3.4.3.a. Xác định góc phương vị và góc từ khuynh
Một khả năng ứng dụng rất lớn của sensor 3D ngoài việc đo cường độ từ trường trái đất là đo góc trong không gian ứng dụng trong lĩnh vực vệ tinh, vũ trụ,..
Với các kết quả đo trong phần 3.4.2, đồng thời với việc đo đạc và tính toán được độ lớn của từ trường trái đất trong không gian, ta có thể tính toán được góc phương vị sử dụng công thức (3.8). Kết quả được đưa ra trên hình 3.22 cho sự phụ thuộc tuyến tính tuyệt đối với góc đo thực nghiệm có hệ số góc bằng 1.
Từ các thành phần từ trường trong mặt phẳng nằm ngang (Hxy) và thành phần từ trường theo phương thẳng đứng (Hz = H3), góc từ khuynh I có thể được tính toán sử dụng mối liên hệ: tan z xy H I H (3.11)
Kết quả tính toán góc từ khuynh cũng được chỉ ra trên hình 3.22. Kết quả chỉ ra góc từ khuynh khoảng I = 26.5 0.1o. Biên độ dao động 0.1° phù hợp với sự thay đổi về độ lớn của từ trường cỡ 10-4 Oe.
Hình 3.22: Kết quả đo góc phương vị υ và góc từ khuynh tính toán được từ các thành phần từ trường H1,H2 và H3 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt
phẳng nằm ngang
3.4.3.b. Xác định góc pitch
Góc Pitch θ được xác định bằng cách sử dụng mối liên hệ giữa hai thành phần từ trường H2 và H3 khi cho sensor quay trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với phương Bắc từ của trái đất. Mối liên hệ này được biểu diễn bằng công thức:
2
3
tan H
H
(3.12)
và kết hợp với các phương trình tính toán góc phụ thuộc vào dấu của các thành phần từ trường giống như trong công thức (3.8), góc pitch θ có thể được xác định từ số liệu thực nghiệm. Kết quả được minh họa trên hình 3.23c là giá trị góc pitch thực nghiệm trong một chu trình quay hoàn chỉnh.
Góc Pitch là góc giữa sensor S3 và trục ZE khi quay hệ sensor 3D theo chiều kim đồng hồ xung quanh trục XE, tức là trong mặt phẳng ngang như hình 3.19.
Trong hình 3.21b biểu diễn tín hiệu của S2 và S3 trong hệ tọa độ Decac. Đồ thị này một lần nữa chỉ ra sự phụ thuộc theo quy luật hàm sin và cos của tín hiệu ra vào góc pitch θ khi quay tương ứng hai sensor S2 và S3 từ góc θ = 0 đến 360. Trong trường hợp này, đường cong V1 của sensor S1 có dạng đường thẳng ở khoảng 77 mV. 3 luôn đạt được khi trục của
chúng hướng thẳng đứng xuống dưới (tức là dọc theo trục ZE). Các từ trường thành phần (H1, H2, H3) của từ trường trái đất được biểu diễn trong hệ tọa độ Polar như hình 3.21Error! Reference source not found.b, một lần nữa, được fit trên các đường tròn khá hoàn hảo. Góc Pitch θ được xác định bằng cách sử dụng hàm tanθ = tan(H2/H3) và phương trình (3.4) áp dụng cho tỉ số (-H2/H3). Kết quả được minh họa trên hình 3.23 là giá trị góc pitch thực nghiệm trong một chu trình quay hoàn chỉnh.
Hình 3.23: Kết quả đo góc pitch θ tính toán được từ các thành phần từ trường H2 và H3 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng thẳng đứng vuông
góc với cực Bắc từ của trái đất
Như vậy, hệ sensor 3D này có khả năng phát hiện góc phương vị và góc pitch được phát triển từ ba sensor 1D với chi phí thấp và độ nhạy cao được thiết kế theo cấu hình trực giao. Hệ sensor cũng cho phép xác định đồng thời cả ba thành phần của từ trường trái đất trong hệ tọa độ và từ đó xác định được đồng thời cường độ từ trường trái đất và định hướng của nó trong không gian. Với khả năng này, sensor 3D chế tạo được có thể hướng đến các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực vệ tinh để dò tìm và điều khiển trạm thu phát mặt đất di động hoặc cố định bắt theo hướng vệ tinh. Đây là nội dung nghiên cứu đang được tiếp tục triển khai tại nhóm nghiên cứu.
KẾT LUẬN
Bằng công nghệ chế tạo đơn giản, luận văn đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo sensor đo từ trường trái đất loại 1D, 2D và 3D dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện. Trong luận văn, chúng tôi đã thực hiện một số công việc như sau:
Chế tạo và nghiên cứu thành công các vật liệu tổ hợp từ điện cấu trúc micro- nano có dị hướng từ đơn trục có hiệu ứng từ-điện cao đặc biệt nhạy với từ trường thấp trong vùng từ trường trái đất.
