Cảm biến từ trường đơn giản nhất để xác định hướng của VTT chính là kim nam trong la bàn từ mà ta đã biết. Để có thể tự động lấy ra những thông tin về sự thay đổi hướng chỉ của kim la bàn, người ta thay kim nam châm bằng cuộn từ (nam châm điện), thông tin lấy từ cuộn nam châm điện được lấy ra theo nguyên lý cảm ứng từ. Dưới đây ta điểm qua một số dụng cụ đo từ trường hiện đại mà thường gọi là đầu dò hay bộ đo từ trường.
a) Đầu dò từ trường
Để sử dụng các dữ liệu về hướng của VTT trong các hệ thống tự động điều khiển cách tốt nhất là các dữ liệu này cần nhận được dưới dạng tín hiệu điện. Với mục đích đó, từ những năm 40 thế kỷ XX người ta đã sử dụng rộng rãi đầu dò từ trường, ví dụ như đầu dò từ trường bão hòa [15].
Nguyên lý hoạt động của đầu dò từ trường cũng giống như bộ khuếch đại từ. Trên một lõi từ hở bao gồm 2 thanh nam châm vĩnh cửu, người ta quấn 2 cuộn cảm ứng. Một trong hai cuộn là cuộn kích thích, cuộn còn lại là cuộn đo. Đi qua cuộn kích thích người ta đưa dòng xung có chu kỳ lặp lại. Khi không có từ trường bên ngoài (không có xung qua cuộn kích thích) trong cuộn đo sẽ không có suất điện động cảm ứng (ЭДС). Từ trường bên ngoài sẽ phá vỡ sự đối xứng của các cuộn, kết quả ở đầu ra cuộn đo sẽ xuất hiện các xung cực tính xen kẽ (xung đổi dấu tuần tự), biên độ của chúng mang thông tin về cường độ từ trường bên ngoài.
Độ nhạy cao, kích thước hình học nhỏ (vài milimet), không đòi hỏi phải có phần tử chuyển động là những đặc trưng cơ bản minh chứng cho việc sử dụng rộng rãi các loại đầu dò từ trường trong các hệ thống định hướng dẫn đường.
Một hệ thống có 3 đầu dò từ trường như trên, bố trí vuông góc nhau tạo nên một hệ tọa độ đề-các thuận cho phép ta xác định một cách đầy đủ từng
thành phần của VTT, tức là tạo thành bộ vector đo VTT. Để có thể ứng dụng trong tính toán, các kết quả đo, về nguyên tắc, cần phải chuẩn hóa, tức là vector đo được cần phải quy về vector đơn vị.
b) Cảm biến điện từ-trở - AMR (Anisotropic Magneto-Resistive)
Từ trường vô hướng có trong
một số vật liệu sắt từ và có thể được tạo thành một dải mỏng để trở thành điện trở mà sau này ta gọi là từ - trở*
(AMR). Một số hãng trên thế giới bằng công nghệ tiên tiến đã nghiên cứu và sản xuất thành công các cảm biến từ-trở bằng các vật liệu
Permalloy (NiFe) để tạo thành một từ-trở hình 2.4, [19].
Mỗi phần tử từ-trở được chế tạo bằng vật liệu Permalloy trên một tấm mỏng hai đầu của chúng được kết nối với bên ngoài bằng vật liệu mạ kim loại. Đặc điểm của vật liệu này là khi ta cho dòng điện chạy qua tấm fim mỏng đó và đặt chúng trong một môi trường có từ trường thì điện trở trong của chúng bị thay đổi tỉ lệ bình phương với cos. Ở đây góc là góc hợp bởi giữa chiều của dòng điện cháy qua (I) với hướng của
từ trường tác dụng (M).
Quan hệ giữa giá trị điện trở trong của từ-trở với hướng vector từ trường được thể hiện trên (hình 2.5).
Để tạo ra cảm biến từ các phần tử AMR, người ta sử dụng 4 phần tử AMR được bố trí dưới dạng hình kim cương với các đầu kết nối với
Hình 2.4 Phần tử từ-trở cơ bản.
