Luận Văn Thạc Sĩ Về Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường Nhỏ

Luận văn thạc sĩ HUS về thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, nghiên cứu ứng dụng và công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực vật lý.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Luân
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Quốc Triệu
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử
• Đề tài: Thiết Bị Phát Hiện Thăng Giáng Từ Trường Nhỏ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÍ SENSOR PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG
• 1.1. Một số nguyên lí vật lí chuyển đổi tín hiệu từ - điện
• 1.1.1. Hiệu ứng Hall
• 1.1.2. Hiệu ứng Spin Hall
• 1.1.3. Hiệu ứng Faraday – Henry
• 1.1.4. Hiệu ứng Barkhausen
• 1.1.5. Hiệu ứng Nernist/Ettinghausen
• 1.1.6. Hiệu ứng từ trở
• 1.1.7. Hiệu ứng Dopper
• 1.2. Một số sensor đo từ trường
• 1.2.1. Sensor hiệu ứng Hall
• 1.2.2. Sensor proton precession
• 1.2.3. Sensor bơm quang học
• 1.2.4. Sensor SQUID

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường Nhỏ

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng. Từ trường nhỏ có thể ảnh hưởng đến nhiều hiện tượng tự nhiên và công nghệ. Việc phát hiện và đo đạc chính xác từ trường nhỏ giúp con người hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý, từ đó ứng dụng vào thực tiễn. Các thiết bị này không chỉ giúp trong nghiên cứu khoa học mà còn có ứng dụng trong công nghiệp, y tế và môi trường.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý vật lý khác nhau. Một trong những nguyên lý phổ biến là hiệu ứng Hall, nơi mà một từ trường vuông góc với dòng điện trong vật liệu sẽ tạo ra một điện trường. Nguyên lý này cho phép đo đạc chính xác cường độ từ trường. Ngoài ra, còn có các nguyên lý khác như hiệu ứng Spin Hall và hiệu ứng Faraday, mỗi loại đều có ứng dụng riêng trong việc phát hiện từ trường.

1.2. Các Loại Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường Nhỏ

Có nhiều loại thiết bị phát hiện từ trường nhỏ, bao gồm sensor hiệu ứng Hall, sensor proton precession, và sensor SQUID. Mỗi loại thiết bị có ưu điểm và nhược điểm riêng. Sensor hiệu ứng Hall thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, trong khi sensor SQUID có độ nhạy cao hơn, thích hợp cho các nghiên cứu khoa học. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Phát Hiện Từ Trường Nhỏ

Mặc dù thiết bị phát hiện từ trường nhỏ đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề lớn là độ nhạy và độ chính xác của các thiết bị. Nhiều thiết bị hiện tại vẫn gặp khó khăn trong việc phát hiện từ trường yếu trong môi trường có nhiều nhiễu. Ngoài ra, việc phát triển các công nghệ mới để cải thiện tỉ số S/N cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ Nhạy và Độ Chính Xác Của Thiết Bị

Độ nhạy và độ chính xác là hai yếu tố quan trọng trong việc phát hiện từ trường nhỏ. Các thiết bị hiện tại thường gặp khó khăn trong việc phát hiện từ trường yếu, đặc biệt là trong môi trường có nhiều nhiễu. Việc cải thiện độ nhạy đòi hỏi nghiên cứu và phát triển công nghệ mới, cũng như tối ưu hóa thiết kế của các thiết bị.

2.2. Nhiễu và Ảnh Hưởng Từ Môi Trường

Nhiễu từ môi trường có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả đo đạc của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ. Các yếu tố như từ trường xung quanh, điện từ trường và các yếu tố vật lý khác có thể gây ra sai số trong kết quả. Do đó, việc phát triển các phương pháp lọc nhiễu và cải thiện thiết kế thiết bị là rất cần thiết.

III. Phương Pháp Nâng Cao Tỉ Số S N Trong Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường

Để nâng cao tỉ số S/N trong thiết bị phát hiện từ trường nhỏ, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng kỹ thuật Boxcar, cho phép lọc nhiễu và cải thiện độ chính xác của kết quả đo. Việc áp dụng các công nghệ mới như cảm biến nano cũng đang được xem xét để nâng cao hiệu suất của thiết bị.

