2.2.1 Cách sử dụng phần mềm
Bước 1 : Bật phần mềm, chọn chế độ vẽ 3D bằng cách nhấn vào biểu tượng sau .
Bước 2 : Vẽ cấu hình vật thể dựa vào các công cụ vẽ có sẵn trong thanh Draw, sau đó ta có thể tùy chỉnh vị trí vật trong không gian cũng như kích thước vật trong Properties.
Bước 3 : Chọn chất liệu vật thể bằng cách chuột phải vật thể rồi chọn Assign material, sẽ có 1 library vật liệu hiện ra, ta có thể chọn vật liệu tại đây, ngoài ra nếu vật liệu của ta là mới, ta có thể nhập thông số vật liệu mới vào library.
Bước 4 : Tạo vùng không gian cho vật liệu, vùng không gian này sẽ là vùng các
yếu tố bên ngoài tác dụng vào vật, ấn vào biểu tượng sau , sau đó điều chỉnh kích
thước của vùng không gian điều kiện. Trong khóa luận này là mô phỏng từ trường đều và là từ trường trái đất theo phương nằm ngang (song song mặt đất) nên sẽ có 4 mặt sẽ song song với từ trường, 2 mặt còn lại của hộp không gian sẽ vuông góc từ trường, cài đặt điều kiện trong Assign boundary.
Bước 5 : Điều chỉnh kích thước lưới chia sao cho phù hợp trong Mesh Operations.
Bước 6 : Cài đặt bước quét và sai số bước quét trong Analysis Setup.
Bước 7 : Cài đặt chuyển động cho vật thể trong Optimetrics, vật có thể chuyển động tịnh tiến hoặc quay trong vùng không gian điều kiện đã tạo.
Bước 8 : Kiểm tra điều kiện chạy mô phỏng bằng cách ấn vào , sau đó chạy
mô phỏng bằng cách ấn .
Bước 9 : Sau khi máy đã chạy xong kết quả mô phỏng (thông tin chạy ở khung Message manager), ta tiến hành xuất kết quả mô phỏng dưới dạng hình ảnh bằng cách chọn vào vật, bấm chuột phải chọn Fields rồi chọn thông tin cần hiển thị và xuất ra bề mặt vật thể (trong khóa luận này là Mag B).
2.2.2 Các cấu hình cần mô phỏng
Trong khóa luận này chúng ta chọn vật liệu có sẵn trong library là mu metal. Nó là vật liệu hợp kim Ni-Fe, là vật liệu sắt từ mềm với độ từ thẩm cao, thích hợp để làm mẫu cho mô phỏng.
Cấu hình 1D:
Ta tiến hành khảo sát với mẫu vật liệu có kích thước 1x15x0.02 mm (gọi là thanh cảm biến) đặt trong từ trường ngoài (từ trường Trái đất) cỡ 32 A/m, cảm biến mô
phỏng động xoay tròn với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường.
Cấu hình 2D:
Cấu hình này là cấu hình các thanh cảm biến bố trí tạo thành 1 mặt phẳng song
song với từ trường ngoài, xoay tròn với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường:
- Bố trí dấu thập - Bố trí chữ T - Bố trí chữ L
- Bố trí dấu thập có 4 đầu nhọn ở đầu 2 thanh cảm biến - Bố trí dấu thập có 4 tai ở đầu 2 thanh cảm biến
Cấu hình 3D:
Cấu hình này là cấu hình các thanh cảm biến bố trí trong không gian 3 chiều có
1 mặt phẳng song song với từ trường ngoài và xoay tròn với bước quay 15o trong mặt
phẳng từ trường:
- Bố trí dọc theo trục tọa độ Decac
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Với cảm biến từ trường, để giá trị điện thế của tấm áp điện lớn (tín hiệu lối ra) thì cảm biến phải thể hiện tốt hiệu ứng từ - điện nghĩa là cần càng nhiều đường sức từ của từ trường ngoài đi qua cảm biến càng tốt, khóa luận sẽ nêu lên kết quả hiển thị mật độ từ thông qua các cấu hình khác nhau của cảm biến để rút ra được kết luận cấu hình có tín hiệu tốt nhất.
