Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra thu được phụ thuộc vào tần số từ trường xoay kích thích được nuôi bởi cuộn solenoid đã được thực hiện trên các sensor 1D khác nhau. Phép đo được thực hiện tại từ trường một chiều cố định HDC = 2 Oe trong suốt quá trình quét tần số. Trên hình 3.3 là đường cong sự thay đổi của hệ số từ- điện αE (= VME/tPZT/hac) thay đổi theo tần số quét trong dải từ trường từ 0 đến 180 kHz. Nhìn vào đường cong này ta thấy có xuất hiện duy nhất một đỉnh rất hẹp xung quanh tần số 100 kHz, tại đó tín hiệu của sensor thu được lớn nhất. Đây chính là tần số cộng hưởng fr và được chọn là tần số làm việc của sensor. Từ đỉnh cộng hưởng này, hệ số phẩm chất tương ứng của từng sensor có thể được tính toán theo công thức:
r f Q f ( 3.1)
với f là độ rộng nửa đỉnh cộng hưởng và fr là tần số cộng hưởng.
Hình 3.3 : Đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào tần số kích thích cuộn solenoid.
Các kết quả tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất tính toán áp dụng cho từng sensor được đưa ra trên Error! Not a valid bookmark self-reference.. Ta thấy, các
sensor 1D có hệ số phẩm chất khoảng 1.5%, tần số cộng hưởng là 99.55, 100.13 và 100.18 KHz tương ứng cho sensor S1, S2 và S3. Các tính toán dao động cơ học 1 chiều áp dụng cho trường hợp này cho kết quả phù hợp với tần số dao động riêng của mẫu cũng đã được trình bày chi tiết trong các nghiên cứu trước đây của nhóm [2,17]. Theo các nghiên cứu này, tần số dao động riêng của tấm được biểu diễn theo công thức:
2 2
n m
f
trong đó, là vận tốc pha của PZT, n và m là các số nguyên nhận các giá trị (1,2,3...),
L và W tương ứng là kích thước chiều dài và chiều rộng của mẫu.
Sự khác nhau rất nhỏ về tần số cộng hưởng giữa các sensor này có thể giải thích do sai khác về kích thước rất nhỏ giữa các vật liệu tổ hợp được sử dụng để chế tạo sensor. Điều đáng chú ý ở đây là độ rộng của đỉnh cộng hưởng rất hẹp với hệ số phẩm chất Q ~ 1.5% cho phép việc thiết kế các bộ lọc tần số có độ chính xác cao nhờ đó có thể tăng cường tỉ số tín hiệu/nhiễu và độ phân giải của sensor.
Bảng 3.1: Tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất của các đơn sensor
Sensor 1 (S1) Sensor 2(S2) Sensor 3(S3)
Tần số cộng hưởng(kHz) 99.95 100.13 100.18
Hệ số phẩm chất (%) 1.6 1.49 1.51
3.2.2. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cƣờng độ từ trƣờng
Trên hình 3.4 là đường cong sự phụ thuộc tín hiệu lối ra của sensor 1D vào cường độ từ trường một chiều đo trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe tác dụng theo phương song song với trục sensor (song song với chiều dài của mẫu).
Trong chế độ làm việc của các sensor 1D, cuộn solenoid hoạt động như một máy phát từ trường xoay chiều được nuôi bởi nguồn dòng ac. Mặt khác, từ trường trái đất cần được xác định đóng vai trò từ trường Hdc. Do đó, trong phép đo khảo sát hoạt động của các sensor trong vùng từ trường trái đất, một cuộn Helmholtz thương mại nuôi bởi nguồn dòng Keithley 230 được sử dụng để tạo ra từ trường DC giống trái đất có cường độ lên tới 3 Oe với độ chính xác 10-5 Oe. Trên hình 3.5 là kết quả khảo sát đặc trưng từ-điện của sensor 1D trong vùng từ trường thấp -0.6÷0.6 Oe. Trục sensor
được đặt vuông góc với phương Bắc-Nam, để triệt tiêu ảnh hưởng của từ trường trái
đất. Nhìn vào đồ thị (hình 3.5) ta thấy đường cong tín hiệu thu được từ các sensor thay đổi theo quy luật tuyến tính V = kHDC trong vùng từ trường trái đất, với k là hệ số chuyển đổi đặc trưng cho sensor. Đường fit số liệu cho độ dốc k = 653.215mV/Oe.