3.1. Kỹ Thuật Boxcar Trong Nâng Cao Tỉ Số S N

Kỹ thuật Boxcar là một phương pháp hiệu quả để nâng cao tỉ số S/N trong thiết bị phát hiện từ trường. Phương pháp này cho phép lọc nhiễu và cải thiện độ chính xác của kết quả đo. Việc áp dụng kỹ thuật này trong thiết kế thiết bị có thể giúp tăng cường khả năng phát hiện từ trường nhỏ, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ nhạy cao.

3.2. Ứng Dụng Công Nghệ Nano Trong Thiết Bị Phát Hiện

Công nghệ nano đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển thiết bị phát hiện từ trường nhỏ. Các cảm biến nano có khả năng phát hiện từ trường với độ nhạy cao hơn so với các thiết bị truyền thống. Việc nghiên cứu và phát triển các cảm biến này có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của thiết bị phát hiện từ trường.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường Nhỏ

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Trong công nghiệp, chúng được sử dụng để kiểm tra và giám sát các thiết bị điện. Trong y tế, thiết bị này có thể giúp phát hiện các vấn đề liên quan đến sức khỏe con người. Ngoài ra, thiết bị còn có ứng dụng trong nghiên cứu khoa học và môi trường.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, thiết bị phát hiện từ trường nhỏ được sử dụng để kiểm tra và giám sát các thiết bị điện. Việc phát hiện sớm các vấn đề liên quan đến từ trường có thể giúp ngăn ngừa hư hỏng và tiết kiệm chi phí. Các thiết bị này cũng được sử dụng trong các quy trình sản xuất để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

4.2. Ứng Dụng Trong Y Tế

Trong y tế, thiết bị phát hiện từ trường nhỏ có thể giúp phát hiện các vấn đề liên quan đến sức khỏe con người. Ví dụ, các thiết bị này có thể được sử dụng để theo dõi hoạt động của tim hoặc phát hiện các bệnh lý liên quan đến từ trường. Việc ứng dụng công nghệ này trong y tế có thể cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường Nhỏ

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị này sẽ ngày càng chính xác và nhạy bén hơn. Tương lai của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới, từ công nghiệp đến y tế và nghiên cứu khoa học.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Xu hướng phát triển công nghệ trong lĩnh vực phát hiện từ trường nhỏ đang hướng tới việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của thiết bị. Các nghiên cứu mới về cảm biến nano và các phương pháp lọc nhiễu sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của thiết bị.

5.2. Tương Lai Của Ứng Dụng Thiết Bị

Tương lai của ứng dụng thiết bị phát hiện từ trường nhỏ rất rộng mở. Các lĩnh vực như y tế, công nghiệp và nghiên cứu khoa học sẽ tiếp tục được hưởng lợi từ những tiến bộ trong công nghệ phát hiện từ trường. Việc phát triển các thiết bị mới sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việc phát hiện và đo lường các thăng giáng từ trường nhỏ đóng vai trò cốt lõi trong nghiên cứu địa vật lý, khí tượng học, y sinh học và kỹ thuật quân sự hiện đại. Trong tự nhiên, trường địa từ trên bề mặt Trái đất dao động trong khoảng từ 20 µT đến 70 µT, trong khi các thăng giáng cục bộ do bão từ hoặc dị thường địa chất thường có biên độ cực nhỏ, dao động từ 0.1 nT đến 1 mT. Tuy nhiên, việc thu nhận các tín hiệu từ trường yếu này thường xuyên bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi tạp âm nội tại của linh kiện và nhiễu điện từ trường môi trường.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài là xây dựng một hệ thống thiết bị đo có độ nhạy cao, độ ổn định nhiệt vượt trội và khả năng lọc tách tín hiệu hữu ích ra khỏi nền nhiễu phức tạp. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh phần cứng đầu dò cảm biến từ trường theo nguyên lý cổng từ thông Fluxgate, xây dựng các mạch điện tử xử lý tín hiệu tương tự (Analog), kết nối vi điều khiển thu thập dữ liệu với máy tính và nghiên cứu giải pháp nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) thông qua thuật toán tích phân hộp Boxcar.

Nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2012, nằm trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu trọng điểm cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mang mã số QGTĐ.27. Ý nghĩa học thuật và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc làm chủ công nghệ chế tạo cảm biến từ trường yếu tại Việt Nam, mang lại giải pháp đo lường có hệ số khuếch đại điện áp trên 200 lần, cho phép phát hiện chính xác các tín hiệu điện áp thăng giáng ở mức từ 1 mV đến 800 mV với sai số tuyến tính được khống chế dưới 2%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết cảm ứng điện từ Faraday - Henry và đặc tính từ hóa phi tuyến của vật liệu sắt từ mềm. Khi từ trường ngoài biến thiên chậm, suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp của cảm biến Fluxgate tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông và đạo hàm độ từ thẩm hiệu dụng theo thời gian. Sự bão hòa từ định kỳ của lõi sắt từ dưới tác động của dòng kích thích xoay chiều tạo ra tín hiệu sức điện động chứa hài bậc hai, mang thông tin trực tiếp về cường độ và chiều của từ trường ngoài cần đo.

Bên cạnh đó, khung lý thuyết về tạp âm trong mạch điện tử của nhà vật lý Van Der Ziel được áp dụng để phân tích các nguồn nhiễu nội tại. Hai mô hình nhiễu chính được lượng hóa gồm: tạp âm nhiệt Johnson - Nyquist sinh ra từ chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của hạt tải với mật độ phổ điện áp được tính bằng công thức bốn lần tích của hằng số Boltzmann (1.38 x 10^-23 J/K), nhiệt độ tuyệt đối và điện trở; cùng với tạp âm nổ Shot sinh ra khi hạt tải vượt qua rào thế với mật độ phổ dòng điện tỷ lệ với hai lần tích của điện tích nguyên tố (1.602 x 10^-19 C) và dòng một chiều. Các khái niệm cốt lõi khác gồm tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (S/N), hệ số tạp âm F đo bằng decibel (dB), và phương pháp tích phân trung bình Boxcar nhằm khôi phục dạng sóng tuần hoàn bị nhiễu che lấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình đo lường trực tiếp trên hệ thiết bị chế tạo tại phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập dữ liệu đo đạc lặp lại trên 12 mẫu vật liệu từ cứng có từ trường bề mặt chuẩn lên đến 1167 Gauss, kết hợp với chuỗi 2000 điểm dữ liệu thời gian thực được ghi nhận liên tục qua cổng giao tiếp máy tính trong mỗi chu kỳ khảo sát.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu thực nghiệm có chủ đích, xác lập các khoảng cách tịnh tiến không gian rời rạc từ 0 cm đến 32.5 cm giữa nguồn phát từ trường và đầu dò cảm biến để đánh giá độ nhạy và dải động của hệ thống.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích dạng sóng trên dao động ký kết hợp mô phỏng tích phân Boxcar trên phần mềm Matlab là vì phương pháp này cho phép phân tích định lượng đồng thời cả miền thời gian và miền tần số. Kỹ thuật này giúp tách lọc chính xác thành phần hài bậc hai ở tần số 5 kHz, triệt tiêu hiệu quả các xung nhiễu ngẫu nhiên không đồng bộ và kiểm chứng sự tương thích giữa phần cứng mạch tương tự với chương trình điều khiển viết trên Visual Basic thông qua vi điều khiển ATmega8 lấy mẫu ở tần số 100 Hz.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công đầu dò Fluxgate lõi kép sử dụng 2 lá vật liệu từ mềm Permalloy có kích thước chiều dài 200 mm, chiều rộng 5 mm và độ dày 0.03 mm. Cuộn sơ cấp gồm 2 cuộn dây quấn xung đối với 400 vòng dây đường kính 0.08 mm, kết hợp cuộn thứ cấp 600 vòng dây đường kính 0.01 mm bao bọc toàn bộ hai lá Permalloy. Kết cấu này tạo ra khả năng tự triệt tiêu tín hiệu hài cơ bản khi cân bằng và xuất hiện rõ nét sóng hài bậc hai 5 kHz khi có từ trường ngoài tác động.

Thứ hai, mạch phát xung sử dụng vi mạch CMOS 4011 tạo ra dao động gốc 10 kHz ổn định. Sau khi đi qua mạch chia tần sử dụng 2 vi mạch CMOS 4013, tần số được hạ 4 lần xuống đúng 2.5 kHz với độ đối xứng chu kỳ hoàn hảo (độ trống 50%), giúp giảm thiểu hơn 85% độ méo phi tuyến của sóng sin cấp dòng nuôi cảm biến so với nguồn phát xung thông thường.

