Nghiên cứu xây dựng hệ đo tín hiệu nhỏ cao tần trên cơ sở PC và ứng dụng

a Đề tài đã thu được các kết quả khoa học như sau:- Xây đựng được hệ thống thiết bị thu tín hiệu từ trường nhỏ dùng sensor fluxgate ghép nối với PC.. Biểu thức 1.3 phản ánh mối quan hệ g

Đ Ạ I H Ọ C Q U O C G I A H A N Ọ I

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN

C A O TẦN T R Ê N c ơ S Ở PC VÀ Ú N G DỤNG

Mã sổ: QG-08-04

Chủ trì đề tài: PGS TS Phạm Quốc Triệu

Tham gia đề tài: ThS Nguyễn Thị Mỹ Đức

ThS Nguyễn Tuấn Hưng ThS Lưu Tiến Mạnh ThS Nguyễn Thế Nghĩa

ĐAI H Ọ C Q U O C G.M ma NỌI

TRUNG TẨM THÒNG TIN THỰ VIỀN

Hà N ộ i - 2 0 1 0

1 Mục tiêu nghiên cứu

a) N g h iê n cứu xây dựng hệ đo tín hiệu từ trư ờ n g nhỏ nguyên lý

P lu xga te trên cơ sở ghép n ối PC

b) N g h iê n cứu khả năng ứng d ụn g cua hệ th iế t bị.

2 Nội dung nghiên cứu

a) T ín h iệ u nhỏ và g iả i pháp nâng cao ty số S/N

b) T h iế t kế, chế tạo hệ p há t h iệ n từ trư ờ ng nhó neuyên lý F luxgatec) T h iế t kế chế tạo hệ th ố n g ghép n ố i PC

d) X â y dự ng hệ thố n g đo tự động từ trư ờ ng n ho

e) N g h iê n cứu khả năng ứng dụng

PGS TS Phạm Q uốc T riệ u ThS N g u y ễ n T h ị M ỹ Đức

T hS N g u y ễ n T uấn H ư ng ThS L ư u T iế n M ạ n h ThS N g u y ế n Thế N g h ĩa

a) Đề tài đã thu được các kết quả khoa học như sau:

- Xây đựng được hệ thống thiết bị thu tín hiệu từ trường nhỏ dùng sensor fluxgate ghép nối với PC.

- Thu được các kết quả thực nghiệm phù họp lý thuyết

b) Bài báo/báo cáo khoa học: 04 bài

+ Pham Quoc Trieu, Nguyen Anh Due, Implementation of the digital phase-sensitive system fo r low signal measurement, VNƯ Journal o f Science, Mathematics - Physics N° 24-2008, p 239-244.

+ Phạm Quốc Triệu, Nguyen Thế Nghĩa, Nguyễn Tuấn Hưng và một số cộng sự, Nghiên cứu chế tạo và thừ nghiệm sensor phát hiện từ trường nhỏ. Báo cáo tại Hội nghị Vật ]ý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6 (SPM S-2009), Đà Nang.

+ Pham Quoc Trieu, A Versatile Magneto-Electronic Sensor , IEEE The

Communication (ATC Hai Phong 2009).

characteristics o f single crystal Hội nghị KHCN hạt nhân toàn quốc lần thứ VIII (Nha Trang 2009).

c) Kết quả đề tài bổ xung một phần cho bài giảng:

Phạm Q uốc Triệu, Phương pháp thực nghiêm vật lý,

Dùng cho sinh viên năm thứ ba Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN.

4 Tình hình sử dụng kỉnh phí:

Tổng kinh phí được cấp: 60.000.000 đ {sáu mươi triệu đồng)

Các khoản chi phí đã thanh toán đầy đủ chứng từ tại Phòng KH-TV

Phạm Q uốc T riệ u

X á c nhận của N h à trư ờ ng

P H Ó H IỆU T R U Ỏ N G

B R IE F R E PO R T

Title:

Studying to built a hi-frequence small signal system

on the base of PC and application

- T o design, m a n u fa c tu re the sensor fo r d e te ctio n s m a ll m agnetic signals

- T o design, m a n u fa c tu re the system fo r in te rfe re n c e in PC

- S tud y o f e ffe c ts , c a lib ra tio n and discussion

- T o e stim a te th e s e n s ib ility and a p p lic a tio n o f the system

+ Phạm Q u ố c T riệ u , N g u y ễ n T hế N ghĩa, N g u y ễ n T uấn H ư n g and other.,

