Mô phỏng quá trình chuyển đổi tín hiệu của sensor

Để mô phân tích cơ chế chuyển đổi tín hiệu trong sensor bão hòa từ thông, cần mô phỏng các dạng tín hiệu xuất hiện trong nó. Khi cấp một dòng điện biến đổi tuần hoàn dạng i=i0sin(t+) vào hai đầu cuộn dây sơ cấp của sensor (hình 3.12), trên hai lõi sắt từ xuất hiện từ trường kích thích ngược pha dạng:

Be=Be0sin(t+) (3.19) Do vật liệu được chọn làm lõi có độ từ thẩm μ rất cao nên đường đặc trưng B(H) rất dốc, có nghĩa cảm ứng từ B trong lõi rất nhậy với biến đổi nhỏ của từ trường và rất dễ đạt trạng thái bão hòa từ thông. Thông số từ của một số vật liệu

được chỉ ra ở bảng 3.1 cuối chương 3. Suất điện động trên hai đầu cuộn dây thứ cấp: Era-d/dt= -AdB/dt= -Ad[Be0sin(t+)]/dt (3.20)

a) b)

c) d)

Hình 3.13-Mô phỏng dạng tín hiệu trong sensor khi từ trường ngoài H0 =0. a) Dòng điện biến đổi dạng sine trên hai cuộn dây mắc xung đối, b) Từ thông

trong hai lõi bị bão hòa, c) Tín hiệu Era do biến thiên từ thông trên hai lõi gây ra, d) Era tổng cộng bị triệt tiêu

Tuy nhiên, khi B đạt giá trị bão hòa, Era có giá trị bằng 0. Như vậy, tùy theo việc B bị bão hòa ít hay nhiều mà độ rộng của tín hiệu Era lớn hay nhỏ. Hình 3.13 là kết quả mô phỏng giản đồ biến đổi theo thời gian của dòng điện kích thích sensor (hình 3.13 a), trong đó đường màu đỏ là từ trường kích thích được đưa vào lõi thứ

nhất của sensor fluxgate, đường màu xanh là từ trường kích thích đưa vào lõi thứ hai của sensor do cuộn dây quấn trên hai lõi xung đối nhau nên từ trường kích thích trên hai lõi có cùng độ lớn nhưng ngược hướng nhau.

Do có từ trường biến đổi kích thích trong hai lõi sẽ có biến thiên từ thông, cho đến khi cảm ứng từ B đạt trạng thái bão hòa (hình 3.13 b) và tổng hợp tín hiệu Era (hình 3.13 c và hình 3.13 d).

Điều kiện để các thông số biến đổi như trên giản đồ hình 3.13 là hai cuộn dây xung đối rất tương xứng, cường độ dòng điện i đủ lớn để cấp từ trường He gây bão hòa lõi và không có ảnh hưởng của từ trường bên ngoài (H0=0) lên sensor.

a) b)

c) d)

Trường hợp bên ngoài sensor có từ trường H10 tác động, mức cân bằng của từ trường kích thích bị dịch đi tương ứng một khoảng H1 (hình 3.14 a). Sự dịch gốc này gây nên tình trạng mất đối xứng khi đạt trạng thái bão hòa theo đặc trưng B(H) của vật liệu (hình 3.14 b). Hệ quả của việc mất đối xứng là biến thiên của cảm ứng từ trên mỗi lõi vật liệu gây ra một suất điện động khác nhau ở cuộn dây thứ cấp (hình 3.14 c). Khi đó suất điện động Era tổng cộng sẽ khác không và có dạng như trên hình 3.14 d. Từ kết quả mô phỏng giản đồ tín hiệu, chúng ta dễ dàng nhận thấy rằng, khi bên ngoài sensor có từ trường H1 tác động, tín hiệu Era có tần số f2=2fe, tức tần số tín hiệu ra gấp đôi tần số dòng điện kích thích cuộn sơ cấp fe.

a) b)

c) d)

Trường hợp bên ngoài sensor có từ trường H2>H1 tác động. Ta thu được kết quả tương tự (hình 3.15) nhưng độ rộng xung tại lối ra cuộn dây thứ cấp lớn hơn trường hợp H1.

