Tín hiệu đo lường từ cảm biến được đưa qua IC đo lường INA128 để khuếch đại và IC OPA2350 để lọc nhiễu.
Để kiểm tra hoạt động của các khối chức năng này, tín hiệu từ đầu đo cảm biến được kích thích bởi khối AD9850 phát xung sin đã được kiểm tra trước và sau khi đi qua mạch đo lường và lọc nhiễu để so sánh đối chiếu. Trên Hình 3.16 là ảnh chụp màn hình phổ tín hiệu lối ra trực tiếp từ đầu đo cảm biến trước khi cho đi qua mạch lọc. Nhìn vào hình ảnh này có thể thấy rất rõ nét có đóng góp của nền nhiễu khiến cho tín hiệu bị thăng giáng dao động xung quanh tín hiệu chính. Để có thể đánh giá rõ hơn đóng góp nền nhiễu này, số liệu đã được truy xuất và vẽ đồ thị phân tích phổ trên Hình 3.17 cho thấy sự xuất hiện nhiều đỉnh phụ với các tần số khác nhau ngoài tần số dao động của tín từ từ cảm biến. Trong đó, đóng góp nhiều nhiều nhất quan sát thấy tại tần số 50 Hz của điện lưới với cường độ lớn hơn so với tín hiệu thực từ cảm biến. Các tần số nhiễu khác rơi vào các họa ba tần số là bội số nguyên lần của tần số xung tín hiệu. Chính vì vậy, việc lọc nhiễu là không thể thiếu được cũng là khối chức năng vô cùng quan trọng quyết định đến độ phân giải và độ nhạy của thiết bị la bàn.
32
Hình 3.15. Ảnh chụp màn hình dao động ký tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến không qua mạch thu, lọc và khuếch đại tín hiệu với kích thích tại tần số 97,69 kHz sử dụng khối
phát xung sóng sin
Hình 3.16. Kết quả phân tích phổ sử dụng dao động ký được vẽ sử dụng phần mềm origin với tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến không qua mạch thu, lọc và khuếch đại tín hiệu
với kích thích tại tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin
Hoạt động của khối chức năng lọc nhiễu đã được kiểm chứng sau khi tính hiệu từ đầu đo cảm biến được đi qua mạch thu và lọc nhiễu. Kết quả chụp màn hình được đưa ra trên Hình 3.17 cho thấy hiện tượng thăng giáng không còn quan sát thấy như khi đo trực tiếp trên đầu đo cảm biến Hình 3.15. Kết quả phân tích phổ trên Hình 3.18 cho thấy rõ các đỉnh phụ hòa ba đã bị lọc hoàn toàn ngay cả nhiễu điện lưới 50 Hz Chỉ còn lại duy nhất tín hiệu thu được từ cảm biến được khuếch đại với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) là rất lớn, đạt
33
trên 50 dB. Kết quả thu được của tầng khuếch đại đo lường hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đặt ra từ ban đầu.
Hình 3.17. Ảnh chụp màn hình dao động ký tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến sau khi qua mạch thu, lọc và khuếch đại tín hiệu với kích thích tại tần số 97,69 kHz sử dụng khối
phát xung sóng sin
Hình 3.18. Kết quả phân tích phổ sử dụng dao động ký được vẽ sử dụng phần mềm origin với tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến sau khi qua mạch thu, lọc và khuếch đại tín hiệu
với kích thích tại tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 3.6.1.c. Khối so pha
Do khối chức năng INA128 chỉ có khả năng đo độ lớn tín hiệu mà không đo được dấu của tín hiệu nên cần phải tích hợp thêm một khối chức năng TL084 để xác định pha cho phép kết hợp phát hiện đồng thời cả độ lớn và dấu của tín hiệu điện áp của cảm biến. Việc nhận biết pha được thực hiện thông qua thuật toán chuyển đổi từ xung hình sin sang TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
34
xung hình vuông và so sánh sự thay đổi tín hiệu theo chiều hướng tăng hoặc giảm để xác định dấu cho tín hiệu đo.