Hình 2.5 Quan hệ giữa giá trị điện trở so với hướng từ trường.
nhau bằng mạ kim để tạo thành cầu Wheatstone). Các đầu nối trên cùng và dưới cùng của bốn phần tử giống nhau được cấp điện áp một chiều (DC) kích thích trực tiếp dưới dạng nguồn nuôi (Vs), hai đầu nối còn lại dùng để đo. Khi không có từ trường bên ngoài tác động (0 gauss), các điện áp trên các phần tử này có cùng một giá trị, ngoại trừ một điện áp nhỏ do dung sai sản xuất các phần tử AMR. Với các phần tử AMR kết nối theo cách này để tạo thành cầu Wheatstone sẽ tạo ra một điện áp vi sai (ΔV) tỉ lệ với MR và góc ϴ tạo bởi giữa dòng điện chạy trong phần tử từ hóa với hướng của vector từ trường (M). Hình 2.6 mô tả cầu cảm biến Wheatstone.
Trên cơ sở các nguyên lý cảm biến trên, người ta chế tạo ra được các IC cảm biến từ trường theo một, hai hoặc ba trục tự do. Các cảm biến này có thể được sử dụng vào mục đích chỉ thị hướng như các la bàn hoặc kết hợp với các con quay 2 bậc tự do để đo vận tốc góc.
Để đảm bảo cho các cảm biến này có độ nhạy cao nhất trong quá trình đo yêu cầu hướng của từ tính do các vật liệu từ vô hướng tạo ra phải được sắp xếp theo một hướng xác định giống như băng từ catsset trước khi ghi. Thông thường hướng từ tính ban đầu của các cảm biến từ- trở này được thiết lập tại nhà máy
sản xuất. Tuy nhiên trong quá trình đo đạc các cảm biến này chịu tác động Hình 2.6 Cầu từ trở Wheatstone
của từ trường mạnh bên ngoài vượt quá 10-20 gauss "phá vỡ" giới hạn đo làm giảm độ nhạy của cảm biến. Để đưa miền từ tính về hướng thiết lập ban đầu, hãng HoneyWell đã phát minh ra phương pháp đặt vòng dây khử từ bên trong IC và sử dụng các xung set/reset để khử từ dư và đưa các từ trường vô hướng của các phần tử cảm biến về một hướng xác định đảm bảo cho độ nhạy của cảm biến là cao nhất, điều đó được thể hiện ở hình 2.7.
c) Cảm biến từ trường 3 trục công nghệ cao
Hình 2.8 mô tả hình dạng một loại cảm biến từ trường công nghệ cao ký hiệu HMC2003 có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực hàng không [18].
Thông số kỹ thuật
+ Hãng sản xuất Honeywell – USA; + 20 chân, dạng DIP rộng (1x0,75inh); + Đo chính xác theo 3 trục (3-axis); + Tín hiệu đầu ra chuẩn Analog;
+ Dải đo từ 40 micro-gauss đến ± 2 gauss; + Điện áp đầu ra tương ứng 1 Volt/gauss; (2.5v tương ứng với 0 gauss)
+ Trên board có điện áp chuẩn (điện áp tham chiếu) 2,5V;
+ Nguồn cung cấp đơn cực dải 6 15VDC; + Vật liệu có từ tính rất nhỏ;
+ Nhiệt độ hoạt động trong dải từ -40° đến 85°C
Đặc tính kỹ thuật và sử dụng
Cảm biến từ trường Honeywell HMC2003 (hình 2.8) là loại cảm biến có độ nhạy cao theo 3 trục, được tích hợp từ bộ cảm biến lai. Điểm mạnh của nó là để đo từ trường có giá trị nhỏ. Cảm biến từ-trở (HMC1001 và HMC1002) là loại nhạy nhất của Honeywell được sử dụng để thiết kế HMC2003 đảm bảo
Hình 2.8 Hình dạng bên ngoài của HMC2003
độ tin cậy, độ chính xác của từ kế. Trong IC có nguồn tham chiếu, cho phép chọn hệ số khuếch đại và vùng điện trở bù,làm giảm ảnh hướng của tác động nhiễu loạn không mong muốn. Đầu ra có sử dụng các bộ lọc thông thấp 1kHz cùng với mạch khuếch đại đảm báo các phép đo chính xác khi có nhiễu.
Trong cảm biến HMC2003 sử dụng ba bộ cảm biến permalloy từ-trở (AMR) để đo cường độ và hướng của từ trường theo 3 trục. Cảm biến dạng IC này lý tưởng cho các ứng dụng cần phải đo từ trường theo hai hoặc ba trục.
Cảm biến từ trường HMC2003 có thể bị ảnh hưởng bởi các nguồn từ trường mạnh, tạm thời làm tín hiệu đầu ra bị suy giảm. Để loại bỏ hiệu ứng này, và đảm bảo tín hiệu đầu ra nhận giá trị lớn nhất, trong chíp có sử dụng chế độ set/reset (các chân SR+ và SR-) loại bỏ tác dụng của từ dư.