Để nâng cao tỷ số S/N của thiết bị thăng giáng từ trường nhỏ, ta cần quan tâm một số vấn đề:
+ Tăng độ nhạy của sensor: Tín hiệu ở lối ra của sensor có độ lớn phụ thuộc vào các thông số như vật liệu làm lõi, tần số tín hiệu kích, số vòng dây thứ cấp…Vật liệu làm lõi có độ từ thẩm μ càng cao thì sensor càng nhậy. Tuy nhiên đường cong B(H) càng dốc thì dải đo bị thu hẹp lại. Tần số tín hiệu kích càng lớn, biến thiên từ thông cao thì tín hiệu lối ra lớn, nhưng dòng Fuco trong lõi làm nhiệt độ sensor tăng
t1
t2
lên, gây ra sự suy giảm đường cong B(H). Biện pháp khắc phục dung hòa là giữ tần số kích ở mức vừa phải, đồng thời chế tạo lõi ở dạng ghép các lá vật liệu mỏng cách điện với nhau. Tăng số vòng dây thứ cấp quá cao dẫn đến việc tăng trở kháng lối ra và tăng kích thước của sensor, khó phối hợp với các tầng phía sau.
+ Giảm tạp nhiễu: Việc đo phông từ trường cho phép xác định dải đo thăng giáng từ trường hiệu quả nhất tại vị trí đó. Tùy theo phông từ trường, tùy theo thông số kỹ thuật của thiết bị khi chế tạo mà độ nhậy của thiết bị đo thăng giáng từ trường theo nguyên lý Fluxgate có dải đo từ 1 nT đến hàng chục μT hoặc lớn hơn.
Để sử dụng thiết bị vào mục đích quan sát thăng giáng từ trường trái đất người ta phải lập các trạm đo xa khu dân cư, đường giao thông, vật kim loại…
Để phát hiện thăng giáng từ trường cỡ từ 10 μT đến 1000 μT thì thiết bị ít chịu ảnh hưởng của phông từ trường. Nhằm mục đích giảm nhiễu tác dụng lên đầu dò, tăng cường tỷ số S/N của hệ thống, chúng tôi đề xuất xử lý tín hiệu nhỏ từ sensor theo nguyên lý Sampling and Hold (Boxcar) như sau:
(a)
(b)
(c)
(d)
Hình 4.9- Tạo xung Sampling trong vùng có tín hiệu: (a) Xung đồng bộ chủ, (b) Tín hiệu ở lối ra sensor, (c) Tạo xung t1, (d) Tạo xung t2
(b) (d) Ra -V R +5 C (3) 14 4 5 11 10 1 Q Vào Ra (6) 3 7 6 Q t Hình 4.10- Tạo các xung t1, t2 bằng mạch đơn hài
Thực hiện việc tạo xung t1, t2 thông qua vi mạch đơn hài trên hình 4.10. Tín hiệu đo (b) và xung lấy mẫu (d) trên hình 4.9 được đưa vào bộ khóa dùng
transistor trường như trên hình 4.11, cho tín hiệu trong khoảng t2 đi qua.
Như vậy, các nhiễu nằm ngoài vùng t2 sẽ bị khử, dẫn đến việc giảm tạp nhiễu ở lối ra của thiết bị. Việc xác định khoảng t2
được thực hiện nhờ quan sát thực nghiệm.
Hình 4.11 Mạch Sampling and Hold tối giản.
KẾT LUẬN
Sau quá trình làm luận văn, dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, em đã tập trung nghiên cứu và thực hiện nội dung khoa học đề ra cho luận văn và thu được một số kết quả chính như sau:
1. Nghiên cứu tổng quan hiện tượng chuyển đổi tín hiệu vật lý nói chung, chuyển đổi tín hiệu không điện sang điện nói riêng, đặc biệt là chuyển đổi tín hiệu từ sang điện.
2. Tìm hiểu cơ chế và mô phỏng bằng phần mềm Matlab quá trình chuyển đổi tín hiệu trong sensor phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dùng nguyên lý Fluxgate. Việc nắm bắt cơ chế chuyển đổi giúp nhà thiết kế, chế tạo thiết bị định hướng chính xác những yêu cầu cần thiết để nâng cấp, cải thiện chất lượng.