Trên Hình 3.19 là kết quả số liệu đo được truy xuất trực tiếp thông qua ghép nối với máy tính khi cho đầu đo cảm biến quay xung quanh một trục thẳng đứng trên mặt phẳng nằm ngang sử dụng hệ mâm quay tự động. Đường cong thay đổi dạng sin quan sát được chính là tín hiệu của cảm biến sau khi đi qua bộ thu và lọc nhiễu. Tín hiệu đo được chỉ cho thông tin độ lớn mà không có thông tin về pha (tương ứng với đảo dấu của tín hiệu). Đường dạng xung vuông trên đồ thị này chính là tín hiệu pha sau khi qua thuật toán tính pha, trong đó, khi pha nhận giá trị 1 tương ứng giá trị dương của tín hiệu cảm biến và giá trị 0 tương ứng với giá trị âm của tín hiệu cảm biến. Sự khác nhau về độ lớn giữa các đỉnh tín hiệu trên cùng một đơn cảm biến chính là đóng góp của thế nền offset như đã trình bày trong phần 3.4.2 ở trên.
Hình 3.19. Tín hiệu đo trực tiếp từ khối đo lường và lọc nhiễu (đường xung dạng sin) và tín hiệu pha thu được từ khối TL084 (xung vuông) đo đồng thời trên 2 thanh cảm biến
đơn Sensor 1 và Sensor 2 trên cùng một đầu đo cảm biến 3.6.1.d.Chuẩn hóa trừ nền
Để tính toán được góc định hướng la bàn thì tín hiệu đưa vào thuật toán tính góc phải được trừ thế nền. Để làm được việc này, vi xử lý STM32 sẽ có chức năng nhận biết các các trị cực đại khi thực hiện thao tác chuẩn hóa bằng cách quay cảm biến ít nhất hết một
35
vòng trong mặt phẳng nằm ngang với mục đích ghi nhận tín hiệu cảm biến khi đi qua cực Bắc và Nam từ trường trái đất. Trong quá trình chuẩn hóa, tốc độ lấy mẫu rất cao (10.000 mẫu/giây) đã được thực hiện để đảm bảo độ chính xác của tín hiệu với thời gian thực. Tín hiệu cực đại (mang dấu dương) được ghi nhận sẽ gán giá trị VNorth và Tín hiệu cực tiểu (mang dấu âm) được ghi nhận sẽ gán giá trị VSouth. Từ 2 giá trị ghi nhận được, tín hiệu thế nền offset và các giá trị tỉ đối S1, S2 sẽ được tính toán sử dụng công thức (3.2) và (3.3) để xây dựng thuật toán.
3.6.1.e. Thuật toán tính góc và chạy thử nghiệm thiết bị
Dựa theo thuật toán tính góc đã được đưa ra trong phần 3.4.3 ở trên, chương trình tính góc đã được xây dựng đưa vào mạch nạp. Kết quả chạy thử nghiệm với chương trình được viết được đưa ra trên Hı̀nh 3.20. Đo trong dải đo nhỏ cho thấy với bước đo góc giữa các điểm đo là 0,5 độ, số liệu đo được từ cảm biến có thể khẳng định độ phân giải của la bàn có thể đạt tới 0,2 độ. Giá trị này có thể so sánh với độ phân giải của các la bàn điện tử hiện đại nhất hiện nay.