Thứ ba, khối khuếch đại tín hiệu nhỏ sử dụng chuỗi khuếch đại thuật toán TL082 đạt hệ số khuếch đại điện áp K vượt mức 200 lần. Tầng khuếch đại được ghép nối qua tụ liên lạc để loại bỏ hiện tượng trôi mức một chiều, kết hợp mạch khuếch đại chỉnh lưu tích phân biến đổi điện áp xoay chiều thành mức điện áp một chiều ổn định từ 0 mV đến 800 mV với độ gợn sóng dưới 1.5%.

Thứ tư, khối ghép nối máy tính sử dụng vi điều khiển ATmega8 tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10-bit với tần số lấy mẫu 100 Hz mỗi kênh và điện áp chuẩn 5 V. Hệ thống tiếp nhận thành công tín hiệu có biên độ ngõ vào nhỏ từ 1 mV, cho phép giám sát trực quan biến thiên từ trường theo thời gian thực trên giao diện Visual Basic với dải thời gian hiển thị từ 0 ms đến 2000 ms.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt độ nhạy cao nằm ở cơ chế từ hóa ngược chiều của hai lá Permalloy trong cuộn sơ cấp. Khi không có từ trường ngoài, từ thông sinh ra trong hai lõi triệt tiêu lẫn nhau, làm điện áp cảm ứng ở cuộn thứ cấp xấp xỉ bằng không. Khi xuất hiện từ trường ngoài dù rất nhỏ, điểm làm việc bão hòa từ của hai lõi bị dịch chuyển lệch pha, kích thích sức điện động cảm ứng ở tần số hài bậc hai 5 kHz với biên độ tỷ lệ thuận với cường độ từ trường cần đo.

So với các nghiên cứu sử dụng cảm biến từ trở khổng lồ (GMR) với độ biến thiên điện trở chỉ từ 1% đến 2%, hay cảm biến SQUID đòi hỏi môi trường nhiệt độ heli lỏng cực thấp 4.2 K vô cùng đắt đỏ, thiết bị Fluxgate trong luận văn thể hiện tính ưu việt vượt trội về chi phí chế tạo, độ bền cơ học và khả năng vận hành ổn định ở nhiệt độ phòng trong dải từ -80°C đến 80°C.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa thông qua đồ thị biểu diễn quan hệ giữa khoảng cách dịch chuyển mẫu từ (từ 0 cm đến 32.5 cm) và điện áp ngõ ra (từ 0 mV đến 800 mV). Đồ thị chỉ ra đặc tính suy giảm phi tuyến rõ rệt theo khoảng cách, đồng thời bảng thông số so sánh giữa mạch khuếch đại thẳng và khuếch đại vi sai sử dụng IC LM324 đã chứng minh mạch vi sai giúp triệt tiêu tạp âm đồng pha tốt hơn 24 dB.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt và kích thước hình học của lõi từ Permalloy. Động từ hành động: Tinh chế và ủ nhiệt chân không màng từ; Mục tiêu chỉ số: Nâng cao độ từ thẩm ban đầu của lá Permalloy nhằm tăng độ nhạy cảm biến lên thêm 35% và giảm giới hạn phát hiện từ trường xuống dưới mức 0.05 nT; Lộ trình thực hiện: 6 tháng; Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu vật liệu từ thuộc Viện Khoa học Vật liệu.

Thứ hai, nâng cấp cấu trúc phần cứng thu thập dữ liệu bằng bộ chuyển đổi tương tự - số độ phân giải cao. Động từ hành động: Thay thế vi điều khiển ATmega8 10-bit bằng vi mạch ADC 24-bit chuyên dụng; Mục tiêu chỉ số: Đạt tốc độ lấy mẫu 1000 Hz, mở rộng dải động lên trên 120 dB và nâng độ phân giải điện áp đạt mức microvolt; Lộ trình thực hiện: 3 tháng; Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thiết kế phần cứng phòng thí nghiệm Điện tử và Vô tuyến.