Khảo sát giá trị độ lớn của mật độ từ thông (Mag B) qua cảm biến phụ thuộc vào góc hợp bởi cảm biến và từ trường ngoài (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1 Cấu hình 1D
Cấu hình 1D được mô tả như dưới hình vẽ có kích thước 1x15x0.02 mm và đặt trong từ trường trái đất có chiều dọc theo trục Oy.
Chạy mô phỏng cấu hình xoay tròn với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu được hình ảnh hiển thị màu như sau:
Hình 3.2 Hiển thị màu mật độ từ thông qua cấu hình 1D
Để xác định giá trị một cách định lượng ta xuất đồ thị Beff = ∫ � ��� (giá trị từ thông
� qua thể tích) phụ thuộc vào góc quay của cảm biến:
Tọa độ cực đại và cực tiểu là:
Hình 3.4 Tọa độ điểm cực đại và cực tiểu đồ thị của cấu hình 1D
Dựa vào hình ảnh hiển thị, ta có thể thấy trung tâm thanh cảm biến thể hiện hiệu ứng tốt nhất do mật độ đường sức đi qua đây là lớn nhất, càng về dần 2 đầu thanh thì màu càng nhạt do số đường sức qua đây thưa hơn, hiệu ứng từ - điện sẽ giảm dần về 2 đầu thanh.
Dựa vào đồ thị Hình 3.3 ta thấy rằng đồ thị phụ thuộc theo hàm cosin nên kết luận thanh sẽ có hiệu ứng tốt khi thanh được đặt dọc theo phương từ trường ngoài và gần như không thể hiện hiệu ứng khi thanh đặt vuông góc với từ trường ngoài. Độ chênh lệch càng lớn giữa điểm cực đại và cực tiểu cho ta biết độ nhạy của cảm biến
theo góc quay trong không gian. Hiệu số Beff càng cao thì cảm biến càng nhạy với sự
thay đổi mật độ từ thông qua thanh. Với số liệu thu được từ đồ thị, hiệu số này là 0.1151 T với thanh cảm biến 1D.
Đồ thị khảo sát độ lớn mật độ từ thông dọc theo các trục của cảm biến:
Hình 3.5 Độ lớn mật độ từ thông dọc theo các trục của cấu hình 1D
ứng nhưng đây là phương từ hóa khó nên đường đồ thị biến thiên quanh giá trị 0, trục Oy biểu hiện hiệu ứng rõ ràng nhất, do từ trường ngoài dọc theo phương từ hóa dễ của thanh cảm biến, đây là đặc điểm dị hướng hình dạng, từ sau này tất cả các cảm biến sẽ chỉ khảo sát giá trị mật độ từ thông theo phương từ hóa dễ của vật liệu.
3.2 Cấu hình 2D
Ta có thể thấy giới hạn của cảm biến 1D là chỉ xác định độ lớn của từ trường ngoài mà không xác định được góc định hướng của nó so với trục của cảm biến. Chính vì lí do này ta tiến hành thiết kế cấu hình cảm biến 2D gồm 2 thanh cảm biến 1D được bố trí dọc theo 2 trục Ox và Oy.
3.2.1 Cảm biến thanh chưa cải tiến:
Có 3 cách bố trí 2 thanh cảm biến dọc theo 2 trục tọa độ: - Cách 1: Bố trí chữ thập
Hai thanh bố trí theo dạng chữ thập và cách nhau 1mm, quay trong từ trường
ngoài quanh trục Oz. Chạy mô phỏng cấu hình xoay tròn với bước quay 15o trong mặt
phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu được hình ảnh hiển thị màu như sau:
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến:
Hình 3.7 Đồ thị giá trị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập
Tọa độ cực đại và cực tiểu:
Hình 3.8 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập
Hiệu số Beff cao nhất của cảm biến lúc này là 0.0992 T. Ta thấy hiệu số Beff của
cấu hình giảm 0.0159 T so với cấu hình 1D, lí do là 2 thanh có ảnh hưởng lên nhau, tại vị trí trùng nhau từ thông bị suy giảm.