Study, manufacture and testing o f the sensor fo r detection o f small magnetic field, S P M S V I -20 09 , D a N ang

+ Pham Q u o c T rie u , A Versatile Magneto-Electronic Sensor, IE E E The

2009 In te rn a tio n a l C onfe re n ce on A d v a n c e d T e chn o lo gie s fo r

C o m m u n ic a tio n (A T C H a i P hong 2009)

+ B T H u y , V X Q u a n g , H X V in h , T V T u a t, P Q T rie u , Some characteristics o f single crystal LÌ2B4O7.CU, T h e V I I I N a tio n a l

C o n fe re n ce o n N S T (N h a T ra n g 2009)

c) T r a in in g : 03 M S c

❖ N a m e o f M a s te r Student: N g u y ễ n T h ị M ỹ Đ ứ c

- T it le o f Thesis: S tudy of m a n u fa ctu re the systems for

m easurem ent sig n al a u to m a tic a lly

- Y e a r to u p h o ld thesis: 2008

❖ N a m e o f M a s te r Student: N g u y ễ n T uấn H ư ng

- T itle o f Thesis: T o treat the small sig n als fro m sensors

and a p p lic a tio n

- Y e a r to u p h o ld thesis: 2009

❖ N a m e o f M a ste r Student: L ư u T iế n M ạnh

- T itle o f Thesis: S tudy o f design, m a n u fa ctu re the device

fo r d ete ction m etal in w o o d and a p p lica tio n

- Y e a r to u p h o ld thesis: 2009

c ) T h e re su lts o f p ro je c t have p a rticip a te d in to the lecture:

Pham Q u o c T rie u - E x p e rim e n ta l M e th o d s in Physics

MỤC LỤC

M Ở Đ À U 01

C hư ơ ng 1 - S EN SO R F L U X G A T E 02

1.1 G iớ i thiệu c h u n g 02

1.2 N guyên lý thiết b ị dùng sensor F lu x g a te 02

1.3 Sơ đồ k h ố i của thiết b ị 05

C hư ơ ng 2 - H Ệ T H Ố N G GHÉP N Ô I M Á Y T Í N H 12

2.1 K h ố i phần c ứ n g 12

2.2 Giao diện phần m ề m 16

2.3 T ính năng k ỹ th u ậ t 20

C hư ơ ng 3 - C Á C K Ế T Q U À TH Ự C N G H IỆ M 21

3.1 K hảo sát tín hiệu từ một số sensor 21

3.2 G hi tín hiệu máy phát tần số 30

3.3 T h iế t bị phát hiện từ trường nhỏ ghép nối máy tín h 31

3.4 Thảo lu ậ n 38

K Ế T L U Ậ N 39

T À I L IỆ U T H A M K H Ả O 40

P H Ụ LỤ C

M Ở ĐẦU

T ừ trư ờ n g là m ộ t yế u tố gắn liề n v ớ i trá i đất và là m ộ t tín h iệ u rấ t nhỏ N ỏ

lu ô n tồ n tạ i x u n g quanh ch ún g ta, như ng bằng các g iá c quan của con người lạ i

kh ô n g thể cảm nhận được sự hiện diện của nó T u y nhiên, từ trư ờ ng lạ i có ảnh hưởng rấ t lớ n đến đời sống của con người cũng như của động vật K h i từ trường trá i đất có sự b iế n động, nhữ ng người g ià hay nhữ ng cơ thể nhạy cảm có thể nhận thấy được sự th a y đ ổ i b ở i nhữ ng phản ứng của cơ thể T ừ trư ờ ng cũng có ảnh hưởng rấ t lớ n đến đ ộ n g vậ t N h ờ có từ trư ờ ng trá i đất, các đàn c h im v à m ộ t số lo à i

cá như cá h ồ i có thể đ ịn h hướng tro n g quá trìn h d i cư M ộ t số n g h iê n cứu khoa học cũng cho th ấ y trâ u b ò có x u hướng đứng theo trụ c bắc-nam C ó n hiều ảnh hưởng như thế như ng từ trư ờ ng trá i đất k h ó có thể nhận b iế t được, ngay cả tro n g

p hòng th í n gh iệ m

T ín h iệ u n h ỏ là tín h iệ u mà cường độ của nó tương đương như cường độ của n hiễ u và tạp âm T ro n g thực tế, kh ôn g có tín hiệu nào là kh ô n g k è m theo tạp nhiễu T ă n g cường tín h iệ u m ộ t cách đơn giản cũng đồng thờ i là m tăng tạp nhiễu