Thứ ba, tích hợp trực tiếp thuật toán lọc số và xử lý tín hiệu Boxcar vào chip xử lý nhúng. Động từ hành động: Lập trình hóa thuật toán Boxcar trên nền tảng vi xử lý ARM Cortex hoặc DSP; Mục tiêu chỉ số: Tự động cải thiện tỉ số S/N thêm ít nhất 18 dB ngay tại ngõ ra của thiết bị mà không cần phụ thuộc vào phần mềm máy tính; Lộ trình thực hiện: 9 tháng; Chủ thể thực hiện: Đội ngũ phát triển phần mềm nhúng và xử lý tín hiệu số.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình đóng gói và thử nghiệm quan trắc dã ngoại. Động từ hành động: Thiết kế vỏ bọc chống nhiễu từ tính đạt chuẩn kháng nước IP67; Mục tiêu chỉ số: Duy trì hoạt động đo liên tục 24/7 với sai số trôi điểm không dưới 0.5 mV trong suốt 30 ngày thử nghiệm thực địa; Lộ trình thực hiện: 12 tháng; Chủ thể thực hiện: Trung tâm Mạng lưới Khí tượng Thủy văn và Địa vật lý Quốc gia phối hợp cùng các trường đại học kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý vô tuyến, Kỹ thuật điện tử và Kỹ thuật đo lường: Luận văn cung cấp toàn bộ sơ đồ nguyên lý từ mạch phát xung 10 kHz, mạch chia tần 2.5 kHz bằng IC 4013, mạch tạo sóng sin, đến các khối khuếch đại vi sai dùng TL082 và LM324, hỗ trợ trực tiếp cho các đề tài nghiên cứu thiết kế mạch xử lý tín hiệu nhỏ.

Nhóm kỹ sư địa vật lý và cán bộ kỹ thuật tại các cơ quan khảo sát khoáng sản, trắc địa: Nắm bắt phương pháp chế tạo đầu dò Fluxgate lõi Permalloy chi phí thấp để ứng dụng chế tạo các thiết bị đo thăng giáng địa từ trường trong dải từ 20 µT đến 70 µT, phục vụ thăm dò địa tầng và khoáng sản từ tính trong lòng đất.

Nhóm lập trình viên hệ thống nhúng và chuyên gia xử lý tín hiệu: Khai thác phương pháp ghép nối thiết bị qua cổng USB bằng chuẩn VisualCOM, kỹ thuật lập trình giao diện thu thập dữ liệu bằng Visual Basic và phương pháp mô phỏng thuật toán lọc tích phân Boxcar trên Matlab để khôi phục các tín hiệu biên độ dưới 1 mV bị chôn vùi trong nhiễu.

Nhóm doanh nghiệp công nghệ quốc phòng và an ninh: Tham khảo nguyên lý cấu tạo cảm biến từ trường yếu để ứng dụng vào việc phát hiện từ xa các phương tiện cơ giới bọc thép, tàu ngầm, vũ khí kim loại và các thiết bị giám sát giao thông thông minh.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên lý hoạt động cốt lõi của đầu dò từ trường nhỏ Fluxgate trong nghiên cứu là gì? Đầu dò sử dụng 2 lá Permalloy đặt song song với 2 cuộn sơ cấp 400 vòng quấn xung đối và một cuộn thứ cấp 600 vòng bọc ngoài. Khi kích thích dòng 2.5 kHz, hai lõi bị bão hòa từ ngược chiều. Từ trường ngoài làm lệch tính đối xứng, sinh ra sức điện động cảm ứng ở hài bậc hai 5 kHz có biên độ tỷ lệ tuyến tính với từ trường cần đo.

Tại sao hệ thống cần sử dụng mạch chia tần từ 10 kHz xuống 2.5 kHz thay vì tạo trực tiếp tần số 2.5 kHz? Mạch phát xung gốc dùng IC 4011 tạo dao động 10 kHz có độ rộng xung không đồng đều. Việc sử dụng 2 tầng vi mạch chia tần CMOS 4013 chia đôi hai lần giúp tạo ra sóng vuông 2.5 kHz có độ trống chính xác 50%, đảm bảo dạng sóng sin nuôi cảm biến đạt độ thuần khiết cao và giảm méo phi tuyến dưới 1.5%.

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) được cải thiện bằng những giải pháp kỹ thuật nào trong luận văn? Hệ thống kết hợp đồng thời giải pháp phần cứng và phần mềm: sử dụng mạch khuếch đại vi sai triệt tạp âm đồng pha, mạch lọc chỉnh lưu tích phân phân tầng bằng tụ chống trôi mức một chiều, và ứng dụng phương pháp mô phỏng tích phân hộp Boxcar trên Matlab giúp nâng cao tỉ số S/N thêm hơn 15 dB.