Từ kết quả ta thấy rằng thế lối ra của sensor lúc đầu tăng tuyến tính trong vùng từ trường thấp đạt đến giá trị cực đại khoảng 3.1 V tại từ trường khoảng 7,5 Oe. Tiếp tục tăng từ trường ta thấy tín hiệu bị giảm từ từ và có xu hướng tiến đến 0 khi từ trường ngoài lớn. Hiện tượng này đã được lý giải là do ở vùng từ trường lớn, xu hương bão hòa từ giảo của băng từ mềm Metglas dẫn đến hiện tượng giảm dần của ứng suất động gây ra bởi từ trường xoay chiều kéo theo hiện tượng suy giảm độ phân cực điện
(điện áp) trên tấm áp điện. Khi từ giảo của băng từ mềm bị bão hòa hoàn toàn thì tín hiệu điện thu được sẽ tiến đến 0.
Phép đo trong vùng từ trường thấp xung quanh vùng từ trường trái đất (~ 0.6 Oe) được thực hiện trên sensor (hình 3.5) cho thấy trong vùng này, tín hiệu sensor thay đổi tuyến tính với từ trường với độ dốc k = 653,215 mV/Oe. Đây cũng chính là hệ số chuyển đổi (hệ số chuẩn hóa) khi sử dụng sensor đo từ trường.
Hình 3.4: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một chiều HDC trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe
Hình 3.5: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một chiều HDC trong dải từ trường từ -0.6 Oe đến 0.6 Oe
Để đánh giá độ phân giải của sensor từ phép đo thực nghiệm, chúng tôi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu sensor trong dải từ trường nhỏ từ 0 đến 20 μOe. Kết quả được đưa ra trên hình 3.6 cho thấy độ phân giải của sensor đạt 210-4 Oe. Độ nhạy này có thể so sánh được với các sensor đo từ trường trái đất thương mại
Hình 3.6 : Đồ thị đánh giá độ phân giải của sensor
Sensor chế tạo được có độ phân giải và độ nhạy cao như vậy mở ra triển vọng lớn trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và tin cậy cao như lĩnh vực vệ tinh, có thể dò tìm và xác định vị trí vệ tinh một cách chính xác.
Để so sánh độ phân giải cũng như độ nhạy của sensor chế tạo được với một sensor thương phẩm, phép đo trong vùng từ trường thấp xung quanh vùng từ trường trái đất (~ 0.6 Oe) được thực hiện trên sensor Hall thương phẩm của máy đo từ trường tại phòng thí nghiệm Micro&Nano của trường Đại học Công nghệ (hình 3.7). Kết quả cho thấy trong vùng này, tín hiệu của sensor Hall thương phẩm cho độ phân giải và độ nhạy không bằng sensor được chế tạo.
3.2.3. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hƣớng của từ trƣờng trái đất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc định hướng giữa trục sensor với từ trường trái đất đã được khảo sát khi cho sensor quay trong mặt phẳng nằm ngang theo chiều kim đồng hồ từ υ = 0° đến 360°. Phép đo được thực hiện tại nơi cách các nguồn phát từ trường và các vật có tính chất sắt từ khoảng 1 m để đảm bảo tại vị trí đo chỉ có ảnh hưởng của từ trường trái đất.
Trên hình 3.8 là đường cong sự phụ thuộc góc của sensor thu được. Nhìn vào kết quả thu được ta thấy, tín hiệu lối ra phụ thuộc tuần hoàn theo quy luật hàm V =
V0.cosυ. Hiệu điện thế lối ra đạt giá trị lớn nhất V0 = 260.9 mV khi trục sensor song song (tức là = 0°) và biến mất khi trục sensor vuông góc (tức là = 90°, 270°) với cực Bắc từ của Trái đất. Ở đây, cực Bắc từ được chuẩn hóa sử dụng la bàn quân sự thương mại. Giá trị cực đại của sensor tại hướng đo ỏ góc phương vị không ( = 0°), sử dụng hệ số chuẩn hóa k = 653.215 mV/Oe xác định được ở trên, cường độ từ trường trái đất nằm trong mặt phẳng nằm ngang tại phòng thí nghiệm nơi tiến hành phép đo (Cầu Giấy, Hà Nội) cho ta giá trị 0,3994 Oe.