Để xử lý vấn đề này, ta tiến hành bố trí lại thanh cảm biến như sau - Cách 2: Bố trí chữ T
Hai thanh bố trí theo dạng chữ T không có phần trùng lên nhau và cách nhau 1mm, quay trong từ trường ngoài quanh trục Oz. Chạy mô phỏng cấu hình xoay tròn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu được hình ảnh
hiển thị màu như sau:
Hình 3.9 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ T
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến:
Tọa độ cực đại và cực tiểu:
Hình 3.11 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ T
Hiệu số Beff của cấu hình cảm biến này là 0.1038 T. Đã tăng hơn cấu hình chữ
thập 0.0046 T nhưng tín hiệu vẫn nhỏ hơn cảm biến 1D, đây là dấu hiệu tốt cho tín hiệu lối ra của cảm biến 2D. Tuy nhiên nếu so sánh về mặt kích thước thì cấu hình chữ T sẽ chiếm thể tích lớn hơn cấu hình dạng chữ thập, một đặc điểm mà các cảm biến hiện nay cần đó là tính di động nên kích thước càng nhỏ sẽ càng tốt.
- Cách 3: cấu hình chữ L
Hai thanh bố trí theo dạng chữ L không có phần trùng lên nhau và cách nhau 1mm, quay trong từ trường ngoài quanh trục Oz. Chạy mô phỏng cấu hình xoay tròn
với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu được hình ảnh
hiển thị màu như sau:
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến:
Hình 3.13 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ L
Tọa độ cực đại và cực tiểu:
Hình 3.14 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ L
Ta nhận thấy tại cấu hình chữ L tín hiệu cũng chưa có cải thiện nhưng có 1 ưu
điểm đó là bố trí theo 2 trục tọa độ sẽ dễ đặt chính xác góc 90o giữa 2 thanh cảm biến
hơn, tiện lợi cho quá trình gia công sản phẩm.
3.2.2 Cảm biến thanh cải tiến
Theo 3 cách bố trí trên ta đã có thể chế tạo sản phẩm cảm biến 2D nhưng tín hiệu lại không lớn, chính vì vậy nên ta tiến hành cải tiến cấu hình để lượng đường sức tập trung vào thanh cảm biến lớn hơn. Ta cấu hình lại các đầu cho thanh cảm biến để tăng lượng đường sức đi qua thanh.
- Cấu hình chữ thập có đầu nhọn
xúc với không gian, quay trong từ trường ngoài quanh trục Oz. Chạy mô phỏng cấu
hình xoay tròn với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu
được hình ảnh hiển thị màu như sau:
Hình 3.15 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến:
Hình 3.16 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn
Tọa độ cực đại và cực tiểu:
Hình 3.17 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hiệu số Beff của cảm biến khi gắn thêm đầu nhọn là 0.1153 T đã tăng lên hơn so
với cấu hình chữ T ở trên là 0.0115 T mà thể tích thì tương đương với cấu hình này. Nhận thấy rằng cấu hình có đầu với diện tích lớn hơn sẽ thu nhận nhiều đường sức hơn, ta cải tiến hình dạng đầu cho thanh cảm biến.
