Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra bằng cách sử dụng cuộn dây solenoid làm bằng Cu được cuốn xung quanh ống plastic có chiều dài 17 mm và có đường kính ngoài 1.8 mm. Dây Cu được sử dụng có đường kính 80 μm bọc cách điện. Mật độ vòng dây được xác định từ thực nghiệm là 10.5 vòng/mm. Sensor 1D được tạo ra bằng cách đưa vật liệu tổ hợp Metglas/PZT sau khi được chế tạo hoàn chỉnh vào bên trong lõi của cuộn dây tạo từ trường. Sau khi được chế tạo, sensor 1D được gắn điện cực và đóng vỏ sử dụng vật liệu Mika không từ tính. Trên hình 2.3 là ảnh chụp sensor 1D sau khi được chế tạo và đóng gói hoàn thiện.
Hình 2.3. Ảnh chụp SEM cuộn dây solenoid (a), ảnh chụp vật liệu tổ hợp và sensor 1D được đóng gói hoàn thiện (b)
2.3. Đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM
Từ kế mẫu rung là một thiết bị dùng để đo các tính chất từ của vật liệu bao gồm đường cong từ hóa, từ độ bão hòa, lực kháng từ, độ thẩm từ…. Đây là một thiết bị không thể thiếu được trong các nghiên cứu về từ học.
Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi cho mẫu đo rung trong từ trường.
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị được minh họa trên hình 2.4. Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính (ví dụ thạch anh) và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi 2 cực của nam châm điện. Khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông đi qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên
và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với mômen từ M của
mẫu:
V 4..N.Sm.M
với Sm là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu.
Trong khóa luận của mình, tính chất từ của các băng từ sau khi chế tạo được nghiên cứu sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) của hãng Lakeshore 7404 tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Phép đo được thực hiện tại nhiệt độ phòng với độ phân giải của thiết bị là 10-7 emu và dải làm việc của từ trường nằm trong khoảng từ -2
2.4. Hệ đo hiệu ứng từ - điện và hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor vào từ trường Trái đất trường Trái đất
2.4.1. Hệ đo hiệu ứng từ - điện
Như đã được trình bày trong chương 1, hiệu ứng từ - điện được đặc trưng bởi hệ số từ - điện E và được xác định thông qua thế áp điện VME được sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hình
2.5 là sơ đồ minh họa hệ đo hiệu điện thế từ - điện. Thế áp điện VME là thế
hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac = h sin(2 f t) được đặt trong từ trường một chiều HDC.
Hình 2.5. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện
Từ trường một chiều DC được tạo ra nhờ một nam châm điện với
cường độ cực đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Để tạo ra từ trường xoay chiều hac, chúng tôi sử dụng một cuộn Helmholtz đặt vào bên trong vùng không gian của từ trường DC và được điều khiển bằng một máy phát chức năng (FG-
202C Function Generator). Biên độ của hac có thể thay đổi từ h= 0 đến 12 Oe
với dải tần số từ f = 1 Hz đến 2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và
phương các từ trường tác dụng có thể được thay đổi nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ tấm áp điện được đưa vào bộ khếch đại lock-in (7265
màn hình tinh thể lỏng. Hệ số thế từ - điện E = dE/dH được xác định bằng công thức thông qua thế hiệu từ - điện lối ra VME .
ME ( )
V f H
Ta có thể khai triển dạng chuổi Taylor khi không có từ trường theo biểu thức: ME 0 0 1 ! n n n n H d V V H n dH
Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số từ - điện với từ trường và độ dày của tấm áp điện được viết tổng quát dưới dạng:
ME ME E ο 1 1 dE dV V dH t dH t h
Như vậy hệ số từ - điện E có thể được xác định thông qua biểu thức
mối liên hệ giữa hiệu điện thế VME chia cho độ dày mẫu áp điện (tPZT) và biên (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
độ từ trường xoay chiều ho theo biểu thức trên.
