5.2. Cam biến từ trường dựa trên băng từ Metglas có cấu trúc vô định
5.2.1. Thiết kế và chế tạo hệ thong cam bién do từ trường
116
Cảm biến từ trường 1D được thiết kế (hình 5.5) và chế tạo theo quy trình
sau:
VUVWW
ƒ0I!\Y\Ý mm. m-
Metglas SĐ —“
PZTW : 12
AAA
Hình 5.5: Cau tao của cảm biến từ trường 1D
i) Chuan bị vật liệu: 01 tam PZT và 02 tam Metglas có kích thước 15x1
mm.
ii) Chế tạo vật liệu tổ hợp: làm sạch bề mặt các tam vật liệu và kết dính chúng lại theo cầu hình sandwich.
iii) Gắn điện cực: hai điện cực được gắn lên bề mặt của tam PZT theo
phương phân cực.
iv) Chế tạo cuộn solenoid: cuộn solenoid được chế tạo băng cách quấn dây đồng (Cu) đường kính 80 pm bọc cách điện quanh ống nhựa có đường kính 1,8
mm và chiều dài 17 mm với mật độ dài là 10500 vòng/m.
v) Hoàn thiện cảm biến: vật liệu tụ hợp được đặt hoàn toàn trong lừi cuộn solenoid và tạo thành nguyên mẫu cảm biến từ trường ID
vi) Lớp vỏ bảo vệ: được chế tạo từ mika (không từ tính) có tác dụng bảo vệ toàn bộ cảm biến khỏi tác dụng bên ngoài nhằm tăng tudi tho và hiệu quả cua
cảm biến
Quá trình chế tạo cảm biến có thé được mô tả thông qua ảnh chụp trên
hình 5.6a và hoàn thiện trong hình 5.6b.
117
Hình 5.6: Thành phan cấu tao (a) và dau do của cảm biến từ trường 1D hoàn
thiện (b)
Vật liệu tổ hợp từ-điện sau khi được chế tạo bằng phương pháp kết dính cơ học được gắn điện cực và đưa vao trong lòng cuộn dây solenoid. Toàn bộ cảm biến được bảo vệ bằng lớp vỏ mika không từ tính.
Cảm biến từ trường 2D và cảm biến từ trường 3D cũng được chế tạo theo phương pháp tương tự cảm biến từ trường 1D. Hai và ba cảm biến từ trường 1D được chế tạo và đặt vuông góc nhau tạo thành cảm biến từ trường 2D và 3D
tương ứng được đưa ra trên hình 5.7a và hình 5.7b tương ứng. Toàn bộ hệ được
bảo vệ trong lớp vỏ làm bằng vật liệu mika không từ tính như trong
Hình 5.7: Dau do của cảm biến từ trường 2D (a) và 3D (b) hoàn thiện
118
5.2.2. Khảo sát các thông số làm việc của cảm biên
5.2.2.a. Tân số cộng hưởng
Tần số cộng hưởng là một thông số làm việc vô cùng quan trọng của cảm biến từ trường. Tần số cộng hưởng chính là tần số dao động riêng của vật liệu.
Trong phép đo khảo sát tan số cộng hưởng, từ trường một chiều được đặt có định một giá trị không đôi (Hac = 2 Oe) còn từ trường xoay chiều được thay đôi tan số liên tục từ 0 đến 250 kHz. Từ trường xoay chiều này được cung cấp bởi cuộn solenoid. Cuộn solenoid này được nuôi bằng nguồn phát chức năng (7265 DSP lock-in Amplifier). Nguồn phát chức năng này cũng đồng thời là thiết bi đo thé
lôi ra với chê độ lọc tân sô (chỉ đo thê lôi ra với cùng tân sô phát).
Tần số cộng hưởng được xác định bằng thực nghiệm thông qua phép đo sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào tần số của từ trường xoay chiều. Tần số cộng hưởng chính là giá trị tần số cho thế lối ra lớn nhất. Kết quả cho thấy cả 3 cảm biến 1D đều thu được tần số cộng hưởng có giá trị xung quanh giá trị 100 kHz.
Sự sai khác nhau rất nhỏ của tần số cộng hưởng là do sự sai khác nhau về kích thước của vật liệu tổ hợp từ-điện (sai số của thiết bị đo đạc). Một điều đặc biệt nữa là các đỉnh cộng hưởng của cả 3 cảm biến đều rất hẹp. Điều này tương đương với các cảm biến này có hệ số phâm chat tương đối lớn. Hệ số phẩm chat
của các cảm biên được xác định theo công thức:
_# (5.1)
=
với Af la độ rộng nửa đỉnh cộng hưởng va ƒ; là tan sô cộng hưởng.
Q
Các kết quả về tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chat tinh toán áp dung cho ba cảm biến khác nhau được đưa ra trong bảng 5.1.