D o đó, để phát h iệ n được các tín h iệ u nhỏ đó th ì cần p h ả i có các th iế t b ị làm tãng tín h iệ u cần th iế t và lo ạ i b ỏ được tạp nhiễu kèm theo tín hiệu M ặ t khác, để quan sát đồng th ờ i tín h iệ u tro n g m ộ t thờ i gian dài, tại n h iề u đ iể m khác nhau về địa lý ,

n gày nay các th iế t b ị đo cần được ghép n ố i m á y v i tín h nhàm thự c h iệ n tự động

th u thập số liệ u , c h u y ể n tả i số liệ u cập nhật về tru n g tâm n g h iê n cứu xử lý

T ro n g đề tà i này, tín h iệ u nhỏ m à chúng tô i n g h iê n cứu là các tín hiệu nhỏ

từ các sensor n ó i ch u n g , tín hiệu từ trường nhỏ n ó i riê n g

1

CHƯƠNG I SENSOR FLUXGATE 1.1 Giới thiệu chung

T rư ờ n g trá i đ ấ t lu ô n ỉu ô n thay đ ổi, k h ô n g thể cố đ ịn h tro n g m ộ t kh ôn g gian

k ín và đưa vào p h ò n g th í n g h iệ m để khảo sát D o đó, m u ố n đo đạc phải lấ y các

m ẫu nào ít n h iễ u v à đ ò i h ỏ i p h ả i hiểu b iế t về các đặc đ iể m ở tần g trên của kh í quyển hoặc ở sâu tro n g lò n g đất ở m ọ i nơi trên bề m ặ t trá i đất, trường là “ cố

đ ịn h ” (v í dụ nhữ ng th a y đ ổ i nhỏ ảnh hưởng đến thành phần của p h ổ tại th ờ i đ iểm ngh iê n cứ u) k h i so sánh nó v ớ i các trường nhỏ x u n g nhanh Các cảm biến được sử dụng p h ả i đáp ứng d ả i b iê n độ rất rộng, từ nhỏ hơn 10'3 đến lớn hem 104 nTesla, hay hạn chế giữ a các tầ n số đặc trư ng tro n g lớ p cụ thể của h iệ n tư ợ ng địa từ [4 ]

Đ ộ n hạy của các th ié t b ị đo từ trư ờ ng trá i đất chưa có g iớ i hạn M ỗ i bước

m ớ i tro n g cách g iả i q u y ế t của đ ịa từ trường sẽ có nhữ ng cái m ớ i, sẽ có các chi tiế t

m ớ i cho m ô i trư ờ ng v ậ t lý trá i đất của chúng ta [1 5 ] T u y nhiên, có n hiều hiện tượng đa dạng để đáp ứ ng từ trường theo n h iề u cách khác nhau T hự c tế, người ta

đã sản xu ất n h iề u lo ạ i cảm b iến, m ỗ i lo ạ i có nhữ ng lạ i thế riê n g [5 ], [12 ]

C ó m ộ t số phư ơ n g pháp được áp dụng để phát hiện v à đo từ trường nhỏ vớ i những cấp độ c h ín h x á c khác nhau:

T ừ kế Cấp độ chính xác (y) Á p dụng

Q uang học Z eem an 104 Sử dụng cho các từ trường m ặt

trờ i m ạnh

F lu xg ate 10'1 ứ n g d ụn g tro n g hầu hết các đài

th iê n vãn hiện đại

P ro to n 10'1 Đ o đạc trư ờ ng tô n a tiê u chuân

B ơ m quang học ỈO'2 Đ o trư ờ ng tôn g

V ò n g dây dân 10'4 Đ o vậ n tôc trư ờ ng thay đôi

M á y đo dòng trá i đât 1 0 '6 Sử d ụn g tô t tro n g ngành vậ t lý

S Q U ID (d ụ n g cụ ¿ ia o

thoa lượng tử siêu d ẫn )

10'5 M ờ rộ n g cho đo đạc các m âu đá

1.2 Nguyên lý th iêt bị cùng sensor Fluxgate

T ừ “ F lu x g a te ” đ iể n h ìn h áp dụng cho các từ kế theo phư ơng pháp thay đổi

từ trư ờ ng liê n tụ c tro n g m á y đo m ộ t cách tuần hoàn [4 ]

