3.4.1 Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc dựa vào tính chất “lõi bão hịa” nghĩa là các vật liệu có độ từ thẩm cao đƣợc sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ trƣờng đƣợc chọn trong một
vịng nhỏ (vài cm hoặc ít hơn) của anten, giống hệ thống anten vịng lõi đƣợc mơ tả ở trên. Sự khác nhau giữa hai hệ thống khơng chỉ là kích thƣớc của vịng mà cả tính chất (bão hòa) trễ từ đƣợc sử dụng trong các trƣờng dao động mạnh. Trƣờng này là tùy chọn, theo các hƣớng đối xứng (+) và (-), do trƣờng tự nhiên hiện tại. Cƣờng độ trƣờng địa từ tác động lên đầu dò, gây ra sự méo hài, đƣợc đo trên các vòng thứ cấp. Trong hầu hết các phiên bản đƣợc sử dụng của phƣơng pháp lõi bão hịa, chất lƣợng các phép đo có chứa thành phần hài thứ cấp của tần số kích thích đƣợc tạo thành trong khoảng bão hòa phi tuyến của cảm biến.
Hình 3.12
Trong hình 3.12, ta thấy một trƣờng địa từ bao quanh bên ngoài H0 chồng lên trên trƣờng kích thích hình sin của biên độ A. Các mối quan hệ về độ lớn nhƣ
0
H
A với A đƣợc điều chỉnh lớn hơn mức bão hịa cần thiết của lõi có độ từ thẩm cao. Các trƣờng có mức khơng đối xứng vì có thêm vào một trƣờng bao quanh H0, kết quả là làm méo dạng của sự thay đổi mật độ từ thông, sẽ tác động lên lõi của cuộn dây cảm biến thứ cấp. Sự thay đổi khơng chính xác của B sẽ biến đổi theo thời gian t nên không đối xứng theo trục thời gian, sẽ chứa nhiều hài trong phân tích
Fourier của nó. Ta có thể ƣớc lƣợng các thành phần đầu vào nhƣ sau:
Với He là trƣờng kích thích và a, b, c là các hằng số.
Hình 3.13 Từ kế lõi bão hoà
Các hài bậc 3 và bậc cao hơn của B(t) đƣợc xem nhƣ là nhỏ hơn hài bậc 2.
Với bộ lọc thơng dải thì hài bậc 2 của đầu ra đƣợc chọn để trở thành một phép đo của trƣờng bao quanh H0 sau khi so sánh nó với một hài thứ cấp nhân tạo không bị méo từ việc nhân đơi tần số của dao động kích thích ban đầu. Nhiều kỹ thuật xử lý điện áp hài thứ cấp và cảm biến pha khác nhau đƣợc sử dụng để tính H0.
Suất điện động ở lối ra của cuộn thứ cấp là Era: 0 2 e e ra . f .H dH d . B . k E (3.30) Trong đó: f2 = 2.fe fe là tần số của trƣờng kích thích. Be, He là cảm ứng từ và cƣờng độ từ trƣờng kích thích. H0: từ trƣờng ngồi cần đo µ: độ thẩm từ của lõi.
Để đo đạc các tín hiệu yếu, ta phải thực hiện các bƣớc đặc biệt để tăng khả năng tìm thấy hài thứ cấp. Một phƣơng pháp ví dụ là hai lõi song song nhau đƣợc tác động theo hai hƣớng ngƣợc chiều nhau trong một mạch kích thích trƣờng, tín hiệu ra lấy trên một cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh. Hai cuộn sơ cấp mắc xung đối làm triệt tiêu tín hiệu trong trƣờng hợp cân bằng. Ví dụ chỉ ra đƣợc mơ tả trong hệ thống hình 3.13, giúp phát hiện ra pha của hài thứ cấp. Với các lõi đƣợc lựa chọn
đặc biệt và có cấu trúc tốt thì độ nhạy có thể đạt đƣợc vài miligamma. Trong những năm gần đây, các lõi đƣợc thiết kế lại có hình dạng vịng với kích thƣớc khoảng vào centimet và các kích thích sẽ tác động lên vòng này.
Các thiết bị Fluxgate tƣơng đối nhạy. Khi cần làm việc ở những nơi có điện trƣờng thì Fluxgate thƣờng đƣợc chọn lựa. Chúng thƣờng đƣợc sử dụng trên các vệ tinh và hầu hết trong các đài thiên văn hiện đại. Từ kế Fluxgate không thật ổn định đối với thay đổi nhiệt độ, yêu cầu có kỹ năng điện tử trong kỹ thuật sửa chữa và đánh giá mức độ chính xác. Vấn đề này đƣợc giải quyết trong các đài thiên văn bằng cách chuẩn định kì bằng từ kế proton.
3.4.2 Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ
Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate đƣợc chúng tôi xây dựng theo sơ đồ khối nhƣ trên hình 3.14 “Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ”
Hình 3.14 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ
Phần quan trọng nhất của thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ là đầu dò (hay Sensor). Muốn cho sensor hoạt động thì cần phải có một tín hiệu dịng xoay chiều đủ cơng suất để ni nó. Do đó, phải cần có khối phát xung. Khối phát xung này có tác dụng tạo ra các xung vuông nhằm cung cấp một công suất cho đầu dò hoạt động. Dạng xung sau khối phát xung này không đều đặn. Mà để tạo ra dạng sóng sine thì ta cần phải có các xung đều đặn. Vì vậy, ta cần phải có khối chia tần để tạo ra các xung vng có độ trống bằng ½. Sau sensor là các khối khuếch đại tín hiệu và khối
Khối phát xung Chia tần Khối tạo sóng sine Khuếch đại cơng suất Khuếch đại Xử lý Chỉ thị SENSOR (đầu dò) ADC PC
xử lý. Khối khuếch đại cho phép khuếch đại các tín hiệu từ trƣờng rất nhỏ. Khối xử lý có tác dụng chỉnh lƣu tín hiệu xoay chiều thành một chiều. Sau khối xử lý, tín hiệu đƣợc đƣa ra khối chỉ thị để hiển thị các giá trị cần đo đạc. Nếu cần chính xác cao, tín hiệu sau khối xử lý có thể đƣợc ghép nối với PC thơng qua bộ chuyển đổi ADC để có thể ghi tự động. Khối ghép nối này có thể sử dụng những thiết bị có sẵn trong các phịng thí nghiệm.
CHƢƠNG 4 Kết quả thực nghiệm