nâng cao tỉ số S/N Nghiên cứu cách tổng quan phương pháp đo từ trường Trái Đất, ưu điểm nhược điểm phương pháp Tìm hiểu từ kế Hall từ kế Fluxgate để xây dựng sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ dựa nguyên lý Fluxgate Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu từ trường Trái Đất cảm biến từ trường - Phạm vi nghiên cứu: Trong đề tài em nghiên cứu vấn đề sau: - Tín hiệu nhỏ phương pháp nâng cao tỉ số S/N - Các phương pháp đo từ trường Trái Đất - Từ kế Hall từ kế Fluxgate, sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tín hiệu nhỏ Có nhiều loại tín hiệu nhỏ em nghiên cứu tín hiệu từ trường Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo từ trường Trái Đất đặc biệt sâu vào nghiên cứu từ kế Hall từ kế Fluxgate Đồng thời, dựa nguyên lý Fluxgate để xây dựng sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ Phương pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu nước Nhờ giúp đỡ giáo viên hướng dẫn: đọc, chỉnh sửa bổ sung Tham khảo ý kiến bạn bè Những đóng góp đề tài Đề tài làm tư liệu cho giáo viên sinh viên tham khảo để củng cố thêm kiến thức cần thiết cho thân Cấu trúc nội dung đề tài A MỞ ĐẦU SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ B NỘI DUNG Chương I: TÍN HIỆU NHỎ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TỈ SỐ S/N Chương II: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Chương III: TỪ KẾ HALL VÀ SƠ ĐỒ KHỐI THIẾT BỊ PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG NHỎ C KẾT LUẬN D TÀI LIỆU THAM KHẢO B NỘI DUNG SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Chương TÍN HIỆU NHỎ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TỈ SỐ S/N 1.1 Tín hiệu nhỏ 1.1.1 Khái niệm tín hiệu nhỏ Trong q trình thu tín hiệu đo, ngồi tín hiệu thu được, cịn có lẫn nhiễu, tạp khơng mong muốn Các nhiễu tạp làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu cần đo Ta hình dung qua ví dụ sau : Trong phịng n tĩnh, ta nghe nhạc ta nghe rõ ta mang tới nơi ồn ta nghe rõ lúc Ở phịng n tĩnh nói chuyện ta cần nói nhỏ nghe đến nơi đơng người ta phải nói to nghe Khi nghe radio, ta chỉnh tần số ta nghe âm rõ ràng, chỉnh khơng tốt âm bị lẫn đám nhiễu, rè rè khó nghe Như vậy, tín hiệu lúc xem đủ lớn? Cịn tín hiệu xem nhỏ? Khái niệm lớn nhỏ tín hiệu mang tính chất tương đối hay tuyệt đối? Vậy, ta xét hệ thu tín hiệu tín hiệu nhỏ : - Tín hiệu nhỏ tín hiệu mà cường độ tương đương cường độ nhiễu tạp âm - Độ lớn hay nhỏ tín hiệu tương đối Do đó, nhiều tín hiệu vào khoảng vài chục micro volt xem lớn, tín hiệu cỡ vài volt cho nhỏ Khái niệm nhỏ hay lớn tín hiệu phụ thuộc chỗ mối so sánh tương quan tín hiệu với tạp âm nhiễu Hay nói cách khác, khái niệm tín hiệu nhỏ hiểu sau : - Tín hiệu gọi nhỏ cơng suất tín hiệu tương đương với cơng suất nhiễu, tạp - Chất lượng thu tín hiệu nhỏ phụ thuộc vào công suất tối thiểu ta thu mà không bị lẫn với nhiễu, tạp 1.1.2 Phân biệt khái niệm tín hiệu – nhiễu – tạp nội SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Tín hiệu đại lượng cần thu Nhiễu thăng giáng từ bên ảnh hưởng vào