Hình 3.8: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục sensor với từ trường trái đất
Theo nguyên lý hoạt động của sensor, do vật liệu băng từ sử dụng có dị hướng từ đơn trục nên khi từ trường ngoài rất nhỏ, thì chỉ có thành phần từ trường nào tác dụng dọc theo trục sensor (trục từ hóa dễ) mới có khả năng từ hóa băng từ và do đó có khả năng gây ra biến dạng từ giảo. Nói khác đi, trong trường hợp này, tín hiện lối ra của sensor chỉ xuất hiện khi có mặt thành phần từ trường hướng dọc theo trục sensor. Vì vậy, tại = 90° và 270° (trục sensor hướng dọc theo trục Đông-Tây của trái đất), tín hiệu sensor V = 0 mV và cực đại tại = 0° tương ứng với toàn bộ thành phần từ
các vị trí khác, tín hiệu sensor thu được phụ thuộc vào thành phần hình chiếu của từ trường này lên trục sensor (~ Hhorizontal cosυ). Chính vì vậy, đường cong thực nghiệm cho sự phù hợp tốt với qui luật hàm cosine.
Để đánh giá độ nhạy theo góc của sensor, chúng tôi tiến hành đo tín hiệu lối ra khi quay sensor trong mặt phẳng nằm ngang với bước thay đổi góc quay 0.05°. Để thực hiện được phép đo này, sensor được gắn lên một bàn quay không từ có bán kính 1,2 m. Kết quả đo được đưa ra trên hình 3.9 cho thấy đạt độ phân giải góc của sensor khi đo từ trường trái đất được xác định bằng thực nghiệm lên đến 10-2 độ với độ nhạy trong dải đo từ 80 đến 90° là kφ = 3,263 mV/độ. Độ phân giải góc này tương ứng với một sự thay đổi của từ trường vào khoảng 10-4 Oe và cũng phù hợp vơi độ phân giải của sensor khi đo cường độ của từ trường
Hình 3.9: Đồ thị đánh giá độ nhạy theo góc của sensor
3.2.4. Khảo sát tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục
Khi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc vào góc định hướng của từ trường trái đất, thực tế trên đường cong tín hiệu của sensor ta thấy sự phụ thuộc theo qui luật hàm cosine nhưng không đối xứng xung quanh trục hoành mà bị dịch đi một giá trị khoảng 100 mV (hình 3.11). Đây chính là phần đóng góp nền (zero offset) vào sensor. Lúc này đường cong được mô tả theo hàm dao động tuần hoàn theo góc bởi công thức:
V = Vo cosυ + Voffset (3.1)
với giá trị Voffset được xác định là khoảng cách từ trục hoành đến trục đối xứng (trung bình của đỉnh cực đại và cực tiểu) của đường cong tín hiệu.
Hiện tượng này có thể được giải thích là do ngay cả khi không có thành phần từ trường một chiều DC tác dụng lên trục của sensor (tức là tại vị trí = 90° và 270°), thì từ trường xoay chiều kích thích vẫn đủ tạo ra ứng suất động dọc theo phương này và do đó vẫn tồn tại một điện áp xoay chiều lối ra có biên độ nhỏ luôn luôn đóng góp vào tín hiệu sensor khi khảo sát theo góc quay. Theo cách lý giải này thì có thể làm giảm tín hiệu nền bằng cách giảm cường độ xoay chiều kích thích sensor. Tuy nhiên việc làm này cũng kéo theo sự suy giảm của tín hiệu sensor lối ra và do đó sẽ làm giảm độ nhạy của sensor.
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục sensor với từ trường trái đất
Ở đây, đối với sensor này, thế nền offset có thể được bù trừ rất đơn giản bằng cách đảo cực nguồn nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích. Trên hình 3.11a là đường cong tín hiệu được thực hiện trong hai trường hợp trước và sau khi đảo cực (đảo pha) của nguồn nuôi xoay chiều. Các tín hiệu thế từ-điện thu được cũng được biểu điển trong hệ tọa độ Polar như trong hình 3.11b. Trong đó, tín hiệu offset được mô tả bởi vòng tròn ở trung tâm có bán kính cho biết độ lớn giá trị offset. Đồng nghĩa với thao tác này là ta đảo pha từ trường xoay chiều kích thích cho hai tín hiệu điện áp lối ra tương ứng là V(hac) và V(-hac). Nhìn vào đường cong này ta thấy bằng thao tác đảo cực này, đường cong tín hiệu cho ta hàm dao động tuần hoàn tuân theo công thức:
V(hac) = Vo cosυ + Voffset (3.2)
V(-hac) = -Vo cosυ + Voffset (3.3)
Do vậy, tín hiệu nền có thể được xác định chính xác bằng thực nghiệm theo công thức :
ac ac offset ( ) ( ) 2 V h V h V (3.4)
Với các mạch điện tử tích hợp phát và thu tín hiệu kết hợp với chức năng đảo cực để thực hiện thao tác trừ nền, sensor 1D chế tạo được có thể đo đạc và cho giá trị chính xác của cường độ từ trường trái đất tại một vị trí bất kỳ với độ tin cậy lên đến 10-4 Oe.