2.4.2. Hệ đo khảo sát các thông số làm việc của sensor
Cường độ từ trường xoay chiều và tần số cộng hưởng của sensor là hai thông số quan trọng của sensor. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động cơ học riêng của vật liệu bằng tần số kích thích của từ trường xoay
chiều. Ở đây, để tạo ra từ trường xoay chiều hac = h sin(2ft), chúng tôi sử
dụng bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier) đóng vai trò như một nguồn nuôi xoay chiều cấp dòng cho cuộn dây solenoid của sensor. Tần số nguồn cho phép nằm trong dải từ 0 đến 250 kHz và điện áp nguồn nuôi trong dải từ 0 đến 5V. Bộ khuếch đại lock-in này đồng thời đóng vai trò làm thiết bị đo điện áp lối ra từ tấm áp điện của sensor cho phép đo chọn lọc tần
số tương ứng với tần số kích thích cuộn dây. Biên độ của hac được tính toán
có thể thay đổi từ h= 0 đến 2 Oe.
Thông số hoạt động của sensor được khảo sát thông qua phép đo tín hiệu lối ra từ sensor phụ thuộc và tần số và biên độ của nguồn nuôi lock-in. Số liệu đo bao gồm tín hiệu lối ra của lock-in và các tín hiệu kích thích bao gồm biên độ và tần số được ghi tự động nhờ ghép nối máy tính sử dụng chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Delphi. Trên hình 2.6 là sơ đồ bố trí hệ đo khảo sát các thông số làm việc của sensor. Giá trị tần số cộng hưởng và cường độ từ trường xoay chiều kích thích được lựa chọn khi tín hiệu điện áp lối ra thu được từ sensor cho giá trị lớn nhất.
Hình 2.6. Minh họa sơ đồ hệ đo tần số cộng hưởng của sensor
2.4.3. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường trường
Quy luật thay đổi của điện áp lối ra của sensor vào từ trường một chiều được khảo sát dựa trên nguyên lý đo hiệu ứng từ-điện. Hình 2.7 là sơ đồ minh họa hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường trái đất. Như đã trình bày trong phần trước về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng
từ điện, thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ
trường xoay chiều hac = hο.sin(2πft) kích thích đặt trong từ trường một chiều HDC. Trong phép đo này, để tạo từ trường một chiều DC, chúng tôi sử dụng
trường tạo ra bởi cuộn dây này có hệ số chuyển đổi là kH được cung cấp bởi hãng Lake Shore. Cuộn dây Helmholtz được nuôi bởi nguồn dòng keiley 2400 – LV. Số liệu đo sự phụ thuộc của điện áp lối ra sensor vào cường độ từ trường do cuộn Helmholtz tạo ra được ghi tự động bằng máy tính.
Ở đây, cường độ từ trường được xác định thông qua cường dòng điện được xác định theo công thức:
HDC = kHI
trong đó, kH= 29,97 Gauss/Ampere là hệ số chuyển đổi được cung cấp bởi hãng của cuộn dây Helmholtz. Với cường độ dòng điện cực đại lên tới 1,05 A và Độ chính xác của dòng cấp là 1 μA cho cường độ từ trường cực đại là 31.4685 Gauss với độ ổn định của từ trường là 30 μG.
Mục đích của phép đo này cho ta khảo sát vùng làm việc của sensor, độ nhạy và độ phân giải của sensor và xác định hệ số chuẩn hóa của sensor khi sử dụng để đo từ trường trái đất.
2.4.4. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hướng Để khảo sát khả năng sử dụng sensor đo góc định hướng của từ trường trái đất trong khóa luận này, chúng tôi chế tạo hệ thống mâm quay trong mặt phẳng được chế tạo bằng vật liệu Mika không từ có vạch chia góc trong mặt phẳng với góc quay thay đổi từ 0 đến 360° với độ chia nhỏ nhất 0.25°.