hệ thu Tạp nội thăng giáng xuất bên hệ máy thu Để thu tín hiệu nhỏ đạt chất lượng tốt, ta cần quan tâm đến : - Che chắn hệ đo đến mức tối đa để giảm nhiễu - Chọn chế độ cho giảm tạp nội - Chọn phương pháp đo hợp lý 1.1.3 Đặc trưng tín hiệu Thơng thường, ta biết trước số thơng tin chủ động tín hiệu : - Thông tin toạ độ không gian Một tín hiệu phát từ điểm khơng gian Trong toạ độ cầu, ta có thơng số xác định toạ độ điểm đó: khoảng cách r , góc (φ,θ) - Thơng tin miền tần số Ta xác định miền tần số tín hiệu (f) - Thơng tin thời gian Thông tin thời gian xảy tín hiệu (t) Vậy, nhờ biết trước số thơng tin tín hiệu mà ta thu tín hiệu rõ ràng đám nhiễu, tạp âm 1.2 Nhiễu 1.2.1 Đặc trưng nhiễu Khác với đặc trưng tín hiệu, đặc trưng nhiễu phần lớn khơng biết trước nhiễu thăng giáng, biến cố ngẫu nhiên từ bên ảnh hưởng đến hệ thu Ví dụ nhiễu tượng sấm sét tầng khí quyển, xạ từ vũ trụ, sóng đài phát thanh, truyền hình, thiết bị dùng sinh hoạt cơng nghiệp … Do đó, đặc trưng nhiễu giống với đặc trưng tín hiệu ta khơng thể nhận nhiễu Chỉ ta biết khác tín hiệu nhiễu tách nhiễu khỏi tín hiệu để tín hiệu Trong số trường hợp, không phân biệt đặc trưng nhiễu tín hiệu nên người đo phải chấp nhận nhiễu tín hiệu Ví dụ: 10 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Hướng dẫn hoạt động: Đầu dò đảm bảo kết nối (PROBE nhấp nháy hình kết nối không cách) Hai nút ON OFF cho phép từ kế bật tắt Hiển thị số phù hợp với số hiệu chuẩn cực dò sau: Nhấn Range/ CAL NO phím “U” hình hiển thị 001 Nhấn Range/ CAL NO phím “U” thời gian cần thiết để hiển thị chữ số thứ hai.(Sử dụng nút “D” để giảm lượng) Thực bước ta có số thứ ba thứ tư Nhấn ENTER/ RESET đèn NO biến thay PROBE ZERO nhấp nháy Khi hiệu chỉnh đầu dị qt đối tượng 3.1.4 Ưu điểm từ kế hiệu ứng Hall So với thiết bị đo từ trường khác, thành phần Hiệu ứng Hall có lợi tạo điện áp đầu độc lập với tốc độ trường phát Trái lại, với từ kế khác vận tốc biến đổi thơng lượng nhỏ đầu nhỏ So với từ kế dựa cặp transistor máy dị quang học từ kế hiệu ứng Hall có lợi khơng nhạy với số điều kiện môi trường xung quanh ( bụi, độ ẩm, rung) có đặc điểm khơng thay đổi theo thời gian Giả sử hiệu ứng Hall phụ thuộc vào độ linh động hạt tải khơng có nhiễu loạn yếu tố bề mặt, chúng dễ dàng tái sản xuất độ tin cậy cao Ngồi ra, từ kế Hall cịn thuận tiện sử dụng, đo phân bố từ trường bề mặt không gian, đo từ trường khe hẹp Ngày nay, nhờ có cơng nghệ vi điện tử cho phép chế tạo biến tử với kích thước nhỏ vào cỡ  m, người ta chế tạo thiết bị với đầu đo Hall micro, đo phân bố từ trường với độ phân giải không gian cao, số trường hợp cho phép đọc khảo sát thông tin đĩa băng từ với phẩm chất cao hiển vi lực từ Đây vừa thiết bị đo từ trường thông dụng vừa dụng cụ thay số trường hợp Nó sử dụng chủ yếu phép đo từ, nghiên cứu từ học công nghệ sản xuất vật liệu từ 61 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Độ nhạy từ kế Hall phương pháp xử lí số cao cấp cho phép chế tạo phép đo từ trường phạm vi rộng từ 10 -8 đến 105 Gauss Từ kế hiệu ứng Hall có tính đối xứng điện cực đơi Đây