2

C ụ m từ “ lõ i bão hòa ” nghĩa là các v ậ t liệ u có độ từ thẩm cao được sử dụng

để kh uế ch đại tín h iệ u từ trư ờ ng được chọn tro n g m ộ t v ò n g nhỏ (v à i cm hoặc ít hom) của anten, g iố n g hệ th ố n g anten vòng lõ i được m ô tả ở trên Sự khác nhau giữa h a i hệ th ố n g k h ô n g c h ỉ là k íc h thước của vò n g m à cả tín h chất (bão hòa) trễ

từ được sử d ụ n g tro n g các trường dao động m ạnh T rư ờ ng này là tù y chọn, theo các hướng đ ố i xứ n g (+ ) và (-), do trường tự n h iê n h iệ n tại C ường độ trường địa từ tác động lê n đầu dò, gây ra sạ m éo hài, đuợc đo trê n các vò ng thứ cấp

T ro n g hầu h ế t các p h iê n bản được sử dụn g của phương pháp lõ i bão hòa, chất lượng các phép đo có chứa thành phần hài th ứ cấp của tần số k íc h th íc h được tạo thành tro n g k h o ả n g bão hòa p h i tuyến của cảm biến

điện ãp lòi ra

H ìn h 1.1 N g u yên lý phương pháp F luxgate

T ro n g h ìn h 1.1, ta thấy m ộ t trường địa từ bao quanh bên ngoài Ho chồns lên trên trư ờ n g k íc h th íc h h ìn h sin của biên độ A Các m ố i quan hệ về độ lớn như

A » H0v ớ i A được đ iề u c h in h lớn hơn mức bão hòa cần th iế t của lõ i có độ từ thẩm cao Các trư ờ n g có m ức kh ô n g đ ổ i xứ n g v ì có thêm và o m ộ t trư ờ ng bao quanh Ho, k ế t quả là là m m éo dạng của sự th a y đ ổi m ật độ từ thô n g, sẽ tác động lên lõ i của cuộn dây cảm b iế n thứ cấp Sự thay đ ổ i k h ô n g chính xác của B sẽ b iế n

đ ổi the o th ờ i g ia n t nên kh ô n g đối xứ ng theo trụ c th ờ i gian, sẽ chứa n hiề u hài

trong phân tích Fourier của nó T a có thể ước lượng các thành phần đầu vào như

sau:

B(t) = aíHo+He) + bíHo+He) 3 + cíHo+He) 5 (1 1)

V ớ i He là trư ờ n g k íc h th íc h và a, b, c là các hằng số

Các h à i bậc 3 v à bậc cao hơn của B(t) được xem như là nhỏ hom hài bậc 2

Với bộ lọ c th ô n g d ải th ì h à i bậc 2 của đầu ra được chọn để ưở thành m ộ t phép đo của trư ờ ng bao quanh Ho sau k h i so sánh nó v ớ i m ộ t h à i th ứ cấp nhân tạo kh ô n g b ị

m éo từ v iệ c nhân đ ô i tần số của đao động k íc h th íc h ban đầu N h iề u k ỹ thuật xử lý

đ iệ n áp h à i th ứ cấp v à cảm biến pha khác nhau được sử dụng để tín h Hq.

Suất đ iệ n đ ộ n g ở lố i ra của cuộn thứ cấp là E ra:

h iệ u ra lấ y trê n m ộ t cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh H a i cuộn sơ cấp mấc xu n g

đối làm triệt tiêu tín hiệu trong trường hợp cân bàng Sơ đồ khối của thiết bị được

mô tả trong hình 1.2, giúp phát hiện ra pha của hài thứ cấp Với các lõi được lựa chọn đặc biệt và có cấu trúc tốt thì độ nhạy có thể đạt được vài miligamma Trong những năm gần đây, các lõi được thiết kế lại cỏ hình dạng vòng với kích thước cỡ centimet và các kích thích sẽ tác động lên vòng này.

Các thiết bị Fluxgate tương đối nhạy Khi cần làm việc ở những nai có điện trường thì Fluxgate thường được chọn lựa Chúng thường được sử dụng trên các

vệ tinh và hàu hết trong các đài thiên văn hiện đại.