Hình 2.8. Ảnh Minh họa sơ đồ mâm quay và góc phương vị
Trong phép đo này, chúng tôi đưa ra khái niệm góc phương vị là góc tạo bởi trục sensor với phương bắc từ của từ trường trái đất theo chiều kim đồng hồ khi cho sensor quay trong mặt phẳng nằm ngang (mặt phẳng vuông góc với vector trọng trường). Góc phương vị không ( = 0o) được xác định tại vị trí khi sensor nằm trong mặt phẳng nằm ngang và song song với phương Bắc từ của từ trường trái đất (hình 2.8).
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất từ của băng từ Metglas
Tính chất từ của băng từ Metglas đã được nghiên cứu thông qua phép đo đường cong từ hóa. Trong các nghiên cứu của mình, để lựa chọn cấu hình tối ưu cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng chế tạo sensor, ở đây, chúng tôi
đã tiến hành đo đạc trên các mẫu băng từ có cùng chiều dài L = 15 mm và
chiều rộng thay đổi theo tỉ số r = L/W với mục đích khai tính dị hướng hình dạng của băng. Phép đo được tiến hành với từ trường ngoài nằm trong mặt phẳng màng và song song với phương chiều dài của mẫu. Trên hình 3.1 biểu
diễn đường cong từ hóa được đo trên các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau.
Hình 3.1. Đường cong từ hóa được đo trên các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau. Ở đây các mẫu có chiều dài không đổi L = 15 mm
và chiều rộng thay đổi từ W = 0.1 đến 15 mm.
Nhìn vào đường cong này ta thấy rất rõ tính chất từ mềm tăng mạnh với (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sự tăng lên của tỉ số L/W. Điều này có thể được lý giải là do dị hướng hình
dạng có xu hướng chiếm ưu thế dọc theo chiều dài mẫu khi mẫu có sự khác nhau giữa chiều dài và chiều rộng càng lớn. Tất cả các mẫu băng từ này đều
của băng từ dạng này khi khai thác ứng dụng với dải đo vùng từ trường trái đất (< 1 Oe).
Trên hình 3.2 là đường cong từ hóa đo trên băng từ Metglas có kích thước 15×1 mm theo ba phương khác nhau: nằm trong mặt phẳng băng, song song và vuông góc với chiều dài mẫu và vuông góc với mặt phẳng băng từ. Kết quả cho thấy có sự khác biệt rõ ràng khi từ hóa theo các phương này. Nếu như khi đo theo phương song song chiều dài băng từ, từ trường cần để bão
hòa mẫu là Hs = 40 Oe, thì khi đo theo phương vuông góc với chiều dài băng từ và vuông góc với mặt phẳng băng từ thì với từ trường rất lớn cỡ 1000 Oe ta vẫn chưa quan sát thấy hiện tượng bão hòa. Kết quả này cho thấy nhờ khai thác dị hướng hình dạng bằng cách chế tạo mẫu dạng thanh dài 15×1 mm, ta có thể tạo ra được dị hướng đơn trục theo chiều dài băng. Điều này rất quan trọng trong ứng dụng chế tạo sensor đo hướng của từ trường.
Hình 3.2. Đường cong từ trễ của băng từ đo theo ba phương: song song và vuông góc với chiều dài băng từ và vuông góc với mặt phẳng băng từ.
Để dễ dàng cho việc chế tạo sensor và vẫn đảm bảo được có khả năng làm việc trong vùng từ trường trái đất và có dị hướng đơn trục cao hướng tới ứng dụng đo cả độ lớn và định hướng của véc tơ từ trường trái đất, chúng tôi
lựa chọn băng từ có kích thước 15×1 mm để tiếp tục các nghiên cứu ứng dụng được trình bày trong các phần tiếp theo.