Hı̀nh 3.20. Đo kiểm hoạt động của thiết bị la bàn điện tử sau khi đóng gói hoàn thiện: (a) vẽ trong toàn dải đo 0-360 độ, (b) vẽ trong dải góc nhỏ 0-10 độ
36
Đóng gói hoàn thiện thiết bị theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp
Sử dụng phần mềm mạch được thiết kế và mô phỏng thử nghiệm sử dụng phần mềm Altium Designer các khối chức năng đã được thiết kế, lắp ráp đóng gói trong một vi mạch có kích thước dàirộng là 14,58 cm2. Trên Hı̀nh 3.21 là bản thiết kế 3D mạch điện tử của đầu đo la bàn. Đầu đo cảm biến sau khi được đóng gói hoàn thiện được tích hợp với mạch điện tử và màn hình hiển thị LCD Graphic LCD123864 thông minh điều khiển cảm ứng. Sản phẩm tích hợp hoàn thiện bao gồm đầu đo cảm biến và mạch điện tử được chụp trên Hı̀nh 3.22. Toàn bộ thiết bị được đóng hộp trong một vỏ bảo vệ không từ PE được nuôi bằng một nguồn pin sạc hoặc bằng một nguồn nuôi 5V (Hı̀nh 3.23). Màn hình hiển thị LCD tự thiết kế (Hı̀nh 3.24) với đầy đủ thông tin hiển thị bao gồm kim đồng hồ quay, góc hiển thị dạng số, lượng pin sử dụng và menu điều khiển cảm ứng.
Hı̀nh 3.21. Hình minh họa main của la bàn
37
Hı̀nh 3.22. Mạch điện tử được lắp ráp hoàn thiện của la bàn
Hı̀nh 3.23. La bàn sau khi được đóng gói hoàn thiện
Hı̀nh 3.24. Giao diện hiển thị màn hình LCD được thiết kế cho la bàn
Công suất tiêu thụ của mạch đo trực tiếp thông qua đo dòng tiêu thụ thực tế trên từng module và trên toàn thiết bị với nguồn điện áp cấp 5V cho kết quả như sau:
- Công suất tiêu thụ trên mạch điện tử: 1W (trong đó riêng module phát để kích thích cho đầu đo cảm biến tiêu thụ khoảng 50% trong tổng số công suất này)
- Công suất tiêu thụ trên màn hiển thị LCD: 2W
So với các cảm biến thương mại thì công suất tiêu thụ thường dao động cỡ 0,1 W, thiết bị này công suất tiêu thụ vẫn còn lớn giới hạn trong trường hợp sử dụng pin. Hướng nghiên cứu này sẽ tiếp tục triển khai theo hướng thu nhỏ thiết bị và linh kiện và giảm công suất tiêu thụ cho hệ và đóng gói hoàn thiện sản phẩm theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp để hướng tới thương mại hóa sản phẩm.
38 KẾT LUẬN
Luận văn đã nghiên cứu và phát triển hoàn chỉnh Công nghệ chế tạo sensơ góc 2D dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện và và la bàn điện tử:Sensơ đã được tích hợp với mạch điện tử hoàn chỉnh, bao gồm cả hệ thống khuếch đại lock-in số và các bộ biến đổi để tín hiệu lối ra được ghép nối máy tính và hiển thị góc phương vị và góc ngẩng... của ăng-ten khi cảm biến quay trong từ trường trái đất. Hệ thống mạch điện tử tạo và hoạt động với nguồn sóng sin ở 100 kHz. Việc khuếch đại tín hiệu đo lường, lọc nhiễu tín hiệu, kết nối với vi xử lý đã được thực hiện hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu của la bàn điện tử với độ phân giải 10-1 độ.
Các kết quả đạt được của luận văn bao gồm:
La bàn điện tử đã được thiết kế và chế tạo bao gồm 2 mô đun: khối cảm biến và khối điện tử.
Khối cảm biến 2D thực chất là tổ hợp 2 cảm biến 1D đơn trục đặt vuông góc với nhau, có độ hệ số chuẩn hóa k ~ 200 mV/Oe và tần số cộng hưởng trong khoảng f ~ 100 kHz. Độ phân giải góc tốt hơn 0,2 độ. Tín hiệu cảm biến được xử lý offet và chuẩn hóa trực giao.