thuận lợi lớn việc ghép nối mạch khuếch đại vi sai để đạt phẩm chất cao làm việc vùng từ trường yếu 3.1.5 Một số nhược điểm từ kế hiệu ứng Hall Các từ kế hiệu ứng Hall thường có nhược điểm, hạn chế lớn khoảng cách Các từ kế hiệu ứng Hall làm việc không tốt với khoảng cách lớn 10cm trừ đặt gần nam châm trường mạnh Có nghĩa đặt đầu dò hiệu ứng Hall lại gần nam châm phạm vi khoảng 10cm đầu dị cảm nhận từ trường di chuyển nam châm xa 10cm đầu dị khơng cảm nhận có từ trường Điều đồng nghĩa với việc từ kế hiệu ứng Hall không cảm nhận bão địa từ Một giới hạn diện điện áp bù đắp có nghĩa khơng có từ trường từ kế Hall cho giá trị Điều xuất tập trung điện cực Nó cao tới 100mV cho nguồn 12V Để giải vấn đề điện cực điều khiển bổ sung cần thêm vào dịng cần thiết xen vào để đầu rỗng khơng có từ trường 3.2 Thiết bị phát thay đổi nhỏ từ trường 3.2.1 Vật liệu sắt từ Vật chất bị ảnh hưởng từ trường mức độ khác tùy thuộc vào thuộc tính từ chúng Khi từ trường áp dụng cho vật chất cường độ trường tạo xác định độ từ thẩm vật liệu Độ từ hóa nhiều loại vật liệu thấp độ từ thẩm chúng gần Một số vật liệu gọi vật liệu sắt từ có độ từ hóa nội nằm miền Trong từ trường có độ từ hóa mạnh trật tự miền tăng từ trường mơi trường ngồi tăng Khi từ trường đủ mạnh từ trường tất miền có hướng lúc xuất hiện tượng bão hịa từ, hình 3.3 cho thấy ví dụ đường cong từ hóa vật liệu sắt từ 62 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Hình 3.3 - Đường cong từ hóa vật liệu sắt từ 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động từ kế Fluxgate Từ kế Fluxgate thường bao gồm lõi sắt từ cuộn dây kích thích cuộn dây pick-up hình 3.4 Tuy nhiên, dạng hình học lõi khác từ thiết kế đến thiết kế khác Hình 3.4 - Cảm biến từ kế Fluxgate Bằng cách áp dụng dịng AC vào cuộn dây kích thích lõi từ định hướng bão hịa từ dương sang âm Thay đổi từ thông qua cuộn dây pick-up để thu điện áp cảm ứng VSEC Điều tạo từ trường mà gây cuộn dây pick-up phát từ trường Hình 3.4 ví dụ tín hiệu từ cuộn dây pick-up Nếu khơng có từ trường ngồi thơng lượng từ trường lõi phụ thuộc vào trường tạo cuộn dây kích thích Các lõi lại độ bão 63 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ hòa từ hầu hết thời gian, với hai hướng bão hòa cân với giai đoạn kích thích Sự thay đổi từ thơng hai trạng thái bão hòa gây điện áp cuộn dây pick-up Nếu thành phần trường dọc theo trục lõi, thời gian dành cho độ bão hòa tăng lên Những điều dẫn đến thay đổi điện áp cuộn dây pick-up, xem hình 3.5 Hình 3.5 - Tín hiệu từ cuộn dây pick-up Sự thay đổi phát mật độ thơng lượng trường ngồi bắt nguồn từ kích thước thay đổi Để hủy bỏ tín hiệu lớn tạo cuộn dây kích thích ta bổ sung vào cuộn dây pick-up với cuộn dây kích thích theo hướng ngược lại mơ tả hình 3.6 Để đảm bảo hai cuộn dây điều khiển dòng tương tự dây kết nối phải loại Hình 3.6 - Bù đắp cho trường kích thích 64 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Hình 3.7 - Tín hiệu đầu từ cuộn dây từ kế đơi pick-up mà khơng có từ trường bên ngồi áp dụng Các cuộn dây quấn theo hướng đối ngược tạo từ trường theo hướng ngược lõi Trong vắng mặt từ trường ngồi thơng lượng từ trường lõi đối ngược hủy bỏ điện áp cảm ứng cuộn dây pick-up.