5.2.2.c Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào góc định hướng
5.2.5. Cảm biến đo từ trường trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện
Mặc dù cảm biến 2D được phát triển từ cảm biến 1D cho thấy khả năng hoạt động và tiềm năng ứng dụng rất cao. Tuy nhiên thiết bị này vẫn còn có nhược điểm cần khắc phục. Nhược điểm của thiết bị này là chỉ có thể xác định được cường độ từ trường trái đất và góc định hướng trong một mặt phẳng xác định. Trong khi các ứng dụng trong không gian liên quan đến vệ tinh, vũ trụ, viễn thám lại đòi hỏi khả năng xác định được cường độ từ trường trái đất tổng cộng và 3 góc định hướng trong không gian. Do đó việc nghiên cứu phát triển cảm biến từ trường 2D thành cảm biến từ trường 3D là cần thiết. Cảm biến từ trường 3D
cho phép xác định đồng thời cả ba thành phần H1, H2 và H3 trong một hệ tọa độ
không gian để từ đó có thể xác định được chính xác độ lớn từ trường tổng cộng và 3 góc định hướng của từ trường Trái đất tại một vị trí bất kì trong không gian.
Cảm biến từ trường trái đất 3D được chế tạo bằng cách tổ hợp 3 cảm biến từ trường trái đất 1D đặt theo 3 phương vuông góc nhau đôi một. Theo các thiết
của từ trường trái đất theo 3 phương vuông góc nhau. Cảm biến từ trường trái đất 3D đã được luận án chế tạo thành công theo ý tưởng thiết kế trên (hình 5.7b).
Từ các thành phần cường độ từ trường trái đất theo 3 phương khác nhau
(H1, H2, H3), cường độ từ trường Trái đất trong mặt phẳng nằm ngang (Hxy) có
thể được xác định thông qua công thức:
𝐻𝑥𝑦 = √𝐻12+ 𝐻22 (5.10)
và cường độ từ trường Trái đất tổng cộng được xác định thông qua công thức:
𝐻𝑡𝑜𝑡 = √𝐻12+ 𝐻22+ 𝐻32 (5.11)
Cũng với lý do tương tự như cảm biến 2D, các cảm biến đơn trên cảm biến 3D sẽ được giảm cường độ từ trường xoay chiều kích thích 3 lần so với cảm biến từ trường trái đất 1D. Việc làm này cho phép hạn chế ảnh hưởng nhiễu lẫn nhau của các cảm biến đơn mà không làm suy giảm nhiều tín hiệu lối ra. Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tương tự trên cảm biến từ trường 2D. Kết
quả cho thấy độ nhạy của các cảm biến đơn tương ứng có giá trị là k1 = 192,6
mV/Oe, k2 = 200,8 mV/Oe và k3 = 205,5 mV/Oe. Các giá trị độ nhạy này nhỏ
hơn 3 lần so với độ nhạy của biến 1D (653,2 mV/Oe) là phù hợp với việc giảm từ trường xoay chiều kích thích 3 lần.
Với các giá trị độ nhạy (hệ số chuyển đổi) trên, luận án đã tiến hành khảo sát khả năng xác định cường độ từ trường trái đất của cảm biến 3D. Phép đo
được thực hiện khi cảm biến 3D đặt sao cho cảm biến đơn S3 có phương thẳng
đứng (S1 và S2 nằm trong mặt phẳng nằm ngang) và quay cảm biến 3D xung
quanh trục quay thẳng đứng. Số liệu thực nghiệm được mô tả trên hình 5.17.
Đồ thị cho thấy tín hiệu lối ra trên cảm biến đơn S1 và S2 biến đổi theo quy
luật hàm số cosine và lệch pha nhau 900. Các kết quả này tương tự như kết quả
dạng đường thẳng (không đổi) là do quá trình quay xung quanh trục của S3 dẫn
đến thành phần từ trường trái đất dọc theo phương S3 có giá trị không đổi.
Từ kết quả thực nghiệm, cường độ từ trường trái đất theo phương nằm
ngang được xác định có giá trị là Hxy = 0,3994 Oe và phù hợp với các kết quả
khảo sát trên cảm biến 1D, 2D và trên các công bố quốc tế [90,105].
Hình 5.17 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 3 cảm biến vào góc phương vị trong hệ tọa độ vuông góc
Đối với cường độ từ trường trái đất tổng cộng, kết quả thực nghiệm cho
thấy có giá trị là Htot = 0,4465 Oe. Ngoài ra góc từ khuynh I của từ trường trái đất
tại vị trí đo đạc (Hà Nội, Việt Nam) được xác định thông qua biểu thức:
tan (𝐼) = 𝐻𝑧
𝐻𝑥𝑦
(5.12)
và có giá trị là I = 26,50 ± 0,10.
Sai số của góc từ khuynh có giá trị 0,10 là phù hợp với sai số của cường độ
từ trường có giá trị 10-4 Oe.
Các kết quả thực nghiệm xác định cường độ từ trường trái đất tổng cộng và giá trị góc từ khuynh tại nơi làm thí nghiệm được so sánh với các giá trị được công bố quốc tế [105] cho thấy một sự phù hợp rất tốt và khẳng định rằng cảm
biến từ trường trái đất 3D có khả năng rất tốt trong việc xác định từ trường trái đất và góc định hướng trong không gian.