Hình 3.11: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế ra có offset vào góc phương vị khi được kích thích bởi hai từ trường xoay chiều ngược pha nhau (hac và -hac) được biểu diễn trong
hệ tọa độ Decac(a) và hệ tọa độ Polar (b)
Như vậy, bằng việc sử dụng sensor 1D ta có thể xác định được độ lớn hình chiếu của từ trường trái đất lên trục của sensor tại một vị trí bất kỳ. Ưu điểm của sensor 1D là chế tạo đơn giản, gọn nhẹ, ảnh hưởng nhiễu do các thiết bị khác là nhỏ do nguyên lý đo chọn lọc tần số. Đóng góp của tín hiệu nền vào sensor nhỏ và có thể bù trù nhờ thực hiện các thao tác thực nghiệm đơn giản. Tuy nhiên với sensor 1D này, ta không thể xác định đồng thời cả cường độ từ trường trái đất và hướng của nó tại một vị trí tại một thời điểm bất kỳ. Bên cạnh đó, khi làm việc với chế độ đo góc tại vị trí xung quanh góc 0 và 180° (trục sensor xung quanh phương cực Bắc từ và Nam từ của trái đất) thì độ phân giải và độ nhạy của sensor là rất thấp do các giá trị thế từ điện thay đổi rất nhỏ trong vùng này. Chính vì 2 lý do này nên việc cần thiết phải phát triển sensor 1D này lên thành tổ hợp các sensor 2D và 3D tiến tới các ứng dụng thực tiễn.
3.3. Sensor đo từ trƣờng trái đất 2D dựa trên hiệu ứng từ-điện
Để khắc phục những nhược điểm trên đối với sensor 1D, trong luận văn này, chúng tôi đã tiếp tục nghiên cứu để phát triển thành sensor 2D với mục tiêu xác định
Để xác định 2 thành phần từ trường vuông góc trong mặt phẳng, trong các nghiên cứu của mình chúng tôi sử dụng 2 sensor đơn được bố trí vuông góc với nhau được đưa ra trên hình 2.3 trong phần 2.2. Trong quá trình đo, 2 sensor được kích thích bằng từ trường xoay chiều tại cùng tần số. Tín hiệu lối ra của sensor 2D gồm 2 sensor đơn tại mỗi thời điểm đo được ghi nhận tự động đồng thời thông qua ghép nối máy tính. Đối với sensor này, để hạn chế ảnh hưởng của từ trường xoay chiều giữa 2 sensor đơn, biên độ từ trường kích thích được tạo ra bởi các cuộn dây solenoid được tính toán giảm đi một nửa so với sensor 1D đã được nghiên cứu ở trên. Các phép đo đạc thực nghiệm bao gồm xác định các thông số hoạt động của sensor, sự phụ thuộc vào cường độ và góc định hướng của từ trường trong mặt phẳng cũng đã được tiến hành tương tự như đối với sensor 1D ở trên.
3.3.1. Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 2D
Trên hình 3.12 là đường cong sự phụ thuộc tín hiệu lối ra trên từng sensor đơn trong sensor 2D vào cường độ từ trường một chiều đo trong dải từ trường từ -25 Oe đến 25 Oe tác dụng theo phương song song với trục của mỗi sensor (song song với chiều dài của mẫu). Đường cong này có xu hướng thay đổi tương tự với đường cong thu được trên sensor 1D như đã đưa ra trên hình 3.4 với qui luật phụ thuộc đã được giải thích chi tiết trong phần 3.2.2.
Trong vùng thay đổi tuyến tính ở từ trường thấp nằm trong dải đo của từ trường trái đất (từ -0.6 đến 0.6 Oe) (hình 3.13), đường cong thực nghiệm cho thấy các sensor đơn này tuyến tính với từ trường ngoài có độ dốc tương ứng với hệ số chuyển đổi k1 = 308,2 và k2 = 310,7 mV/Oe với độ phân giải từ trường 3×10-4 Oe tương ứng cho các sensor S1 và S2. Sự sai khác nhau này là rất nhỏ chứng tỏ qui trình chế tạo ổn đinh các
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});