- Cấu hình chữ thập dạng tai
Tương tự tiến hành với cấu hình chữ thập để thể tích là nhỏ nhất. Hai thanh cách nhau 1mm, hai đầu mỗi thanh cấu hình dạng tai để tăng cao diện tích tiếp xúc với không gian, quay trong từ trường ngoài quanh trục Oz. Chạy mô phỏng cấu hình xoay
tròn với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu được hình
ảnh hiển thị màu như sau:
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến:
Hình 3.19 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập dạng tai
Tọa độ cực đại và cực tiểu:
Hình 3.20 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập dạng tai
Hiệu số Beff của cấu hình này rất cao đạt đến 0.5136 T, tín hiệu cao gấp 4,45 lần
so với dạng đầu nhọn. Đây là cấu hình có tín hiệu cao nhất trong tất cả các cấu hình 2D đã mô phỏng ở trên, tuy vậy mặt hạn chế lớn nhất là về kích thước cảm biến này lớn hơn nhiều so với các cấu hình đã mô phỏng. Nếu ứng dụng trong các thiết bị định vị không yêu cầu tính di động thì cấu hình này sẽ cho tín hiệu đầu ra lớn và chính xác nhất.
quan đến định vị của vật thể bay trong không gian thì đòi hỏi sự ra đời của các cảm biến
3D. Yêu cầu đặt ra cho các cảm biến lúc này là phải đo được đồng thời cả 3 thành phần
từ trường Hx, Hy và Hz trong một hệ tọa độ không gian để xác định độ lớn từ trường
tổng cộng và hướng của từ trường trái đất tại một vị trí bất kỳ trong không gian. Nói cách khác thì với cảm biến 2D ta chỉ xác định được độ từ thiên nhưng với cảm biến 3D có thể xác định thêm độ từ khuynh.
Chúng ta sẽ mô phỏng 2 cấu hình 3D mang những ưu điểm của cấu hình 2D đã nêu trên. Cảm biến 3D sẽ có bố trí 3 thanh cảm biến 1D dọc theo 3 trục của hệ trục tọa độ Decac.
3.3.1 Cảm biến 3D không tai
Ta bố trí 3 thanh cảm biến dọc theo 3 trục tọa độ, các thanh cách nhau 1mm, quay trong từ trường ngoài quanh trục Oz và trục Ox. Chạy mô phỏng cấu hình xoay
tròn với bước quay 15o trong mặt phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu được hình
ảnh hiển thị màu như sau:
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến quanh trục Oz:
Hình 3.22 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh trục Oz
Tọa độ cực đại và cực tiểu:
Hình 3.23 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Oz
Khi tiến hành quay theo trục Oz, ta chỉ khảo sát được 2 thanh cảm biến nằm trên mặt phẳng Oxy, vì vậy nên ta tiếp tục mô phỏng quay cấu hình theo trục Ox để khảo sát mật độ từ thông trên thanh cảm biến đặt dọc theo trục Oz.
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến quanh trục Ox:
Hình 3.24 Đồ thị giá Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh trục Ox
Tọa độ cực đại và cực tiểu:
Hình 3.25 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Ox (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ba đường đồ thị của cả đồ thị Hình 3.22 và Hình 3.24 đều có dạng hình sin, trong đó thì có 2 thanh cảm biến có hiệu ứng từ - điện rõ ràng thể hiện rõ giá trị biên độ của Mag B, đó là 2 thanh được bố trí quay trong từ trường theo phương từ hóa dễ còn thanh còn lại biên độ nhỏ do nó được bố trí theo phương từ hóa khó, hiệu ứng từ - điện nhỏ. Từ các biểu hiện về hiệu ứng trên 3 thanh mà từ đó ta có thể lập được chính
xác vector từ trường ngoài �⃗⃗⃗⃗⃗� trong không gian. Về mặt hiệu số Beff để xét về độ nhạy
cảm biến thì
cả 2 cách quay cảm biến theo phương nằm ngang (quay theo trục Oz) hay phương thẳng đứng (quay theo trục Ox) với từ trường ngoài đều cho tín hiệu ổn định và như nhau cỡ 0.093 - 0.095 T. So với kết quả của cấu hình 2D thì ta thấy tín hiệu của cảm biến 3D
3.3.2 Cảm biến 3D có tai