Từ kết quả thực nghiệm thay rằng hệ số pham chất của các cảm biến là khá lớn có giá trị từ 63 đến 67. Điều này cho phép thiết kế các mạch lọc với độ
chính xác cao. Tần số cộng hưởng của cả 3 cảm biến là tương đương nhau với sai
sô < 0,6 %. Gia tri tân sô cộng hưởng xác định từ thực nghiệm được so sánh với
119
tần số cộng hưởng được tính toán từ lý thuyết (chương 4) cho thấy một sự phù hợp rất tốt. Theo lý thuyết, tần số cộng hưởng của cảm biến được xác định bằng
v In? 1m2
tum = 5 Tz Tựa (5.2)
Trong đó, v là vận toc pha của PZT, n và m là các sô nguyên nhận các giá
biểu thức:
trị (1,2,3 ...), L và W tương ứng là kích thước chiều dài và chiều rộng của mẫu.
Bang 5.1: Tổng hop tan số cộng hưởng và hệ số phẩm chất của các cảm biến 1D
Cảm biến 1 Cảm biến 2 Cảm biến 3
(S1) (S2) (S3)
Tần số cộng hưởng(kHz) 99.95 100.13 100.18 Hệ số pham chất 63 67 66
5.2.2.b. Tin hiệu cua cam bién phụ thuộc vào cường độ từ trường
Để tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cảm biến vào cường độ từ trường một chiều, hệ đo đã được thiết kế để sử dụng từ các thiết bị khác nhau. Theo hệ đo này, từ trường xoay chiều được cung cấp bởi cuộn solenoid và được nuôi bằng nguồn phát của lock-in. Tần số của từ trường xoay chiều được đặt tại giá tri tần số cộng hưởng của cảm biến. Từ trường một chiều được cung cấp bởi cuộn Hemlholtz (Lake Shore Model MH-2.5 Helmholtz) và được nuôi bằng nguồn dòng Keithley 2400-LV.
Đối với từ trường một chiều, cường độ từ trường được xác định thông qua
cường độ dòng điện theo công thức:
Hac= kn (5.3)
trong đó, hệ số chuyên đổi ky = 29,97 Oe/A cung cấp bởi nha sản xuất. Nguồn
dong Keithley 2400-LV cho phép tạo ra dòng điện với cường độ cực đại lên tới 1,05 A và độ phân giải là 1 pA. Các giá tri này tương đương với cường độ từ
120
trường một chiều do cuộn Hemlholtz cung cấp có giá trị cực đại là 31,4685 Oe
với độ chính xác của từ trường là 30 uOe.
Phép đo này cho phép xác định vùng làm việc, xác định độ nhạy và độ
phân giải, xác định hệ số chuyên đổi của cảm biến (là hệ số cho phép tính toán cường độ từ trường thông qua tín hiệu lối ra).
Kết quả khảo sát với các khoảng từ trường một chiều khác nhau được hiện
trong hình 5.8.
400
V,(mV) 200
-200
-400
-20 -10 0 10 20 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
H (Oc) H(Oe)
Hình 5.8: Do thị sự phụ thuộc của hiệu điện thé lỗi ra vào từ trường một chiêu
Hac trong các dai từ trường khác nhau
Đồ thị cho thấy tín hiệu lối ra tăng tuyến tính cùng với cường độ từ trường va đạt giá tri cực đại là 3,1 V tai từ trường 7,5 Oe. Khi từ trường ngoài tiếp tục tăng thì tín hiệu lối ra bắt đầu giảm và có xu hướng tiến đến giá trị 0 khi từ
trường ngoài đủ lớn. Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích là do xu
hướng bão hòa từ giảo của băng từ. Chính điều này dẫn đến việc suy giảm ứng suất và làm giảm tín hiệu lối ra (tại vùng từ trường > 7,5 Oe). Khi băng từ đạt trạng thái bão hòa từ giảo, ứng suất do lớp băng từ gây ra bằng 0 và dẫn đến hiện
tượng tín hiệu lối ra bị triệt tiêu.
Đối với vùng từ trường thấp cỡ từ trường trái đất (< 0,6 Oe) cho thấy sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào cường độ từ trường là hoản toản tuyến tính với
hệ số góc là 653,215 mV/Oe. Nhu vậy là cảm biến 1D cho phép xác định chính xác cường độ từ trường trái đất với độ nhạy k = 653,215 mV/Oe.
121
Đề đánh giá độ phân giải của cảm biến từ trường 1D từ các phép đo thực nghiệm, khảo sát độ ôn định của tín hiệu theo thời gian đã được thực hiện. Kết quả thực nghiệm được tiễn hành trên cảm biến từ trường 1D đặt theo phương Bắc
— Nam trong thời gian 60 phút (hình 5.9).