3. Mô phỏng các giá trị từ trường trong không gian do dòng điện thẳng gây ra.
4. Tìm hiểu hoạt động, khảo sát một số khối chức năng trong thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ ghép nối máy vi tính, do trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên chế tạo.
5. Khảo sát thực nghiệm đánh giá sơ bộ về khả năng phát hiện từ trường nhỏ của thiết bị. Số liệu thực nghiệm thu được cho thấy thiết bị có khả năng phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ cỡ 100 nT.
6. Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu bằng kỹ thuật Sampling and Hold nhằm giảm thiểu tạp nhiễu, nâng cao tỷ số S/N.
Nội dung nghiên cứu của luận văn nằm trong phạm vi nội dung đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm của ĐH Quốc Gia Hà Nội, mã số QGTĐ.10.27.
Một số kết quả thu được trong quá trình thực hiện luận văn được sử dụng trong ba báo cáo khoa học tham gia Hội nghị quốc tế về thiết bị và mạch tích hợp ICDV (Hà nội, 8/2011), Hội nghị Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7 (SPMS) tại Thành phố Hồ Chí Minh 11/2011 và Hội nghị Quốc tế dành cho Cao học và NCS Việt nam-Lào-Campuchia tại Thành phố Vinh 10/2011.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
A. Tiếng Việt
[1] Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Thế Khôi, Vũ Ngọc Hồng (1977), Giáo trình điện đại cương tập 3- NXBGD, Hà Nội.
[2] Lưu Tuấn Tài (2008), Giáo trình Từ học, NXBĐHQG, Hà Nội.
[3] Ngạc Văn An (chủ biên), Đặng Hùng, Nguyễn Đăng Lâm, Lê Xuân Thê, Đỗ Trung Kiên (2006), Vô tuyến điện tử, NXBGD, Hà Nội.
[4] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXBKHKT, Hà Nội.
[5] Lê Xuân Thê (2006), Dụng cụ bán dẫn và vi mạch, NXBGD, Hà Nội. [6] Đỗ Xuân Thụ (1999), Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội.
[7] Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm Vật lý, Giáo trình khoa Vật lý, trường ĐH Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội.
[8] Phạm Quốc Triệu, Đỗ Gia Tùng (2011), Nghiên cứu cải thiện tỷ số S/N của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, Báo cáo tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7 (SPMS-2011).
B. Tiếng Anh
[9] M.J. Usher and D.A. Keating (1991),Characteristics, application, instrumentation, interfacing, VCH, Weinheim, Germany.
[10] W. A. Geyger (1964), Control Devices, New York: McGraw-Hill.
[11] A. Yariv (1991), Optical electronics, Oxford University Press, New York,USA. [12] Davis (2004). Handbook of Engineering tables, Editor-in-Chief Richard C. Dorf University of California.
[13] Steven A. Macintyre (2000), Magnetic Field Measurement, CRC Press LLC.
[14] H. J. Goldsmid and G. S. Nolas (2001), A review of the New Thermoelectric Materials, p. 1-6.
[15] D. Saha, A. D. Sharma, A. Sen, and H. S. Maiti (2002), Masterials Letters 55, 403-406.
[16] R. Kohler, N. Neumann, N. Hess, R. Bruchhaus, W. Wersing, and M. Simon (1997), Ferroelectrics 201, 83-92.
[17] W. Kwaitkawski and S. Tumanski (1986), The permalloy
magnetoresistive sensors-properties and applications, J. Phys. E: Sci. Instrum., 19, 502–515.
[18] F. Brymda (1988), The magnetometer, J. Phys. E: Sci. Intrum., 10, 242-253. [19] Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung (2011), Study on manufacture the device for detecting small magnetic field fuctuation, The 2011 International Conference on Integrated Circuits and Devices in Vietnam, 8-18 August, 2011.
[20] C. M. Falco and I. K. Schuller (1981), SQUIDs and their sensitivity for geophysical applications, SQUID Applications to Geophysics, The society of Exploration Geophysics, 13-18.