(xem hình 3.7) Nếu từ trường ngồi tồn tín hiệu pick-up phát sinh thay đổi tương đối thay đổi dòng lõi.(xem hình 3.8) Nó bị chi phối hài bậc hai tần số kích thích chứa hài chí cao Hình 3.8 - Tín hiệu đầu từ cuộn dây từ kế đơi pick-up có từ trường bên ngồi áp dụng 65 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Một quan điểm khác chế Fluxgate xen kẽ trạng thái bão hòa gây độ từ thẩm  a thay đổi  max Khi trường kích thích qua giá trị tín hiệu phụ thuộc vào trường bên điều xem giai đoạn chuyển đổi/lần từ tín hiệu phụ thuộc vào từ hóa lõi Điều có nghĩa thơng tin trường bên ngồi quan sát thấy tần số gấp đôi cuộn dây kích thích Điện áp cảm ứng cuộn dây pick-up mô tả bởi: VSEC  na dB dt (3.12) Trong n số vịng cuộn dây pick-up, a vùng cắt ngang cuộn dây B tỉ lệ thuận với trường Bn B  a Bn (3.13) Trong đó,  a độ từ thẩm lõi VSEC d  n.a a Bn dt (3.14) Trong đó,  a độ từ thẩm cho phương trình a  r  D(r  1) (3.15) Trong đó,  r độ từ thẩm vật chất cụ thể D yếu tố khử từ ( khác dạng hình học lõi) VSEC điện áp đầu từ cuộn dây pick-up Bây (3.12) viết lại phương trình Fluxgate đơn giản hàm mối quan hệ độ từ thẩm lõi dr ) dt  n.a.Bn (1  D(r  1))2 (1  D)( VSEC (3.16) Như thấy phương trình (3.16) cho điện áp đầu VSEC hàm Bn độ từ thẩm  r 66 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Như mô tả trước tín hiệu bên cuộn dây pick-up khơng phụ thuộc vào trường ngồi mà cịn phụ thuộc vào trường kích thích khơng đồng lõi từ Để trích thơng tin liên quan đến từ trường ngồi từ tín hiệu tạo bên cuộn dây thông số kỹ thuật phát triển - Phát miền thời gian Sử dụng lõi để thiết lập trường mạnh tính tốn từ khoảng cách đỉnh điện áp tín hiệu pick-up Độ phân giải phương pháp bị giới hạn đếm thời gian đo đỉnh Kể từ đếm tín hiệu số nhanh cần có nhiều tiếng ồn tạo giới hạn thiết lập tốt - Hài bậc hai Các hài bậc hai tín hiệu pick-up có chứa nhiều thông tin từ trường thường xuyên sử dụng từ kế tương tự Các hài bậc hai phát cách sử dụng máy dò giai đoạn Tuy nhiên, kể từ cuộn dây pick-up tách rời cuộn dây kích thích đến mức độ định thực tế từ kế Bằng cách áp dụng lọc băng thông hài thứ hai cịn Trong hầu hết phiên từ kế sử dụng phương pháp lõi bão hịa, chất lượng phép đo có chứa thành phần hài thứ cấp tần số kích thích tạo thành khoảng bão hòa phi tuyến cảm biến Trong hình 3.3, ta thấy trường địa từ bao quanh bên ngồi H0 chồng lên trường kích thích hình sin biên độ A Các mối quan hệ độ lớn A  H với A điều chỉnh lớn mức bão hòa cần thiết lõi có độ từ thẩm cao Các trường có mức khơng đối xứng có thêm vào trường bao quanh H0, kết làm méo dạng thay đổi mật độ từ thông, B, tác động lên lõi cuộn dây cảm biến thứ cấp Sự thay đổi khơng xác B biến đổi theo thời gian t nên không đối xứng theo trục thời gian, chứa nhiều hài phân tích Fourier Ta ước lượng thành phần đầu vào sau: B(t) = a(H0+He) + b(H0+He)3 + c(H0+He)5 (3.17) Với He trường kích thích a, b, c số 67 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Hình 