389.700 389.625
l
_. 389.550
2 3x10 O 380.475
—E
~ 389.400 |.—
+” 389.3253
xr 200II
100 0
0 10 20 30 40 50 60
Thời gian (phút)
Hình 5.9: Đồ thị đánh giá độ phân giải
Kết quả cho thay giá trị từ trường trái đất thu được từ cảm biến có giá trị nam trong khoảng từ 389,35 đến 389,65 mOe. Điều này tương đương với độ phân giải của cảm biến từ trường trái đất 1D đã được chế tạo có giá trị là 3.10 Oe. Độ phân giải này có thé so sánh được với độ phân giải của các cảm biến siêu nhạy đo từ trường Trái đất đã được công bố và cảm biến từ trường thương mại
dang được sử dụng hiện nay [75].
5.2.2.c. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào góc định hướng
Dé khảo sát khả năng xác định góc định hướng từ trường trái đất của cảm biến từ trường ID, luận án đã tiễn hành chế tạo hệ thống quay góc trong không gian. Hệ thống quay góc này được chế tạo từ các vật liệu không từ tính nhăm loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng đến kết quả phép đo. Hệ thống này cho phép quay cảm biến trong không gian theo mọi phương với bất kỳ góc quay nào với độ chính xác
góc là 0,25 độ.
122
Góc phương vị là một khái niệm và thông số vô cùng quan trọng trong quá trỡnh định vị. Gúc phương vị ứ được định nghĩa là gúc trong mặt phẳng nằm ngang được tạo bởi phương Bắc của từ trường Trái đất với trục của cảm biến.
Chiều dương là chiều kim đồng hồ. Theo định nghĩa trên, góc phương vị có gốc tọa độ (yg = 0°) là vị trí khi cảm biến nằm trong mặt phang nằm ngang và song
song với phương Bắc của từ trường Trái đất.
Khái niệm thứ hai cũng cần được quan tâm đó là góc từ khuynh. Theo định nghĩa thì góc từ khuynh của từ trường Trái đất là góc tạo bởi vec tơ từ trường trái đất với mặt phăng nam ngang. Góc từ khuynh là khác nhau tại các vị trí địa lý khác nhau. Theo các số liệu được công bố, góc từ khuynh tại Hà Nội
(Việt Nam) có giá trị là D = -30015".
Khảo sát khả năng đo góc định hướng của cảm biến 1D được thực hiện với phép quay góc trong mặt phăng năm ngang. Góc quay được định nghĩa chính là gúc phương vị ứ. Kết quả khảo sỏt được thể hiện trong hỡnh 5.10. Đồ thị cho thấy tín hiệu lỗi ra phụ thuộc vào góc phương vi theo quy luật hàm số cosine. Do đó luận án đã tiến hành fit số liệu thực nghiệm theo hàm số cosine và thu được kết quả sự phụ thuộc tớn hiệu lối ra theo gúc phương vị là V(ứ) = 260,9.cos(ứ) mV. Trong phép đo này, phương Bắc của từ trường trái đất được chuẩn hóa
thụng qua một là bàn quõn sự thương mại (ứng với gúc ứ = 00). Giỏ trị cực đại
của thé lối ra ứng với cường độ từ trường trái đất theo phương mặt phẳng ngang.
Sử dụng hệ số chuyên đổi (k = 653,215 mV/Oe) cho phép xác định được cường độ từ trường Trái đất nằm trong mặt phăng nằm ngang tại phòng thí nghiệm nơi tiền hành phép do (Cầu Giấy, Hà Nội) có giá trị là 0,3994 Oe.
Dé khảo sát độ nhạy góc của cảm biến 1D đã được chế tạo, luận án tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra theo góc phương vị nhưng với bước quay góc rất nhỏ (hình 5.11).
Đề thực hiện điều này, luận án đã chế tạo hệ thống quay góc không từ tính có bán kính lớn (1,2 m) và độ chia góc rất nhỏ ( 0,05 độ). Phép quay góc được
thực hiện với góc phương vi có giá tri xung quanh góc 90 độ. Day là vùng giá tri
123
góc phương vị cho phép cảm biến có được độ nhạy góc lớn nhất. Kết quả thực nghiệm cho thấy, trong dai do này cảm biến từ trường 1D có độ phân giải góc lên đến ~ 102 độ (tương đương độ chia góc của hệ thống quay góc). Tính toán độ phân giải từ trường từ các kết quả thực nghiệm trên và từ hệ số chuyền đổi (k)
cho kết quả ~ 10 Oe. Kết quả này là phù hợp với nghiên cứu thực nghiệm về độ
phân giải từ trường (xem 5.2.2.b).
0 90 180 270 360 450 540 630 720 Góc phương vị (độ)
Hình 5.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thé lối ra vào góc định hướng của trục
dau do cảm biên với từ trường trải dat
© Thực nghiệm
Hình 5.11: Đô thị đánh giá độ phân giải góc của cảm biến
124