3.2. Sensor đo từ trường trái đất một chiều (1D) dựa trên hiệu ứng từ- điện
3.2.1. Khảo sát tần số làm việc của sensor
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra thu được phụ thuộc vào tần số từ trường xoay kích thích được nuôi bởi cuộn solenoid đã được thực hiện trên các sensor 1D khác nhau. Phép đo được thực hiện tại từ trường một
chiều cố định HDC = 2 Oe trong suốt quá trình quét tần số. Trên hình 3.3 là
đường cong sự thay đổi của hệ số từ-điện αE (= VME/tPZT/hac) thay đổi theo tần số quét trong dải từ trường từ 0 đến 180 kHz. Nhìn vào đường cong này ta thấy có xuất hiện duy nhất một đỉnh rất hẹp tần số cỡ 100 kHz, tại đó tín hiệu
của sensor thu được lớn nhất. Đây chính là tần số cộng hưởng fr và được chọn là tần số làm việc của sensor. Từ đỉnh cộng hưởng này, hệ số phẩm chất tương ứng của từng sensor có thể được tính toán theo công thức:
r f Q f
với f là độ rộng nửa đỉnh cộng hưởng và fr là tần số cộng hưởng.
Hình 3.3. Đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào tần số kích thích cuộn solenoid.
Điều đáng chú ý ở đây là độ rộng của đỉnh cộng hưởng rất hẹp với hệ
số phẩm chất tính được Q ~ 1.5% cho phép việc thiết kế các bộ lọc tần số có
độ chính xác cao nhờ đó có thể tăng cường tỉ số tín hiệu/nhiễu và độ phân giải của sensor.
3.2.2. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cường độ từ trường
Trên hình 3.4 là đường cong sự phụ thuộc tín hiệu lối ra của sensor 1D vào cường độ từ trường một chiều đo trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe tác dụng theo phương song song với trục sensor (song song với chiều dài của mẫu).
Trong chế độ làm việc của các sensor 1D, cuộn solenoid hoạt động như một máy phát từ trường xoay chiều được nuôi bởi nguồn dòng hac. Mặt khác,
từ trường trái đất cần được xác định đóng vai trò từ trường HDC. Do đó, trong phép đo khảo sát hoạt động của các sensor trong vùng từ trường trái đất, một cuộn Helmholtz thương mại nuôi bởi nguồn dòng Keithley 230 được sử dụng để tạo ra từ trường DC giống trái đất có cường độ lên tới 3 Oe với độ chính xác 10-5 Oe. Trên hình 3.5 là kết quả khảo sát đặc trưng từ-điện của sensor 1D trong vùng từ trường thấp -0.6÷0.6 Oe. Trục sensor được đặt vuông góc với phương Bắc-Nam, để triệt tiêu ảnh hưởng của từ trường trái đất. Nhìn vào đồ thị (hình 3.5) ta thấy đường cong tín hiệu thu được từ các sensor thay đổi theo
quy luật tuyến tính V = kHDC trong vùng từ trường trái đất, với k là hệ số chuyển đổi đặc trưng cho sensor. Đường fit số liệu cho độ dốc k = 653.215
mV/Oe.
Từ kết quả ta thấy rằng thế lối ra của sensor lúc đầu tăng tuyến tính trong vùng từ trường thấp đạt đến giá trị cực đại khoảng 3.1 V tại từ trường khoảng 7,5 Oe. Tiếp tục tăng từ trường ta thấy tín hiệu bị giảm từ từ và có xu hướng tiến đến 0 khi từ trường ngoài lớn. Hiện tượng này đã được lý giải là do ở vùng từ trường lớn, xu hướng bão hòa từ giảo của băng từ mềm Metglas
chiều kéo theo hiện tượng suy giảm độ phân cực điện (điện áp) trên tấm áp điện. Khi từ giảo của băng từ mềm bị bão hòa hoàn toàn thì tín hiệu điện thu được sẽ tiến đến 0.
Hình 3.4. Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một chiều HDC trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe
Hình 3.5. Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một chiều HDC trong dải từ trường từ -0.6 Oe đến 0.6 Oe (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});