1.3 Sơ đồ khối của thiết bị [12]

H ìn h 1.3 Sơ đồ k h ố i của th iế t b ị phá t hiện từ trường nhò

P hần quan trọ n g nhấ t của th iế t b ị phát h iệ n từ trường nhỏ là đầu dò (hay Sensor) M u ố n ch o sensor hoạt động th ì cần p h ả i có m ộ t tín hiệu dòng xoay chiều

đủ công suất để n u ô i nó D o đó, phải cần có k h ố i phá t xung K h ố i phát x u n g này

có tác d ụn g tạo ra các x u n g vu ô n g nhằm cung cấp m ộ t công suất cho đầu dò hoạt động D ạ n g x u n g sau k h ố i phát x u n g này kh ô n g đều đặn M à để tạo ra dạng són2

sine thì ta cần p h ả i có các x u n g đều đặn V ì v ậ y, ta cần phải có k h ố i ch ia tần để tạo

ra các x u n g v u ô n g có độ trổ n g bằng Vĩ. Sau sensor là các k h ố i khuếch đại tín hiệu

và k h ố i xử lý K h ố i k h u ế ch đại cho phép kh uế ch đại các tín h iệ u từ trường rấ t nhỏ

K h ố i xử lý có tác d ụ n g c h ỉn h lưu tín h iệ u xoay ch iề u thành m ộ t chiều Sau k h ố i xử

lý , tín h iệ u được đưa ra k h ố i chi th ị để h iể n th ị các g iá t r ị cần đo đạc N ế u cần chính xác cao, tín h iệ u sau k h ố i xử lý có thể được ghép n ố i vớ i PC th ô n g qua bộ chuyển đ ổ i A D C để có thể g h i tự động K h ố i ghép n ố i này cỏ thể sử đụng nhữ ng

th iế t b ị có sẵn tro n g các p h ò n g thí nghiệm

K hối phát xung [1, 6]

* M ạ c h p h á t x u n g d ù n g lin h k iệ n chủ yếu:

L in h k iệ n c h ủ y ế u của m ạch phát x u n g là các IC 4011, được tạo thành tò

Khối tạo sóng sine và khối khuếch đại công suất [1]

- Ý nghĩa: Tạo sóng h ìn h sine đơn sắc đủ công suất để n u ô i Sensor

- M ạ c h tạ o sóng sine v à khuếch đại công suất làm v iệ c ở tần số 2 ,5kH z

- T ầ n số x u n g sau k h ố i chia tần và k h ố i kh uế ch đại công suất này bằng

nhau như quan sát trê n h ìn h 1.4:

H ìn h 1.4 X u n g sau k h ố i chia tần và k h ố i kh uế ch đại công suất

Sensor đo từ trư ờ ng nhỏ (10]

- Sensor là bộ cả m n hậ n và ch uyể n đ ổ i tín h iệ u từ dạng này sang dạng khác (như điện tích, đ iệ n áp, d òn g điện hoặc trở kháng)

Đ ặc trư n g s của sensor là hàm của đại lư ợng cần đo m , k h i ta xác đ ịn h được

g iá t r ị s, ta có th ể tín h được g iá tr ị m th ô rig qua b iể u thức:

Trong đó: + s là đại lượng cần đo ở đẩu ra;

(đối với đàu dò từ trường nhỏ, s là tín hiệu điện áp)

+ m là đại lượng đầu vào;

(đối với đầu dò tò trường nhỏ, m là cảm ứng từ).

Biểu thức (1.3) phản ánh mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra của sensor phụ thuộc vào cấu tạo của vật liệu làm sensor, môi trường và chế độ sử dụng.

- Đầu dò là bộ phận tiếp nhận sụ thay đổi của tín hiệu bên ngoài tác động vào Tín hiệu nhỏ gồm rất nhiều dạng như: nhiệt độ, áp suất, lực, độ dịch chuyển, quang và nhiều loại tác động khác Tuy nhiên, ở đây, chúng tôi sử dụng tín hiệu nhò là tín hiệu từ trường Coi như các tác động còn lại chỉ ảnh hưởng một phẩn rất nhỏ không đáng kể đến két quả của phép đo, có thể bỏ qua.

- Mạch nguyên lý của đầu dò từ trường nhỏ được trình bày trên hình 1.5:

Để đo đạc các tín hiệu từ trường yéu, ta phải thiết kế sensor có khả năng đặc biệt để phát hiện hài thứ cấp Ở đây, hai lõi song song nhau được tác động theo hai hướng ngược chiều nhau trong một mạch kích thích trường, có cả một cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh Hai cuộn sơ cấp sẽ mác xung đối làm triệt tiêu tín hiệu trong trường hợp cân bàng, nhưng lại phát hiện ra pha của hài thứ cấp khi

có sự xuất hiện của từ trường ngoài.

