5.2.2.c Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào góc định hướng
5.2.3. Tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục
Trong quá trình đo đạc thực nghiệm, một hiện tượng thực tế đã xuất hiện đó là sự biến đổi của tín hiệu lối ra theo góc phương vị mặc dù tuân theo quy luật hàm số cosine nhưng không đối xứng qua trục hoành (hình 5.12). Sử dụng các phương pháp ngoại suy, luận án thấy rằng toàn bộ đồ thị bị ”dâng” lên một
khoảng 100 mV. Hay nói cách khác là đồ thị đối xứng qua đường thẳng Voffset =
100 mV.
Hình 5.12: Hiện tượng dâng nền (zero offset) của tín hiệu lối ra của cảm biến từ trường 1D
Đây chính là phần đóng góp nền vào cảm biến. Điều này có nghĩa là tín
hiệu lối ra của cảm biến vẫn có giá trị bằng Voffsetngay cả khi không có từ trường
ngoài tác dụng. Bây giờ sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào góc phương vị được mô tả bởi công thức:
𝑉 = 𝑉0𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 (5.4)
Giá trị Voffset được xác định là khoảng cách từ trục hoành đến trục đối xứng
của đường cong tín hiệu (hoặc trung bình cộng của tín hiệu lối ra cực đại và cực tiểu).
Hiện tượng dâng nền (hay zero offset) được giải thích là do ngay cả khi không có từ trường ngoài tác dụng (từ trường một chiều) thì vẫn còn đóng góp
của từ trường xoay chiều kích thích do cuộn solenoid tác dụng. Do tác dụng của từ trường xoay chiều nên cảm biến vẫn xuất hiện tín hiệu lối ra ngay cả khi không có từ trường ngoài. Một cách khắc phục hiện tượng dâng nền đó là giảm cường độ từ trường xoay chiều kích thích. Tuy nhiên cách này lại đồng thời làm giảm đáng kể độ lớn của tín hiệu lối ra và dẫn đến sự suy giảm độ nhạy của cảm biến mà vẫn không thể triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dâng nền.
Hình 5.13: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế lối ra có offset vào góc phương vị khi được kích thích bởi hai từ trường xoay chiều ngược pha nhau (hAC và –hAC)
Do đó, luận án đã đưa ra phương án thứ hai để có thể khắc phục hiện tượng dâng nền mà không ảnh hưởng đến độ lớn tín hiệu hay độ nhạy của cảm biến. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là khi đảo pha từ trường xoay chiều kích thích thì hiện tượng dâng nền giữ nguyên còn tín hiệu lối ra do tác dụng của từ trường một chiều thì đảo pha (giá trị đảo dấu từ giá trị dương sang âm và ngược lại) (hình 5.13). Theo phương pháp này, đường cong tín hiệu cho ta hàm dao động tuần hoàn theo công thức:
𝑉(ℎ𝑎𝑐) = 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡+ 𝑉0𝑐𝑜𝑠𝜑 (5.5)
Do vậy, tín hiệu nền có thể được xác định chính xác bằng thực nghiệm theo công thức:
𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 =𝑉(ℎ𝑎𝑐) + 𝑉(−ℎ𝑎𝑐) 2
(5.7)
Phương pháp trừ nền này hoàn toàn có thể được giải quyết thông qua các mạch điện tử tích hợp. Các mạch điện tử cho phép cung cấp nguồn nuôi solenoid, đảo cực nguồn nuôi, ghi nhận tín hiệu lối ra, tính toán giá trị dâng nền và trừ nền tín hiệu, chuyển đổi giá trị tín hiệu lối ra thành góc phương vị.
Các nghiên cứu tính chất của cảm biến từ trường 1D cho thấy đây là thiết bị cho phép xác định chính xác cường độ từ trường trái đất theo một mặt phẳng bất kỳ và góc định hướng của cảm biến so với phương hình chiếu của từ trường trái đất trong mặt phẳng đó. Cảm biến này có độ nhạy từ trường là 653,215
mV/Oe, độ phân giải từ trường là 3.10-4 Oe và độ phân giải góc là ~ 10-2 độ. Cảm
biến này có các thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể so sánh được với các cảm biến từ trường thương phẩm trong khi giá thành được đánh giá là rẻ hơn rất nhiều bởi công nghệ chế tạo vô cùng đơn giản. Tuy nhiên cảm biến từ trường 1D vẫn còn tồn tại một số nhược điểm là không thể xác định đồng thời cường độ từ trường trái đất và góc định hướng chỉ thông qua một phép đo và độ nhạy góc không đồng nhất. Vì các lý do trên, luận án đã tiến hành nghiên cứu và cải tiến cảm biến 1D thành cảm biến 2D. Cảm biến 2D cho phép khắc phục tốt các nhược điểm tồn tại của cảm biến 1D.