Khi đảo chiều từ trường kích thích lúc này thời gian đạt đến trạng thái cân bằng từ thông của hai lõi đảo ngược, lõi thứ nhất (tín hiệu kích thích vào màu xanh hình 3.16 a) có thời gian đạt đến trạng thái cân bằng từ thông dài hơn lõi thứ hai (tín hiệu kích thích vào là đường màu đỏ hình 3.16 b) kết quả là thu được tín hiệu tại đầu ra của sensor bị đảo ngược như hình vẽ 3.16

a) b)

c) d)

Hình 3.16- Mô phỏng dạng tín hiệu khi đảo chiều từ trường tác động

Dùng Matlab mô phỏng dạng tín hiệu của từ trường kích thích vào lõi thứ nhất và thứ hai bằng cách vẽ hàm y=4sin(10t) trên các khoảng thời gian khác nhau. Trên hình 3.13 a, đường màu xanh là dòng điện kích thích lên lõi thứ nhất, đường

màu đỏ là dòng điện kích thích lên lõi thứ hai. Tín hiệu kích thích là tín hiệu hình sine nhưng để dễ dàng cho việc quan sát tín hiệu ra chúng tôi mô phỏng tín hiệu kích thích bị “kéo dài” theo trục thời gian sau nửa chu kỳ. Do hai cuộn dây mắc xung đối nên ta thấy tín hiệu kích thích vào hai lõi là đối xứng nhau. Với tín hiệu kích thích như vậy từ thông trong hai lõi được tính bằng biểu thức B=μH do vật liệu làm lõi sensor có đường đặc trưng B(H) rất dốc, ta có thể coi μ gần đúng là hằng số. Trong phần mô phỏng chúng tôi chọn μ=100 (trong thực tế, vật liệu có giá trị μ rất lớn, nhưng dạng tín hiệu mô phỏng hoàn toàn tương tự), khi đó B=400sin(10t). Do hiện tượng bão hòa từ, từ thông trong lõi tăng đến một giá trị giới hạn, để mô phỏng hiện tượng này chúng tôi dùng hàm find để tìm các giá trị từ thông nhỏ hơn giá trị bão hòa được chọn là 300 và vẽ được dạng của từ thông trong hai lõi như hình 3.13 b. Kết hợp với việc giải phương trình đại số khi B đạt giá trị bão hòa B=300 chúng tôi tính được thời gian từ thông trong lõi tăng từ 0 đến giá trị bão hòa. Mỗi lõi cần mất một thời gian xác định để đạt đến trạng thái bão. Ta có thể tính điện thế lối ra ở hai đầu cuộn thứ cấp bằng công thức 3.20. Cụ thể trong trường hợp này chúng tôi tính đạo hàm của hàm B=400sin(10t ) và tính được giá trị của điện thế lối ra là Era=dB/dt=4000cos(10t) vẽ hàm này trong thời gian B đạt từ 0 đến giá trị bão hòa của từng lõi ta được dạng của điện thế lối ra của từng lõi. Tổng tín hiệu của lõi thứ nhất và lõi thứ hai cho ta dạng của điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp. Hình 3.13 do không có từ trường ngoài kích thích (hình 3.13 a), thời gian đạt đến trạng thái bão hòa trong hai lõi là như nhau, điện thế lối ra trên hai lõi đối xứng nhau (hình 3.13 c) nên tổng của hai tín hiệu này bằng 0 (hình 3.13 d). Đối với các trường hợp mô phỏng khi có từ trường kích thích (hình 3.14 a, hình 3.15 a, hình 3.16 a) thời gian đạt đến trạng thái bão hòa từ thông ở hai lõi khác nhau dẫn đến sự mất đối xứng kết quả là tổng hợp hai tín hiệu sẽ khác không và có dạng như chỉ ra ở hình 3.14 d, hình 3.15 d và hình 3.16 d. Với các kết quả mô phỏng như ở trên chúng tôi có nhận xét rằng: từ trường kích thích càng mạnh thì tín hiệu lối ra có độ rộng và biên độ càng lớn.

3.4.3 Mô phỏng sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu ra theo từ trường

Căn cứ theo kết quả mô phỏng như trên hình 3.13, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng xác định mối quan hệ chuyển đổi tín hiệu từ trường ngoài H0 và suất điện động lối ra Era của sensor. Tín hiệu Era được xử lý theo kỹ thuật tích phân một phía để tạo mức một chiều biến đổi chậm. Kết quả cho thấy sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu lối ra sensor theo theo độ lớn từ trường bên ngoài có dạng phi tuyến như trên hình 3.13. Đặc trưng này cho thấy ứng với mỗi vật liệu làm lõi, cần phải chọn dải đo và dòng điện kích thích phù hợp để vùng nhậy cảm của sensor rơi vào khoảng tuyến tính (ví dụ khoảng 0-1 trên đặc trưng hình 3.17).

Việc lựa chọn vùng từ trường làm việc của sensor có thể thực hiện bằng khảo sát thực nghiệm.

Hình 3.17- Đồ thị sự phụ thuộc của biên độ Era theo H0

c) Quan sát tín hiệu trên sensor thực

Chúng tôi đã khảo sát thực nghiệm trên một mẫu sensor fluxgate được lắp ráp tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Khoa học Vật liệu và thu được các tín hiệu như chỉ ra trên hình 3.18.