Hệ thống ghép nối máy tính qua vi điều khiển ATmega8 có những thông số kỹ thuật chính nào? Hệ thống sử dụng vi điều khiển ATmega8 với bộ chuyển đổi ADC 10-bit, điện áp tham chiếu 5 V, tốc độ lấy mẫu 100 Hz mỗi kênh, giao tiếp máy tính qua cổng USB chuyển đổi sang chuẩn VisualCOM, phần mềm Visual Basic hiển thị đồ thị trong dải thời gian từ 0 ms đến 2000 ms và xuất dữ liệu dạng bảng tính.

Thiết bị Fluxgate chế tạo trong luận văn có ưu điểm gì so với cảm biến SQUID và cảm biến Hall? Cảm biến SQUID có độ nhạy rất cao nhưng yêu cầu nhiệt độ đông lạnh phức tạp 4.2 K với chi phí cực lớn, trong khi cảm biến Hall chỉ hoạt động tốt với từ trường mạnh trên 50 µT. Thiết bị Fluxgate chế tạo hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng, đo chính xác dải từ trường yếu từ 0.1 nT đến 1 mT với chi phí thấp hơn 90%.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh cảm biến Fluxgate hai lõi Permalloy kích thước 200 x 5 x 0.03 mm với cuộn sơ cấp 400 vòng và cuộn thứ cấp 600 vòng đạt độ nhạy cao.
• Xây dựng thành công hệ thống mạch điện tử tương tự gồm khối phát xung 10 kHz, chia tần 2.5 kHz đối xứng 50%, khuếch đại TL082 hệ số trên 200 lần và chỉnh lưu tích phân một chiều 0 - 800 mV.
• Phát triển module thu thập dữ liệu tự động sử dụng vi điều khiển ATmega8 ADC 10-bit lấy mẫu 100 Hz kết nối máy tính qua Visual Basic và xuất dữ liệu đo thời gian thực.
• Khảo sát thực nghiệm chuẩn xác với 12 mẫu từ trường, khẳng định khả năng phát hiện tín hiệu thăng giáng từ trường biên độ từ 1 mV ở khoảng cách lên tới 32.5 cm.
• Ứng dụng thành công mô hình tích phân Boxcar trên Matlab để cải thiện tỉ số S/N, tạo tiền đề cho việc xử lý số liệu đo từ trường yếu trong môi trường giàu tạp âm.

Đóng góp chính của luận văn là làm chủ hoàn toàn quy trình tính toán, thiết kế phần cứng và thuật toán xử lý tín hiệu cho thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ với giá thành hợp lý và độ chính xác cao. Lộ trình phát triển trong 12 đến 24 tháng tới sẽ tập trung nâng cấp bộ chuyển đổi ADC 24-bit, nhúng thuật toán DSP thời gian thực và đóng gói thiết bị đạt chuẩn dã ngoại phục vụ mạng lưới trạm quan trắc địa từ quốc gia. Các đơn vị nghiên cứu, viện chuyên ngành và doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường hãy chủ động liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để đưa sản phẩm vào ứng dụng thực tiễn trong công tác thăm dò tài nguyên và an ninh quốc phòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Nguyên lí sensor phát hiện từ trường. Chương 2: Thiết kế thiết bị. Chương 3: Cải thiện tỉ số S/N. Chương 4: Một số kết quả thực nghiệm.

8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1 - NGUYÊN LÍ SENSOR PHÁT HIỆN TỪ TRƢỜNG 1.1 Một số nguyên lí vật lí chuyển đổi tín hiệu từ - điện 1.1 Hiệu ứng Hall Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trường vuông góc với hướng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trường vuông góc với cả hướng của dòng điện và hướng của từ trường. Đây là một trong những hiệu ứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor.1: Hiệu ứng Hall Hình 1.1 mô tả một từ trường vuông góc với tấm vật liệu mỏng mang dòng điện. Từ trường tác dụng một lực theo phương ngang FB vào hạt tải chuyển động và đẩy chúng về một phía. Trong khi những hạt tải này được tích lũy tại một bên thì các hạt tải trái dấu lại tích tụ về phía đối diện.

Sự phân tách hạt tải tạo ra một điện trường, điện trường này gây ra lực điện FE. Khi lực điện cân bằng với lực từ thì không diễn ra sự 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] phân tách hạt tải nữa. Kết quả là có một điện thế có thể đo được giữa hai cực của vật liệu, gọi là thế Hall, VHall được tính theo phương trình: IB VHall  (1.1) ned Với I là dòng điện chạy trong vật liệu B: cảm ứng từ, n: mật độ hạt tải của vật liệu e: điện tích của electron ( 1.602 1019 C) d: độ dày của vật liệu Sensor hiệu ứng Hall được sử dụng thường xuyên nhất trong các phép đo từ trường. Sensor Hall hai chiều đã được sử dụng để kiểm soát trường từ trong dải nano- tesla.

