5.2. Cam biến từ trường dựa trên băng từ Metglas có cấu trúc vô định
5.2.4. Cảm bién do góc dựa trên cảm biến do từ trường 2D
Như đã trình bày ở trên, luận án đã tiến hành cải tiến cảm biến 1D thành cảm biến 2D. Thực chất cảm biến 2D là tổ hợp của hai cảm biến 1D được đặt vuông góc nhau (hình 5.7a). Chỉ với phương pháp tích hợp cảm biến 1D đơn giản như trên, cảm biến 2D cho thay đã khắc phục tốt các nhược điểm của cảm biến 1D như là có thể xác định đồng thời cả cường độ từ trường và góc định hướng tại cùng một thời điểm (phép do theo thời gian thực) và cho độ phân giải góc ổn
định trên toàn dải đo.
127
Do cảm biến 2D là tổ hợp của hai cảm biến 1D nên có hai tín hiệu lối ra.
Tuy nhiên, do có hai cuộn solenoid đặt rất gần nhau nên chúng sẽ ảnh hưởng đến nhau và dẫn đến ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra. Do đó các cảm biến đơn trong cảm biến 2D đã được giảm từ trường xoay chiều kích thích 2 lần so với cảm biến
1D. Cảm biến 2D sau khi được chế tạo đã được khảo sát kha năng xác định cường độ từ trường trái đất và khả năng đo góc.
Kết quả thực nghiệm của khảo sát khả năng xác định cường độ từ trường của cảm biến từ trường 2D được thể hiện trên hình 5.14. So sánh với kết quả tương tự của cảm biến 1D cho thay một sự tương đồng tốt. Chỉ có một điểm khác biệt là độ lớn tín hiệu lối ra của cảm biến 2D giảm đi 2 lần. Điều này đã được đề
cập đên ở phân trên.
2 x T x T x—T T m—T— T
a )
(a) oe 200
£ #100 11E
> >
0 0
-100
ap = Cam biến 1 = Cảm biến 1
TINH ô * Cam biộn 2 200 * Cảm biộn 2 |
2 + + + + + + 4 + +
-20 -10 10 20 0,6 -04 -02 00 02 04 0,6
H (Oe) H (Oe)
Hình 5.14: Sự phụ thuộc cua tín hiệu lối ra vào cường độ từ trường của cảm biến 2D trong dải từ trường lớn (a) và trong dải từ trường trái đất (b)
Phân tích số liệu thực nghiệm, luận án tính toán được độ nhạy từ trường của hai cảm biến đơn trong cảm biến 2D có giá trị lần lượt là k; = 310,7 mV/Oe và kp = 308,2 mV/Oe và độ phân giải từ trường là 3.102 Oe. Sự sai khác rất nhỏ về giá trị độ nhạy từ trường của cảm biến đơn (< 0,8 %) chứng tỏ quy trình chế
tạo cảm biên có độ chính xác và độ ôn định cao.
Đối với quá trình khảo sát khả năng xác định góc định hướng của cảm biến từ trường 2D, phép đo được thực hiện khi quay cảm biến trong mặt phẳng năm ngang và được mô tả như trên hình 5.15.
128
Cảm biến S2
Góc phương vị
Cảm biến S1
Hướng Đông Hướng Bac
Phương thắng đứng
(Trọng trường)
Hình 5.15: Hình mình họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center), góc phương vị ọ trong phép do khảo sát góc của dau do
cảm biến từ trường 2D
Dé có thé ứng dung cảm biến trong định vị không gian, luận án đã sử dụng hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North — East —
Centre). Hệ tọa độ này bao gồm 3 trục cơ sở là Xz, Ye và Ze tương ứng với các trục hướng theo cực Bắc, hướng về phía Đông và hướng tâm về Trái đất. Theo hệ tọa độ này, gúc phương vị ứ là gúc giữa trục Xe với SĂ. Chiều dương là chiều kim
đồng hồ.
Sử dụng hệ tọa độ này cùng với phép quay cảm biến trong mặt phẳng ngang theo góc phương vi, số liệu thực nghiệm được thể hiện trên hình 5.16. Đồ thị biểu diễn trong hệ tọa độ vuông góc (hình 5.16) cho thấy tín hiệu lỗi ra của hai cảm biến lệch pha nhau một góc 90°. Kết quả này là phù hợp với thiết kế của hai cảm biến đơn đặt vuông góc nhau. Số liệu thực nghiệm được fit với hàm sé cosine cho kết quả sự phụ thuộc của tin hiệu lỗi ra vào góc phương vi là V¡ =
123,1.cosứ mV va V2 = 124,1.sing mV tương ứng với tớn hiệu thu được từ hai cảm biên.
Cường độ từ trường trái đất trong mặt phăng ngang được xác định thông
qua tín hiệu lôi ra và hệ sô chuyên hóa bởi phương trình:
(5.8)
Sử dụng các số liệu thực nghiệm kết hợp với công thức (5.8), cường độ từ
trường trái đất trong mặt phẳng ngang được xác định tại vị trí đo đạc (Hà Nội,
Việt Nam) có giá trị là Hy = 0,3994 Oe. So sánh kết qua này với kết quả thu được khi sử dụng cảm biến 1D được đưa ra trong phan trên và các kết quả của các nghiên cứu trước đây [90,93,105] cho thấy một sự phù hợp rất tốt.
Hình 5.16: Đô thị sự phụ thuộc của hiệu điện thé loi ra của 2 cảm biến don vào
góc phương vị
Đối với góc phương vị, giá trị này cũng được xác định thông qua các thành phần cường độ từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang H) và H;
theo công thức:
tang = a (3.2)H
1
Cụ thé hơn, giá trị chính xác của góc phương vị được xác định thông qua giá trị và dau của H; và H› thông qua bảng 5.2:
Bang 5.2: Liệt kê các công thức xác định góc phương vi trong toàn bộ dai đo
Cường độtừ |Hi=0 |Hi =0 Hi>0 Hi <0 Hi >0 H2>0 trường thành phan |H2 <0 |H2>0 H2 <0
Giá tri góc phương | 90° | 270° |-arctan(H2/H1) larctan(Hz/H)) 2n -
Vi arctan(H2/H1) 130
So sánh các kết quả góc phương vị thu từ thực nghiệm (kết hợp với bảng 5.2) với các kết quả thu được từ la bàn quân sự thương mại được cho thấy sự trùng khớp với nhau. Điều này khăng định rằng cảm biến từ trường 2D hoàn toàn
có khả năng xác định chính xác góc phương vị với độ chính xác và độ nhạy cao.
Các kết quả nghiên cứu trên cảm biến từ trường trái đất 2D cho thấy đây là một thiết bị có cấu tạo đơn giản (dẫn đến giá thành rẻ), phù hợp với công nghệ
chế tạo tại Việt Nam. Nhưng trên hết, đây là một thiết bị cho phép xác định chính xác cường độ từ trường trái đất trong một phang bat kỳ và góc phương vi thông qua duy nhất một phép đo (đo trong thời gian thực) và có độ nhạy, độ phân giải ồn định trên toàn bộ dai do. Tuy rang thiết bị này có cấu tao đơn giản nhưng độ nhạy và độ phân giải của thiết bị là hoàn toàn có thể so sánh được với các thiết bị cùng chức năng thương phẩm có công nghệ chế tạo phức tạp va giá thành cao hơn của nước ngoài. Các kết quả nghiên cứu này cho thấy cảm biến này có thê
được ứng dụng trên các thiết bị định vị thay thế cho la bản truyền thống.