Từ các kết quả mô phỏng dạng chuyển đổi tín hiệu trong sensor và kết quả khảo sát thực nghiệm trên sensor thực, chúng tôi nhận thấy rằng các kết quả mô

Era

phỏng trùng khớp với thực tế. Khi từ trường xung quanh đầu dò rất nhỏ thì tín hiệu ra sẽ có dạng hình 3.18 a, tín hiệu ra khi có từ trường kích thích mạnh hơn có dạng như hình 3.18 b. Khi tiếp tục tăng từ trường thì tín hiệu ra có dạng như hình 3.18 c, đảo chiều từ trường tác động ta nhận được tín hiệu ra như hình 3.18 d, tín hiệu này có dạng ngược với tín hiệu chỉ ra ở hình 3.18 c.

a) b)

c) d)

Hình 3.18-Tín hiệu tại đầu ra sensor: a) Trường hợp gần lý tưởng, b) Có phông từ trường, c) Có từ trường tác động, d) có từ trường ngược hướng với từ trường ở

trường hợp c tác động.

Tín hiệu quan sát thực tế đã khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết từ hóa và kết quả mô phỏng hiện tượng trong sensor fluxgate. Một yếu tố vô cùng quan trọng

trong chế tạo sensor nhậy thăng giáng từ trường nhỏ là vật liệu làm lõi. Bảng 3.1 dưới đây đưa ra một số thông số của vật liệu làm lõi sắt từ

Bảng 3.1 Thuộc tính từ của một số vật liệu thường dùng [12].

Vật liệu Độ từ thẩm tương đối ban đầu 0 / i   Độ từ thẩm cực đại ax/ 0 m   Trường từ dư Br Wb/m2 (G) Từ trường bão hòa Bs Wb/m2 Điện trở suất 8 10    Ω.m Ứng dụng Sắt thông dụng(nguyên chất 0.2%) 250 9000 0.77(7700) 2.15(21,500) 10 Rơle Sắt 10,000 200,000 0.77(7700) 2.15(21,500) 10 Silicon-iron (4Si) 1500 7000 0.5(5000) 1.95(19,500) 60 Biến thế Silicon-iron (3Si) 7500 55000 0.95(9500) 2(20,000) 50 Biến thế Vật liệu Mu (5 Cu, 2 Cr, 77 Ni) 20,000 100,000 0.23(2300) 0.65(6500) 62 Biến thế 78 Peralloy (78,5 Ni) 8000 100,000 0.6(6000) 1.08(10,800) 16 Rơle nhậy Supermalloy (79 Ni, 5 Mo) 100,000 1,000,000 0.5(5000) 0.79(7900) 60 Biến thế Permendur (50 Cs) 800 5000 1.4(14000) 2.45(24,500) 7 Nam châm Mn-Zn ferrite 1500 2500 1.4(14000) 0.34(3400) 20.105 Ni-Zn ferrite 2500 5000 1.4(14000) 0.32(3200) 1011

CHƯƠNG 4

THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG NHỎ

Trên cơ sở nghiên cứu cơ chế chuyển đổi tín hiệu của sensor phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate, trong chương này, chúng tôi trình bày một số nghiên cứu khảo sát tín hiệu đo thu được trên hệ thực nghiệm. Việc đánh giá độ nhạy của hệ đo được thực hiện thông qua các nguồn tạo từ trường. Giá trị cảm ứng từ tại điểm bất kỳ trong không gian do các nguồn này gây ra được tính toán theo công thức lý thuyết.

4.1 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ[19]

Hình 4.1- Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

Giải thích hoạt động của các khối trong thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

Hình 4.1 là sơ đồ khối của thiết bị đo. Các khối chức năng chính của thiết bị bao gồm:

1. Khối phát xung

Linh kiện chủ yếu trong khối là các IC 4011 thuộc loại CMOS. Nhiệm vụ của khối là tạo ra xung vuông tần số 10 kHz. Khối phát xung Chia tần Khối tạo sóng sine Khuếch đại công suất Khuếch đại Xử lý Chỉ thị SENSOR (đầu dò) ADC PC

2. Khối chia tần

Linh kiện chủ yếu trong khối là các IC 4013 thuộc loại CMOS. Nhiệm vụ của khối này là tạo ra các xung vuông đều đặn

3. Khối tạo sóng sine và khối khuếch đại công suất

Nhiệm vụ của các khối này là tạo sóng hình sine đơn sắc đủ công suất để nuôi sensor

4. Đầu dò từ trường nhỏ

Là sensor fluxgate cấu tạo bởi 2 lõi permalloy, mỗi lõi gồm nhiều lá có chiều dài 100 mm, rộng 5 mm và dày 0,3 mm. Cuộn sơ cấp bao gồm 2 cuộn dây được quấn trên hai lõi permalloy. Mỗi cuộn dây gồm 800 vòng, có đường kính dây 0,05 mm. Cuộn thứ cấp gồm 400 vòng dây, kích thước 0,03 mm bao xung quanh toàn bộ hai lõi permalloy và các cuộn sơ cấp hình 3.12.

Hình 4.2- Kết quả thực nghiệm được hiển thị trên máy tính

5. Khối xử lý tín hiệu

Có thể sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu nhỏở lối ra của sensor như sau: + Phương pháp chỉnh lưu tích phân

6. Khối chỉ thị

Sau khối xử lý, tín hiệu đo có thể đồng thời đưa đến khối chỉ thị mức điện áp một chiều và khối ghép nối máy tính để quan sát và lưu số liệu (hình 4.2)

4.2 Khảo sát phản ứng của thiết bị đo theo phông từ trường

Chúng tôi đã thực hiện rất nhiều phép đo phông từ trường tại phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Hình 4.3 là số liệu thăng giáng phông từ trường ngày 21/9/2011 và hình 4.4 là số liệu ghi ngày 22/9/2011.

Tín hiệu ra được ghi trên đồng hồ hiện số đa năng phân giải cao Keithley (Mỹ), thời gian lấy mẫu là 5s.

Hình 4.3- Phông từtrường đo tại phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu ngày 21.9.2011

Nhận xét: Tín hiệu phông từ trường ghi nhận được trên hình 4.3 và 4.4 chứng tỏ khả năng phát hiện thăng giáng nhỏ của từ trường ngoài tác động nên đầu dò. Độ lớn cảm ứng từ của phông từ trường trái đất có giá trị nhỏ hơn 1 Gauss. Sự thăng giáng trên được ghi trong điều kiện biến động phông từ cao, do xung quanh phòng thí nghiệm đang thi công xây dựng cơ bản.

Tuy nhiên, dứt đợt thi công, tín hiệu lại trở về trạng thái cân bằng.

Hình 4.4- Phông từ trường đo tại phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu ngày 22.9.2011

Chúng tôi đã thực hiện ghi tín hiệu phông từ trường thông qua hệ thống ghép nối máy tính. Tín hiệu thăng giáng từ trường nhỏ ghi ngày 03/10/2011 có dạng như trên hình 4.5 và hình 4.6. Dạng tín hiệu thu được chứng tỏ hoạt động của hệ thống quan sát và ghi số liệu. Tuy nhiên, chưa thể kết luận về độ nhạy từ trường nhỏ của hệ thống và tín hiệu ghi được có thể do tạp nhiễu gây ra, hoặc còn chưa có sự tham gia của tín hiệu so sánh.

Hình 4.6- Phông từ trường đo ngày 3.10.2011 tại phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Khoa học vật liệu

4.3 Khảo sát phản ứng của thiết bị đo khi có nguồn từ trường ngoài

4.3.1 Từ trường do dòng điện thẳng

Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng một dòng điện thẳng, chạy trong dây dẫn dài 1,2m làm nguồn phát sinh từ trường. Trên hình vẽ bên, A là đoạn dây dẫn điện, B là đầu dò từ trường. Đầu dò từ trường có phương vuông góc với mặt phẳng tờ giấy. Khoảng cách từ sợi dây đến tâm đầu dò là r. Thay đổi các giá trị dòng điện I và khoảng cách r, ta sẽ có độ lớn cảm ứng từ B do dòng điện tác dụng nên đầu dò khác nhau, tính được theo công thức lý thuyết:

0 1 2 (cos cos ) 4 I B R       (4.1)

Trên hình 4.7 là tín hiệu ghi nhận được trong trường hợp chọn dây dẫn có độ dài l=1.2m, cường độ dòng điện I=160 mA và khoảng cách r=1cm. Căn cứ theo kết quả mô phỏng tại chương 3, với r lựa chọn như trên, sợi dây có thể được xem là vô hạn. Khi đó, cảm ứng từ B tại tâm đầu dò được tính:

7 3 8 0 2 4 .10 .160.10 320.10 3, 2 2 2 .1.10 I B T T r              (4.2)

Tín hiệu trên hình 4.7 tách biệt thành hai mức: mức cao tương ứng với trạng thái trong dây dẫn có dòng điện I=160 mA, mức thấp ứng với trạng thái dòng điện I=0. Như vậy, thiết bị đã phát hiện rất rõ sự có mặt của từ trường nhỏ bên ngoài đầu dò.

Vì đầu dò có đặc tính rất nhạy với đường sức từ theo phương song song với trục chính, nên việc sử dụng nguồn từ trường của dòng điện thẳng dẫn đến việc giá trị hiệu dụng của B qua đầu dò là nhỏ. Có thể biểu diễn như sau: Bhd=kB0 (4.3)