Do có khả năng phát hiện ra từ trường nhỏ, hiệu ứng Hall có thể là phương tiện trong việc phát triển hệ cảm biến sử dụng chuỗi từ nano (chuỗi phát ra từ trường rất nhỏ). Một ví dụ về chuỗi từ nano được cung cấp bởi Ejsing, người đã cải tiến những sensor chuỗi từ nano này với độ nhạy khoảng 3µV/Oe mA. Những sensor của họ hoạt động với từ trường của hạt từ kích cỡ 250 nm thường được sử dụng trong những ứng dụng sinh học.2 Hiệu ứng Spin Hall Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng spin ngang với điện trường đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằng trong hệ. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tương tác spin-quỹ đạo.

Đó là lý thuyết được dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov và Perel. Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện tử. Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụng trong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano. Ví dụ Gerber chứng minh rằng SHE có thể sử dụng để cảm biến các tinh thể từ không đẳng hướng và từ trường 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] tồn tại trong thời gian ngắn của hạt nano Co tách xa sắp xếp trong những dãy đơn lớp với bề dày nhỏ hơn 0.

Dòng điện Dòng spin Hình 1.2: Hiệu ứng spin Hall 1.3 Hiệu ứng Faraday – Henry Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng một điện trường được tạo ra khi thay đổi một từ trường (hình 1. Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ. Các sensor và thiết bị âm thanh thời kỳ đầu (như micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tương tự, và rơle lưỡi gà sử dụng hiệu ứng này.3: Hiệu ứng Faraday-Henry 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Mối quan hệ giữa điện trường E và mật độ từ thông B được xác định bởi: d  E  ds   S B  dA dt  (1.3) t Định luật này chi phối anten, các môtơ điện và một số lượng lớn thiết bị điện gồm cả rơle và phần cảm điện trong các mạch thông tin viễn thông.4 Hiệu ứng Barkhausen Năm 1919 Barkhausen thấy rằng khi đặt một từ trường liên tục tăng chậm vào vật liệu sắt từ thì nó sẽ bị từ hóa không liên tục mà theo từng bậc nhỏ. Những thay đổi đột ngột không liên tục trong sự từ hóa là kết quả của những thay đổi rời rạc cả trong kích cỡ và hướng của vùng sắt từ (hay cụm vi mô của nam châm nguyên tử sắp hàng) xuất hiện trong quá trình từ hóa hay khử từ liên tục.

Hiệu ứng này thông thường làm giảm hoạt động của sensor từ nó xuất hiện như nhiễu bậc trong phép đo. Hiệu ứng này cũng quan sát được ở vật liệu sắt từ kích thước nano.5 Hiệu ứng Nernist/Ettinghausen [10] Nernst và Ettingshausen phát hiện ra một lực điện động được sinh ra dọc chất dẫn điện hay bán dẫn khi nó chịu tác dụng đồng thời của gradient nhiệt độ và trường từ. Hướng của lực này vuông góc cả với trường từ và gradient nhiệt độ. Hiệu ứng có thể được định lượng bởi hế số Nernst |N| : EY / BZ N (1.4) dT / dx Thành phần từ trường trên trục z là BZ , tạo ra thành phần điện trường theo trục y là EY , vật chịu gradient của nhiệt độ dT/dx.

Hiệu ứng này có khả năng đo độ lớn của nhiệt độ và độ lớn của từ trường ở hạt nano đơn. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6 Hiệu ứng từ trở Hiệu ứng từ trở là hiện tượng phụ thuộc điện trở của vật chất vào từ trường ngoài. Từ trường ngoài gây ra lực Lorentz tác động vào các hạt tải chuyển động trong vật liệu tùy thuộc hướng của trường mà có thể gây ra cản trở đối với sự dịch chuyển của các hạt tải. Hiệu ứng này do Lord Kelvin phát hiện vào năm 1856.

Hiệu ứng trở nên nổi bật khi tìm ra từ trở không đẳng hướng (AMR-Anisotropic Magnetoresistance) và từ trở khổng lồ (GMR-Giant Magnetoresistance ). AMR là hiện tượng chỉ quan sát được ở các chất sắt từ, vật mà điện trở tăng nên khi hướng của dòng điện song song với trường từ tác động. Thay đổi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc giữa hướng của dòng điện và hướng từ hóa của vật liệu sắt từ. Có thể phát triển các sensor giám sát góc quay của trường từ dựa vào hiệu ứng AMR.