Chế tạo sensor đo từ trường trái đất 1D, 2D và 3D bằng cách tổ hợp các sensor đơn trực giao cho phép xác định đồng thời các thành phần của từ trường trái đất trong không gian và góc định hướng phương vị và góc từ khuynh của từ trường trái đất. trong đó:
Độ lớn của từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang: Hxy = 0.3994 Oe Độ lớn của từ trường trái: Htot = 0.4465 Oe.
Góc từ khuynh khoảng : I = 26.5 0.1
Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với mục1.1.3b vì Việt nam là một nước nằm gần đường xích đạo ở nửa bán cầu Bắc nên đường sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó góc nghiêng từ sẽ nhận giá trị dương.
Sensor có độ nhạy cao, độ phân giải từ trường 10-4
Oe và phân giải góc 10-1 độ. Với công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền, sensor chế tạo được có độ phân giải có thể so sánh được với các thiết bị cảm biến góc và cảm biến từ trường độ phân giải cao dựa trên các công nghệ đắt tiền đang được bán trên thị trường hiện nay [7,8].
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn này, đã xuất bản được một số công trình khoa học trên tạp chí quốc tế và tham dự hội nghị quốc gia bao gồm:
1. D.T. Huong Giang, P.A.Duc, N.T.Ngoc, N.H. Duc,(2012) Geomagnetic sensors based on Metglas/PZT laminates, Sensor and Actuators A: Physics, vol.179.
2. D.T. Huong Giang, P.A.Duc, N.T.Ngoc, N.T.Hien and N.H. Duc, (2012), Spacial angular positioning device with 3-D magnetoelectric sensors, Review of Scientific Instruments (Peer review process)
3. D.T. Huong Giang, P.A.Duc, N.T.Ngoc, N.T.Hien and N.H. Duc, (2012), Enhancement of the magnetic flux in Metglas/PZT-magnetoelectric integrated 2D geomagnetic device, Smart materials and structures (Peer
4. Đỗ Thị Hương Giang, Phạm Anh Đức, Nguyễn Anh Phương, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Xuân Toàn, Nguyễn Hữu Đức, (2010), Hệ thống sensơ đo từ trường trái đất trực giao dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng trong hệ thống tự động kiểm soát và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh, hội thảo công nghệ vũ trụ và ứng dụng.
5. Đ.T. Hương Giang, P.A.Đức, N.A.Phương, N.T.Ngọc, N.X.Toàn, N.H.Đức, (SPMS – 2011), Tối ưu hóa cấu hình của sensơ từ trường trái đất sử dụng vật liệu Multiferroics Metglas/PZT, Hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh
[1]. D. Landau and E. Lifshitz., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, p.119
[2]. D.T. Huong Giang, P.A.Duc, N.T.Ngoc, N.H. Duc, Geomagnetic sensors based on Metglas/PZT laminates, Sensor and Actuators A: Physics, 2012, [3]. Fred Hochgraf (October 1, 1998), Materials Handbook, Ninth Edition,
Vol.10.
[4]. J.Alloy Comp. 2008, SNA 2009
[5]. Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, (2007), Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters 123513.
[6]. Michael, J. Caruso, Applications of meagnetoresistive sensors in navigation systems, Honey Well InC.
[7]. Michael J. Haji-Sheikh, in: Sensors, S.C. Mukhopadhyay, R.Y.M. Huang (eds.), (2008), Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg 23
[8]. M. Johnson,(2004), Magnetoelectronics, Elsevier, Amsterdam.
[9]. NVE Corporation, (2003), GMR Sensors data book, Minnesota – USA. [10].Ripka, Pavel (ed),(2001), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-
London: Artech.
[11].Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Vi1ehland, (2006)Appl. Phys. Lett. 89 252904.
[12].Susan Macmillan, Earth’s magnetic field, British Geological Survey, Edinburgh, UK.
[13].Ton Tich Ai,(2005) Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam National University Publishers.
Tiếng Việt
[14]. Đỗ Thị Hương Giang, Phạm Anh Đức, Nguyễn Anh Phương, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Xuân Toàn, Nguyễn Hữu Đức, (2010), Hệ thống sensơ đo từ trường trái đất trực giao dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng trong hệ thống tự động kiểm soát và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh, hội thảo công nghệ vũ trụ và ứng dụng.
[15]. Đ.T,Hương Giang, P.A.Đức, N.A.Phương, N.T.Ngọc, N.X.Toàn, N.H.Đức, (SPMS – 2011), Tối ưu hóa cấu hình của sensơ từ trường trái đất sử dụng vật liệu Multiferroics Metglas/PZT, Hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật
[16]. Nguyễn Thị Ngọc, Nghiên cứu và chế tạo các tính chất của màng mỏng Fe- Pt, khóa luận tốt nghiệp, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, t.22.
[17]. Nguyễn Xuân Toàn, Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu multiferroics Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc micro/nano, luận văn thạc sĩ vật liệu và linh kiện nano, trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN.