3.4.1 Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc dựa vào tính chất “lõi bão hòa” nghĩa là các vật liệu có độ từ thẩm cao đƣợc sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ trƣờng đƣợc chọn trong một
vòng nhỏ (vài cm hoặc ít hơn) của anten, giống hệ thống anten vòng lõi đƣợc mô tả ở trên. Sự khác nhau giữa hai hệ thống không chỉ là kích thƣớc của vòng 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 hòa, 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 hòa cần thiết của lõi có độ từ thẩm cao. Các trƣờng có mức không 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 không 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
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 thông 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 đôi 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 ngoài 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 mô 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 vòng 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 dòng xoay chiều đủ công suất để nuôi 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
Khối phát xung Chia tần Khối tạo sóng sine Khuếch đại công 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 thông 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 phòng thí nghiệm.
CHƢƠNG 4 Kết quả thực nghiệm
4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN 4.1.1 Sự thay đổi đặc trƣng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ 4.1.1 Sự thay đổi đặc trƣng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ 4.1.2 Khảo sát quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN
a. Bố trí thí nghiệm
Mạch phân cực của sensor: Sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, mắc theo nguyên lý khuếch đại vi sai (hình 4.1) .
Hình 4.1 Mạch khuếch đại
Hệ số khuếch đại của mạch là:
K = VR / R12 Trong đó: VR đƣợc thay đổi bởi VR4
R12 =10 KΩ
Hình 4.2. Sơ đồ chân Atmega8
Khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu Analog từ 3 bộ khuyếch đại để chuyển đổi sang dạng digital 10 bits. Sau đó truyền dữ liệu lên máy tính.
Chuyển đổi ADC đƣợc tự động trên vi điều khiển với tần số lấy mẫu đƣợc định thời bằng một timer với tần số lấy mẫu cho mỗi kênh là 100hz.
Giá trị ADC nhận đƣợc sẽ đƣợc quy đổi ra điện thế nhƣ sau:
Với: ADC là giá trị mà vi điều khiển đã chuyển đổi đƣợc ( hình 4.3 ) VREF = 5V
Hình 4.3. Quy đổi tín hiệu
b. Kết quả đo
Hình 4.4 Quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN
DT = r*(T-Tf) Trong đó: r: hằng số nguội
T: nhiệt độ đo
Tf: nhiệt độ phòng
4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall 4.2.1 Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam 4.2.1 Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam
- Sơ đồ nguyên lý:
Hình 4.5 Sơ đồ điện tử của thiết bị
Các thông số kỹ thuật của thiết bị nhƣ sau:
+ Mạch khuếch đại vi sai sử dụng hai Transitor 2N2222
Các giá trị điện trở : = 1K, = 1K, = 200Ω, =100Ω
+ Sensor Hall là mẫu bán dẫn Ge - p - Khảo sát hiệu ứng:
Chúng tôi đã tiến hành đo từ tƣờng B trên bề mặt các mẫu nam châm vĩnh cửu từ mẫu 1 đến mẫu 5. Các kết quả thực nghiệm thu đƣợc nhƣ sau:
Lần đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu4 Mẫu 5
1 611 774 275 417 584
Bảng 4.1 Từ trường trên bề mặt mẫu nam châm
- Từ số liệu thực nghiệm trên bảng 4.1 ta có đồ thị phân bố từ trƣờng trên bề mặt các mẫu nam châm nhƣ sau:
Mẫu1 Mẫu 2 3 618 667 258 720 752 4 600 564 240 735 749 5 625 740 239 667 836 6 530 602 279 586 820 7 503 757 124 431 747 8 543 704 113 447 700 9 616 607 136 438 638 10 558 702 328 440 610 11 583 651 312 490 598 12 637 770 305 460 663 13 606 753 251 586 510 14 590 713 321 454 545 15 623 723 307 612 568
Mẫu 3 Mẫu 4
Mẫu 5
Hình 4.6 Đồ thị phân bố từ trường trên bề mặt các mẫu
Nhận xét:
Qua khảo sát có thể thấy phân bố từ trƣờng trên bề mặt các mẫu nam châm thay đổi khá lớn theo tọa độ.
Tuy nhiên giá trị từ trƣờng tƣơng đối ổn định tại vùng giữa mẫu Các giá trị đo có thể lấy giá trị từ trƣờng nhƣ sau
Mẫu 2: = 669 Mẫu 3: = 220 Mẫu 4: = 583 Mẫu 5: = 631
4.2.2 Đo từ trƣờng bề mặt dùng GaussMeter (USA)
Thiết bị đo từ trƣờng Tesla Meter
Ảnh 4.1 - Tesla Meter với đầu đo Hall
- Khảo sát hiệu ứng
Tiến hành phép đo từ trƣờng trên bề mặt các mẫu nam châm vĩnh cửu nhƣ phần trên với máy đo từ trƣờng chuẩn của Mỹ ta đƣợc các thông số từ trƣờng sau:
Lần đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5
1 930 1155 530 771 1077 2 935 1125 471 764 1047 3 922 1119 483 659 1052 4 893 1124 452 702 1024 5 882 1059 461 761 1014 6 912 1141 407 721 1016
9 870 1203 576 874 1025 10 929 1139 606 938 1003 11 906 1144 624 986 1013 12 882 1274 654 973 1097 13 832 1210 659 825 1110 14 823 1126 573 780 1088 15 812 1099 466 758 1148
Bảng 4.2 Từ trường trên bề mặt mẫu theo máy chuẩn USA
- Từ bảng số liệu trên ta vẽ đƣợc các đồ thị phân bố từ trƣờng trên các mẫu nam châm nhƣ sau:
Mẫu 1 Mẫu 2
Mẫu 5
Hình 4.7 Đồ thị phân bố từ trường trên bề mặt nam châm theo máy chuẩn USA
Nhận xét:
Qua khảo sát có thể thấy phân bố từ trƣờng trên bề mặt các mẫu nam châm thay đổi khá lớn theo tọa độ.
Tuy nhiên giá trị từ trƣờng tƣơng đối ổn định tại vùng giữa mẫu Các giá trị đo có thể lấy giá trị từ trƣờng nhƣ sau
Mẫu 1: = 898
Mẫu 2: = 1120
Mẫu 3: = 533 Mẫu 4: = 1006 Mẫu 5: = 1065
- Đánh giá tương quan giữa hai thiết bị đo từ trường
Từ các giá trị từ trƣờng trung bình của mỗi mẫu đo ở 2 thiết bị đo từ trƣờng ( thiết bị tự chế ở Việt Nam và thiết bị chuẩn của Mỹ) ta có đồ thị biểu diễn sự tƣơng quan giữa hai thiết bị đo nhƣ sau:
Hình 4.8 Đồ thị đánh giá tương quan giữa hai thiết bị đo từ trường
Hệ số tƣơng quan là: R = 0,9999
Phƣơng trình có dạng: y = 1.3022x + 246.47
Trong đó:
S1: Giá trị từ trƣờng trung bình trên các mẫu đo đƣợc trên máy tự chế tạo tại Việt Nam
S2: Giá trị từ trƣờng trung bình trên các mẫu đo đƣợc trên máy chuẩn của Mỹ
Nhận xét:
Đƣờng thẳng trên đồ thị biểu diễn sự tƣơng quan tuyến tính giữa hai số liệu đo đƣợc bằng thực nghiệm
Đồ thị tƣơng quan này định hƣớng cho việc chuẩn thiết bị tự lắp ghép. Khi các giá trị đo trùng khớp, độ dốc của đƣờng thẳng tƣơng quan α = 45º.
KẾT LUẬN
Sau quá trình làm luận văn, dƣới sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, em đã tập trung nghiên cứu và thực hiện nội dung khoa học đề ra cho luận văn và thu đƣợc một số kết quả chính nhƣ sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về sensor, phân loại theo chức năng, mục đích sử dụng…,nghiên cứu về các đặc trƣng trong chế độ tĩnh và chế độ hoạt động của sensor.
2. Nghiên cứu tổng quan hiện tƣợng chuyển đổi tín hiệu vật lý nói chung, chuyển đổi tín hiệu không điện sang điện nói riêng, đặc biệt là chuyển đổi tín hiệu từ sang điện.
3. Nghiên cứu ứng dụng của sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp P-N, sensor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai, sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall, sensor từ trƣờng Fluxgate vào thiết bị đo.
4. Sử dụng hệ đo tự động khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của chuyển tiếp bán dẫn pn, khảo sát sự tƣơng quan tín hiệu giữa đầu dò tự chế và Tesla Meter. Các kết quả thực nghiệm thu đƣợc phù hợp với tính toán lý thuyết. Hệ đo đƣợc xây dựng đã vận hành tin cậy và ổn định, đảm bảo độ nhạy, độ phân giải cần thiết để ứng dụng vào thực tiễn trong một số lĩnh vực nhƣ quan trắc môi trƣờng, theo dõi địa từ của trái đất, dự báo thời tiết,v.v
Với những kết quả ban đầu này, hệ đo có khả năng kết nối mạng hình thành mạng lƣới các sensor trải rộng trong phạm vi thời gian và không gian lớn, cập nhật liên tục các thông số về máy chủ tại trung tâm để xử lý tự động dữ liệu đo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
A. Tiếng Việt
[1] Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Thế Khôi, Vũ Ngọc Hồng (1977), Giáo trình điện đại
cương tập 3- NXBGD, Hà Nội.
[2] Lƣu Tuấn Tài (2008), Giáo trình Từ học, NXBĐHQG, Hà Nội.
[3] Ngạc Văn An (chủ biên), Đặng Hùng, Nguyễn Đăng Lâm, Lê Xuân Thê, Đỗ Trung Kiên (2006), Vô tuyến điện tử, NXBGD, Hà Nội.
[4] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXBKHKT, Hà Nội.
[5] Lê Xuân Thê (2006), Dụng cụ bán dẫn và vi mạch, NXBGD, Hà Nội. [6] Đỗ Xuân Thụ (1999), Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội.
[7] Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm Vật lý, Giáo trình khoa Vật lý,
trƣờng ĐH Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội.
[8] Phan Quốc Phô (chủ biên), Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến,
NXBKHKT.
B. Tiếng Anh
[9] M.J. Usher and D.A. Keating (1991), Sensor and transducers:characteristics, application, instrumentation, interfacing, VCH, Weinheim, Germany.
[10] W. A. Geyger (1964), Nonlinear-Magnetic Control Devices, New York:
McGraw-Hill.
[11] Jacob Fraden (2003), Handbook of Modern Sensors, Advanced Monitors
Corporation San Diego, California
[12] Davis (2004). Handbook of Engineering tables, Editor-in-Chief Richard C.
Dorf University of California. [13]
[14] H. J. Goldsmid and G. S. Nolas (2001), A review of the New Thermoelectric
[15] D. Saha, A. D. Sharma, A. Sen, and H. S. Maiti (2002), Masterials Letters 55,
403-406.
[16] R. Kohler, N. Neumann, N. Hess, R. Bruchhaus, W. Wersing, and M. Simon (1997), Ferroelectrics 201, 83-92.
[17] W. Kwaitkawski and S. Tumanski (1986), The permalloy magnetoresistive
sensors-properties and applications, J. Phys. E: Sci. Instrum., 19, 502–515.
[18] F. Primdahl (1979), The fluxgate magnetometer, J. Phys. E: Sci. Intrum., 1, 242-253.
[19] Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung (2011), Study on manufacture the device for detecting small magnetic field fuctuation, The 2011 International Conference on Integrated Circuits and Devices in Vietnam, 8-18 August, 2011.
[20] C. M. Falco and I. K. Schuller (1981), SQUIDs and their sensitivity for geophysical applications, SQUID Applications to Geophysics, The society of