3.9 - Từ kế lõi bão hoà dùng để đo hướng (vectơ) trường địa từ Các hài bậc bậc cao B(t) xem nhỏ hài bậc Với lọc băng thơng hẹp hài bậc đầu chọn để trở thành phép đo trường bao quanh H0 sau so sánh với hài thứ cấp nhân tạo khơng bị méo từ việc nhân đôi tần số dao động kích thích ban đầu Một vài kỹ thuật khai báo điện áp hài thứ cấp cảm biến pha khác sử dụng để tính H0 Hình 3.9 xem hệ thống để phát pha hài thứ cấp Các vấn đề giới thiệu cho ta từ kế Fluxgate dạng cịn có từ kế Fluxgate dạng vịng Trong năm gần lõi thiết kế lại dạng vịng với kích thước khoảng vài centimet kích thích tác động lên vịng 3.2.3 Ưu điểm từ kế Fluxgate Với lõi lựa chọn đặc biệt có cấu trúc tốt độ nhạy đạt vài miligamma Các thiết bị Fluxgate tương đối nhạy Từ kế Fluxgate thường lựa chọn làm việc nơi có điện trường Thường sử dụng vệ tinh hầu hết đài thiên văn đại Từ kế Fluxgate không thật nhạy nhiệt độ thay đổi, yêu cầu có nhiều kỹ điện tử kỹ thuật sửa chữa cần kích thước xác Vấn đề cuối giải đài thiên văn cách chuẩn định kì từ kế proton Ngồi từ kế Fluxgate cịn đo hướng trường địa từ ghi cách liên tục Từ kế Fluxgate có khả thành phần cường độ từ trường Trái Đất đơn giản cách định hướng lại công cụ để lõi song song với thành phần mong muốn Có khả đo cường độ từ trường từ 0.5 - 1.0nT 68 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Dụng cụ không cần môi trường làm việc đặc biệt, tương đối đơn giản để xây dựng nên chúng tương đối rẻ tiền Không giống loại từ kế khác từ kế Fluxgate không thay đổi theo thời gian Có thể đo từ trường yếu nên chúng phát bão địa từ nhỏ Đây ưu điểm bật so với từ kế Hall 3.2.4 Xây dựng sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ Từ việc nghiên cứu từ kế Fluxgate em xây dựng sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ dựa nguyên lý Dưới hình 3.10 sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ Hình 3.10 - Sơ đồ khối thiết bị phát từ trường nhỏ Phần quan trọng thiết bị phát từ trường nhỏ đầu dò (hay Sensor) Muốn cho sensor hoạt động cần phải có cơng suất để ni Do đó, phải cần có khối phát xung Khối phát xung có tác dụng tạo xung vng nhằm cung cấp cơng suất cho đầu dị hoạt động Dạng xung sau khối phát xung không đặn Mà để tạo dạng sóng sine ta cần phải có xung đặn Vì vậy, ta cần phải có khối chia tần để tạo xung vng có độ trống ½ Sau sensor khối khuếch đại tín hiệu khối xử lý Khối khuếch đại cho phép xác định tín hiệu từ trường nhỏ Khối xử lý có tác dụng chỉnh lưu tín hiệu xoay chiều thành chiều Sau khối xử lý, tín hiệu đưa khối thị để hiển thị giá trị cần đo đạc Nếu cần xác cao, tín hiệu sau khối xử lý ghép nối với PC thơng qua chuyển đổi ADC để ghi tự động 69 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ 3.2.3.1 Xây dựng khối phát xung Mạch phát xung có sơ đồ hình 3.11: Hình 3.11 - Sơ đồ mạch phát xung - Linh kiện chủ yếu: Linh kiện chủ yếu mạch phát xung IC 4011, tạo thành từ mạch NAND thuộc loại CMOS Mạch phát xung tần số 10kHz 3.2.3.2 Xây dựng khối chia tần Mạch chia tần có sơ đồ hình 3.12: Hình 3.12 - Sơ đồ mạch chia tần - Linh kiện chủ yếu: IC 4013 thuộc loại CMOS - Mục đích khối chia tần: Mục đích khối chia tần để tạo xung đặn, tức xung vng có độ trống ½ Mạch chia tần làm việc tần số 2,5kHz 70 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ 3.2.3.3 Xây dựng khối tạo sóng sine khối khuếch đại cơng suất - Ý nghĩa: Tạo sóng hình sine đơn sắc đủ cơng suất để ni Sensor - Mạch tạo sóng sine khuếch đại cơng suất có sơ đồ hình 3.13: Hình 3.13 - Sơ đồ mạch tạo sóng sine khuếch đại cơng suất Mạch tạo sóng sine khuếch đại công suất làm việc tần số 2,5kHz 3.2.3.4 Đầu dò từ trường nhỏ (Sensor) Mạch nguyên lý đầu dị từ trường nhỏ trình bày hình 3.14: Hình 3.14 - Đầu dị từ trường nhỏ (Sensor) - Mơ tả cấu tạo: Đầu dị từ trường nhỏ cấu tạo Permaloi, Permaloi có chiều dài 200(mm), chiều rộng 5(mm) dày 0,03(mm) Thứ cấp Sơ cấp + Cuộn sơ cấp: Bao gồm cuộn dây permaloi Các cuộn dây xung Mỗi cuộn dây gồm 400 vịng, có kích thước 0,08(mm) + Cuộn thứ cấp: 71 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Cuộn thứ cấp hình vẽ Cuộn thứ cấp có 600 vịng dây, kích thước 0,01(mm) - Ngun lý: Để đo đạc tín hiệu từ trường yếu, ta phải thiết kế sensor có khả đặc biệt để phát hài thứ cấp Ở đây, hai lõi song song tác động theo hai hướng ngược chiều mạch kích thích trường, có cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh Hai cuộn sơ cấp mắc xung đối làm triệt tiêu tín hiệu trường hợp cân bằng, giúp phát pha hài thứ cấp 3.2.3.5 Xây dựng khối khuếch đại tín hiệu Tín hiệu lối khối khuếch đại: Trong đó: XR = K.XV K hệ số khuếch đại XR XV giá trị đầu đầu vào Công suất đầu mạch khuếch đại lớn cơng suất đầu vào Nhờ có khuếch đại, độ nhạy thiết bị đo tăng lên nhiều lần, cho phép phát giá trị tín hiệu nhỏ Khối khuếch đại tín hiệu có sơ đồ mạch hình 3.15: Hình 3.15 - Khối khuếch đại tín hiệu nhỏ - Đặc điểm: + Hệ số khuếch đại mạch khuếch đại tín hiệu cỡ vài trăm lần + Linh kiện: 72 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Linh kiện chủ yếu khối khuếch đại công suất IC TL082 + Các tầng khuếch đại mạch phân cách tụ để tránh tượng trôi mức chiều 3.2.3.6 Xây dựng khối xử lý Khối xử lý tín hiệu hay cịn gọi mạch chỉnh lưu, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu xoay chiều thu lối khối khuếch đại tín hiệu sang tín hiệu chiều để dễ dàng thị đánh giá Mạch khuếch đại chỉnh lưu trình bày hình 3.16: Hình 3.16 - Khối khuếch đại chỉnh lưu Tín hiệu sau khối xử lý tín hiệu chiều 3.2.3.7 Khối thị -Khối thị hay xác biến đổi Analog – Digital, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu (sau khối xử lý khối khuếch đại) từ dạng tương tự sang dạng số để hiển thị lên bảng điện tử dạng số Có thể thị đồng hồ số đa năng, đưa thiết bị phát từ trường nhỏ ghép nối với máy tính để đo tự động Bằng việc thiết lập sơ đồ khối để phát thay đổi nhỏ từ trường có ý nghĩa quan trọng thực nghiệm Giúp sâu vào nghiên cứu xây dựng nên thiết bị đo từ trường thực tế có thiết bị cần thiết hỗ trợ 73 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ C KẾT LUẬN Qua thời gian tiến hành q trình nghiên cứu, so sánh với mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu khóa luận, em làm việc sau: 1/ Nghiên cứu sở lý thuyết tín hiệu nhỏ biện pháp để nâng cao tín hiệu nhỏ 2/ Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo từ trường nhỏ Ở đây, em nghiên cứu 11 phương pháp bản: + La bàn đá nam châm dạng hình + Dụng cụ cảm biến cổ điển + Từ kế phiếm định + Cực dò dòng Trái Đất + Từ kế vòng cảm ứng + Từ kế quay + Từ kế tiến động Proton + Từ kế bơm quang học + Từ kế hiệu ứng Zeeman + Từ kế siêu dẫn sử dụng kỹ thuật nhiệt độ thấp + Từ kế Gradient Tìm hiểu phương pháp đo từ trường hiệu ứng Hall phương pháp đo dựa vào nguyên lý Fluxgate 3/ Tìm hiểu chi tiết từ kế sử dụng phổ biến (FWB 4048 Hand Held) dựa hiệu ứng Hall 4/ Xây dựng sơ đồ khối thiết bị phát thay đổi nhỏ từ trường dựa nguyên lý Fluxgate Luận văn đạt mục đích đề Nhưng thời gian hiểu biết thân hạn chế nên em nghiên cứu dựa lý thuyết Trong thời gian tới em cố gắng học hỏi để xây dựng thiết bị phát từ trường nhỏ thực nghiệm Mặc dù hồn thành khóa luận thời gian cho phép không tránh khỏi sai sót, mong nhận ý kiến góp ý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn ! 74 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ D TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Nho (2004), Vật lý linh kiện sensor bán dẫn, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội, 2006 [2] ThS Nguyễn Thị Mỹ Đức, Bài giảng Vật lý linh kiện sensor bán dẫn, trường Đại Học Sư Phạm – Đại Học Đà Nẵng, 2011 [3] P.Ripka et al, Magnetic Sensor and Magnetometer, ISBN: 1580530575, 1995 [4] J Phys.E: Sci.Instrum, The Fluxgate Magnetometer (F Primdahl et al), Vol.12, 1979 [5] Ken Evan, Fluxgate Magnetometer Explained, 2006 [6] ThS Nguyễn Thị Mỹ Đức, Nghiên cứu xây dựng hệ đo tín hiệu nhỏ, Luận văn Thạc sỹ, Bộ môn Vật lý điện tử, trường ĐHKHTN, ĐHQGHN, 2008 [7] ThS Nguyễn Thị Mỹ Đức, Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm cảm biến phát từ trường nhỏ, Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ 6, Đà Nẵng, 2009 [8] PGS.TS Phạm Quốc Triệu, Tín hiệu phương pháp xử lý tín hiệu, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 2005 [9] ThS Nguyễn Anh Đức, Tín hiệu phương pháp nâng cao tỉ số tín hiệu tạp, Luận văn Thạc sỹ, Bộ mơn Vật lý điện tử, trường ĐHKHTN, ĐHQGHN, 2007 [10] Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội, 1999 75 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền ... Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Hình 1.23 - Loại nhiễu mạch Box-car 30 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ Chương MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO TỪ TRƯỜNG... cứu lý thuyết tín hiệu nhỏ Có nhiều loại tín hiệu nhỏ em nghiên cứu tín hiệu từ trường Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo từ trường Trái Đất đặc biệt sâu vào nghiên cứu từ kế Hall từ kế Fluxgate... đề tài “ Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ? ?? Đề tài giúp hiểu về loại cảm biến đo từ trường, ưu điểm, hạn chế phương pháp Từ đưa sơ đồ mạch cho thiết bị phát thay đổi nhỏ từ trường Em