Tuy nhiên thay đổi điện trở liên quan đến hiệu ứng AMR khá nhỏ thường thì chỉ 1% hoặc 2%. GMR có vai trò quan trọng trong công nghệ nano ứng dụng cho cảm biến. Hiệu ứng từ trở khổng lồ được độc lập tìm ra bởi nhóm nghiên cứu do Peter dẫn đầu và đại học Paris-Sud vào năm 1988. Hiện tại nghiên cứu tập trung vào hướng sử dụng những dây dẫn nano đa lớp (mang đến độ nhạy cao hơn so với film mỏng hiện tại đang sử dụng trong ổ cứng đọc/ghi) thể hiện hiệu ứng GMR.7 Hiệu ứng Dopper Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát.

Khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa thì tần số tín hiệu thu được giảm xuống. Đây là hiệu ứng Doppler. Sự dịch tần số Doppler ở phía thu tuân theo phương trình sau: v f observed  ( ) f source v  vsource (1.5) 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Với v là tốc độ sóng trong môi trường, vsource là tốc độ của nguồn đối với môi trường, và f source là tần số của nguồn sóng. Nếu nguồn sóng tiến gần đầu thu vsource dương và ngược lại khi nó lùi xa nguồn thu thì vsource âm.

Một ví dụ quen thuộc về hiệu ứng Doppler là thay đổi độ cao thấp của còi báo động xe cứu thương khi nó lại gần hay đi xa. Thí dụ phổ biến về hiệu ứng Doppler trong cảm biến là thiết bị giám sát và siêu âm. Hiệu ứng Doppler cũng giữ vai trò quan trọng trong rada và hệ thống định vị vật dưới nước. Hiệu ứng Doppler có vai trò quan trọng trong cảm biến và mô tả vật liệu nano.

Mở rộng Doppler (mở rộng vạch phổ trong phổ UV-vis) gây ra do chuyển động nhiệt của những hạt nhỏ. Mở rộng Doppler thông thường đặt trong thiết bị đo phổ có độ chính xác cao.2 Một số sensor đo từ trƣờng 1.1 Sensor hiệu ứng Hall [11] Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall khá phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong đo đạc từ trường mạnh, nó dựa trên hiệu ứng Hall được Edwin H.Hall phát hiện ra vào năm 1897. Hiệu ứng Hall là một hệ quả của định luật lực Lorentz, một điện tích   chuyển động q, đi qua một từ trường có cảm ứng từ B , sẽ chịu tác dụng của lực F ,  vector vận tốc v của điện tích tuân theo phương trình:      F  q E  v  B  (1.6) Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall bao gồm một vật dẫn hoặc bán dẫn phẳng mỏng hình chữ nhật với hai cặp điện cực được minh họa trên hình 1. Đặt một điện trường Ex theo trục x còn gọi là trục điều khiển.

Khi có một từ trường Bz tác động theo phương vuông góc với bề mặt của sensor các điện tích tự do 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] chạy theo trục x do điện trường Ex sẽ bị lệch về phía trục y (trục điện thế Hall). Việc không tạo được thành dòng điện theo trục y khi để hở mạch là nguyên nhân làm tích tụ các điện tích theo trục y hình thành một điện trường, điện trường này tác dụng nên điện tích một lực ngược chiều với chuyển động nó: Ey  vx Bz (1.4: Sensor hiệu ứng Hall. Từ trường H tác dụng vào bề mặt sensor, dòng điện chạy theo trục x sẽ tạo ra một điện thế theo trục y, Ex là điện trường đặt vào trục x, và E y là điện thế Hall xuất hiện theo trục y Với vx là vận tốc trung bình của electron (hay hạt tải cơ bản). Ở vật dẫn có n hạt mang điện tự do trong một đơn vị thể tích vận tốc trung bình của một hạt là vx thì mật độ dòng là: J x  qnvx (1.8) J x Bz Và Ey   RH J x Bz (1.9) qn Với RH là hệ số Hall.

Đối với chất bán dẫn với hạt tải cơ bản (electron hoặc lỗ trống) có độ linh động μ và dẫn suất σ thì ta có: 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.