1.Mô phỏng từ trường của sợi dây thẳng khi thay đổi chiều dài sợi dây và cường độ dòng điện
close all;clear all;clc; l=0:.5:15; B1=(10*l.*0.1)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A B2=(10*l.*0.2)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A B4=(10*l.*0.5)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A B5=(10*l)./sqrt(l.^2+1);%i=0.1 A plot(l,B1,'<r',l,B2,'dr',l,B4,'or',l,B5,'*r',l,B1,'r',l,B2,'r',l,B4,'r' ,l,B5,'r','LineWidth',3);grid on;
legend('I=0.1 A','I=0.2 A','I=0.5 A','I=1.0 A');
2.Mô phỏng từ trường của sợi dây thẳng khi thay khoảng cách đo và cường độ dòng
điện
close all;clear
all;clc; r=0:1:15;%cm
B1=10*0.1./r;%i=0.1 A
B2=10*0.5./r;%i=0.5 A
B3=10*1./r;%i=1.0 A
plot(r,B1,'<r',r,B2,'dr',r,B3,'or',r,B2,'r',r,B1,'r',r,B3,'r','LineWidt h',3);grid on;%axis([0 15 -5 20])
legend('I=0.1 A','I=0.5 A','I=1.0 A');
3.Sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu ra theo từ trường
close all;clear all;clc; figure(1); k=linspace(0,3);
t=asin((300-100*k)/400)/(10*pi); y=4000*pi*cos(10*pi*t);
plot(k,y,'*r');grid on;
ylabel('Tin hieu ra');xlabel('Tin hieu vao'); figure(2);
k2=linspace(0,0.5);
t2=asin((300-100*k2)/400)/(10*pi) y2=4000*cos(10*pi*t2)
plot(k2,y2,'*r');grid on;
ylabel('Tin hieu ra');xlabel('Tin hieu vao');
4.Trường hợp có từ trường ngoài H2 đảo chiều tác dụng vào đầu dò
close all;clear all;clc; syms t T=1/5;
t100= 0.0176;%thoi gian de cuon tren dat den tu thong
=300 t100d=0.0429;%thoi gian de cuon tren dat den tu
thong =300 y01=4*sin(10*pi*t); y02=400*sin(10*pi*t)+50; y03=-400*sin(10*pi*t)+50; %======================================== t1=linspace(0,0.1,10000); t2=linspace(0.1,0.2,10000); t3=linspace(0.2,0.3,10000);
t4=linspace(0.3,0.4,10000); t5=linspace(0.4,0.5,10000); t01=linspace(0,T/2+t100,10000); t02=linspace(T/2+t100,T-t100,10000); t03=linspace(T-t100,3*T/2+t100,10000); t04=linspace(3*T/2+t100,2*T-100,10000); t05=linspace(2*T-100,0.5,10000); %======================================== figure(1); y012=subs(y01,'t',t2);% +ones(size(t2)); plot(t2,-y012-.9*ones(size(t2)),'b',t4,-y012-
.9*ones(size(t4)),'r',t2,y012-.9*ones(size(t2)),'r',t4,y012- .9*ones(size(t2)),'b',... t1,-.9*ones(size(t1)),'b',t3,-.9*ones(size(t3)),'b',t5,- .9*ones(size(t5)),'b','LineWidth',2); grid on;axis([0 0.5 -7 7]); %======================================== figure(2); x=400*sin(10*pi*t2+pi); k=find((x+90*ones(size(t2))<=300)&(x+90*ones(size(t2))>=90)); x1c=x(k); t1c=t2(k); j=find((-x+90*ones(size(t2))>=-300)&(-x+90*ones(size(t2))<=90)); x2c=x(j); t2c=t2(j); plot(t1,-90-zeros*(t1),t3,-90-zeros*(t3),'b',t5,-90- zeros*(t5),'b',t1c,-x1c-90*ones(size(t1c)),'r',... t2c,x2c-90*ones(size(t2c)),'b',T+ones*(t1c),-x1c- 90*ones(size(t1c)),'b',...
T+ones*(t2c),x2c-90*ones(size(t2c)),'r','LineWidth',2);grid on;hold on
axis([0 0.5 -500 500]);grid on;hold on;axis([0 0.5 -400 400]);
%===================================== figure(3); t05=linspace(0,t100,10000); t06=linspace(T/2-t100,T/2,10000); t07=linspace(0,t100d,10000); t08=linspace(T/2-t100d,T/2,10000); t09=linspace(T/2+t100,T-t100,10000); y025=subs(diff(y02),'t',t05); y026=subs(diff(y02),'t',t06); y035=subs(diff(y03),'t',t07); y036=subs(diff(y03),'t',t08); yma=linspace(0,max(y025)); ymi=linspace(0,min(y025)); yma1=linspace(0,max(y035)); ymi1=linspace(0,min(y035)); subplot(2,1,1);
plot(t1,zeros*(t1),'b',t3,zeros*(t1),'b',t5,zeros*(t1),'b',t09,zeros*(t 09),'b',T*ones(size(t09))+t09,zeros*(t09),'b',...
0.5*T*ones(size(ymi))+t100,-ymi,'r',1.5*T*ones(size(ymi))+t100,- ymi,'b',T*ones(size(ymi))-t100,ymi,'r',2*T*ones(size(ymi))- t100,ymi,'b',...
0.5*T*ones(size(yma)),-yma,'r',1.5*T*ones(size(yma)),-
yma,'b',T*ones(size(yma)),yma,'r',2*T*ones(size(yma)),yma,'b',... 0.5*T*ones(size(yma1))+t100d,- yma1,'b',1.5*T*ones(size(yma1)) +t100d,-yma1,'r',T*ones(size(yma1))-
t100d,yma1,'b',2*T*ones(size(yma1))-t100d,yma1,'r',...
0.5*T*ones(size(ymi1)),-ymi1,'b',1.5*T*ones(size(ymi1)),-
ymi1,'r',T*ones(size(ymi1)),ymi1,'b',2*T*ones(size(ymi1)),ymi1,'r',... 0.5*T*ones(size(t05))+t05,-y025,'r',1.5*T*ones(size(t05))+t05,- y025,'b',... 0.5*T*ones(size(t06))+t06,-y026,'r',1.5*T*ones(size(t06))+t06,- y026,'b',... 0.5*T*ones(size(t07))+t07,-y035,'b',1.5*T*ones(size(t07))+t07,- y035,'r',... 0.5*T*ones(size(t08))+t08,-y036,'b',1.5*T*ones(size(t08))+t08,- y036,'r','LineWidth',2); grid on;axis([0 .5 -20000 20000]); subplot(2,1,2); t41=linspace(t100,t100d,10000); t42=linspace(T/2-t100d,T/2-t100,10000); y41=subs(diff(y03),'t',t41); y42=subs(diff(y03),'t',t42); y4mi=linspace(0,min(y41),10000); y4ma=linspace(0,max(y41),10000);
plot(t1,zeros*(t1),'k',t2,zeros*(t1),'k',t3,zeros*(t1),'k',t4,zeros*(t4 ),'k',t5,zeros*(t5),'k',...
T/2*ones(size(t41))+t41,-y41,'k',T/2*ones(size(t42))+t42,- y42,'k',1.5*T*ones(size(t41))+t41,-y41,'k',1.5*T*ones(size(t42))+t42,- y42,'k',...... (t100+0.1)*ones(size(y4mi)),-y4mi,'k',(0.2- t100)*ones(size(y4mi)),y4mi,'k',(t100+0.3)*ones(size(y4mi)),- y4mi,'k',(0.4-t100)*ones(size(y4mi)),y4mi,'k',... (t100d+0.1)*ones(size(y4ma)),-y4ma,'k',(0.2- t100d)*ones(size(y4ma)),y4ma,'k',(t100d+0.3)*ones(size(y4ma)),- y4ma,'k',(0.4-t100d)*ones(size(y4ma)),y4ma,'k','LineWidth',2); grid on;axis([0 .5 -20000 20000]);