Khối cảm biến hoạt động trên cơ sở nguyên lý khuyếch đại lọc lựa, bao gồm khối phát xung tạo tín hiệu (chuẩn) cao tần nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích; khối đo lường và chuẩn hóa tín hiệu và khối hiển thị, giao tiếp. Khối phát xung được thiết kế sử dụng vi mạch module AD9850. Tín hiệu đo lường từ cảm biến được đưa qua IC đo lường INA128 để khuếch đại và IC OPA2350 để lọc nhiễu. Đầu đo cảm biến sau khi được đóng gói hoàn thiện được tích hợp với mạch điện tử và màn hình hiển thị LCD Graphic LCD123864.
La bàn điện tử chế tạo được đáp ứng yêu cầu phục vụ được cho các mục đích định vị dùng cho các ngành công nghệ khác nhau đặc biệt trong ngành Hàng hải.
Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn nằm trong đề tài nghiên cứu Mã số QG. 15.28 của Đại học Quốc gia Hà nội.
39
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo- áp điện dạng tấm có cấu trúc nano, luận văn thạc sĩ, Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN.
Nguyễn Thị Ngọc (2012), Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường Trái đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ-điện cấu trúc Micro-Nano, luận văn thạc sĩ, trường Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN.
Nguyễn Xuân Toàn (2010), Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu multiferroics Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc Micro-Nano, luận văn thạc sĩ vật liệu và linh kiện nano, luận văn thạc sĩ trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN.
Đồng Quốc Việt (2013), Ứng dụng công nghệ Micro-Nano chế tạo tổ hợp cảm biến từ, luận văn thạc sĩ, trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN.
Tiếng Anh
APC International Ltd datasheet: http://americanpiezo.com/piezo_theory/
Ballas R.G., (2007), Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators, Springer- Verlag Berlin Heidelberg.
Baschirotto A., Borghetti F., Dallago E., Malcovati P., Marchesi M., Melissano E., Siciliano P., Venchi G, (2006), “Fluxgate Magnetic Sensor and Front-End Circuitry in a Integrated Microsystem”, Sensor and Actuators A, 132 (1 November), pp. 90- 97.
Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kiliba YU.V., Bukashev F.I., Smirnov A.YU., and Eliseev D.N., (2002) Ferroelectric, 280, 199.
Dixon R., (2015) Magnetic Sensors Market TrackerPrincipal Analyst MEMS & Sensors,
Edward R., (2006) Hall-Effect Sensors, Elsevier Inc. pp. xi. (ISBN 978-0-7506- 7934-3)
Joule J.P., Philosophical Magazine, 30 (1847) 76.
Landau D. and Lifshitz E., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, pp. 119.
40
Lenz J., Edelstein A.S., (2006), “Magnetic Sensors and Their Applications”, IEEE Sensors Journal, 6 (3 June), pp. 631-649.
Li Shu-hua, (1954), "Origine de la Boussole 11. Aimant et Boussole", Isis, 45 (2 July), pp. 175–196.
Lowrie, William, (2007), Fundamentals of Geophysics, London: Cambridge University Press. pp. 281.
Kreutz, Barbara M., (1973), "Mediterranean Contributions to the Medieval Mariner's Compass", Technology and Culture, 14 July, pp. 367–383.
MarketsandMarkets, (2016), PRNewswire, Pune India.
Needham, Joseph, (1962), Physics and physical technology, Cambridge University Press.
Racz R., Schott C., Huber S. (1962), Electronic Compass Sensor, IEEE sensors, pp. 1446
Ripka P., Tipek A., (2007), Modern Sensors Handbook, Wiltshire, UK.
Ripka P., (2008), Improvening the accuracy of magnetic sensors, Berlin, Germany. Perez L., Aroca C., Sánchez P., López E., Sánchez M.C., (2004), “Planar Fluxgate Sensor With an Electrodeposited amorphous core”, Sensors and Actuators A, 109 (3 January), pp. 208-211.
Zanetti L. J., Potemra T. A., Oursler D. A., Anderson B.J., Givens R.B., Wickenden D.K., Osiander R., Kistenmacher T.J., Jenkins R.E., (1998), “Miniature Magnetic Field Sensors Based on Xylophone Resonators”, Science Closure and Enabling Technologies for Constellation Class Missions, 25 (1 January) pp. 149-151 .