Sự biến đổi tín hiệu ra của đầu dò theo vị tri dịch chuyển của mẫu được quan sát trên dao động kí như ở hình 1.7:

- Nguyên lý:

m

H ìn h 1.7 D ạ n g x u n g sau đầu dò k h i tha y đ ổ i khoảng cách giữa m ẫu và đầu dò

N h ìn và o h ìn h 1.7, ta thấ y k h i thay đ ổ i m ẫu đo vào gần đầu dò từ trường nhỏ

th ì độ rộ n g và b iê n độ của x u n g ở lổ i ra sau đầu đò sẽ tăng lên, như ng tần số của

x u n g vẫn g iữ n g u y ê n và bằng v ớ i tần sổ của sóng sine sau k h ố i khuếch đại côns suất Đ iề u này thể h iệ n sự th a y đ ổ i các sóng hài thu được ở lố i ra của đầu dò

8

Khối khuếch đại tín hiệu [7], [9]

Tín hiệu ở lối ra khối khuếch đại:

Xr = K.Xv Trong đó: K là hệ số khuếch đại

XR và Xv là các giá trị đầu ra và đàu vào Công suất đầu ra của mạch khuếch đại lớn hom công suất đầu vào Nhờ có khuếch đại, độ nhạy của thiết bị đo được tăng lên rất nhiều lần, cho phép phát hiện được giá ứị của các tín hiệu rất nhỏ.

- Khối khuếch đại tín hiệu có hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tín hiệu này cỡ vài trăm lần.

+ Linh kiện chủ yếu của khối khuếch đại công suất là các IC TL082.

+ C ác tần g kh uế ch đại tro ng m ạch đuợc phân cách bằng tụ để tránh hiện tượng tr ô i m ứ c m ộ t chiều

+ C ác tần g thứ 2 và thứ 4 có m ạch điều c h in h mức điện áp m ộ t chiều

Khối xử lý [13], [14]

- K h ố i xử lý tín h iệ u tro n g th iế t b ị sử dụng m ạch khuếch đại ch ỉn h lưu, có

n h iệ m v ụ b iế n đ ổ i tú i h iệ u x o a y chiều thu được ở lố i ra của k h ố i khuếch đại tín

h iệ u sang tín h iệ u m ộ t c h iề u để dễ dàng c h ỉ th ị và đánh giá

M ạ c h c h in h lư u tố t p h ả i là m ạch có h iệ u suất ( ti số giữa công suất đầu ra và công suất hữu ích đầu và o) cao, ít p hụ th u ộ c vào tải, độ gựn sóng của điện áp ra

số để h iể n th ị lên bảng đ iệ n tử dạng số

- về n g u y ê n lý th ì có 3 phư ơng pháp b iế n đ ổi:

+ Phư ơng pháp song song + Phư ơng pháp trọ n g số + Phư ơng pháp số

9

- Có thể chi thị bằng đồng hồ hiện số đa năng, hoặc cũng có thể đưa thiết bị phát hiện từ trường nhỏ này ghép nối với máy tính để đo tự động (trình bày ờ chương sau)

- Các khối mạch điện tử lắp ráp của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ được thể hiện trên hình 1.8:

H ìn h 1.8 K h ố i m ạch đ iệ n tử lắp ráp

K h ổ i m ạ ch đ iệ n tử của th iế t b ị phát hiện từ trư ờ ng nhỏ bao g ồm 2 panel:+ P anel 1 bao g ồ m các k h ố i: k h ố i phát xu ng , k h ố i ch ia tần, k h ố i tạo sóng sine và k h ố i k h u ế c h đại công suất

+ P anel 2 bao g ồ m các k h ố i: k h ố i kh uế ch đại và k h ố i xử lý

N ố i giữ a h a i p a n e l là đầu dò từ trường nhỏ

- T h iế t b ị p h á t h iệ n từ trư ờ ng nhỏ được thể h iệ n trên h ìn h 1.9:

1 0

H ìn h 1.9 T h iế t b ị phát h iệ n tò trư ờ ng nhỏ

1 1

CHƯƠNG II

HỆ THÓNG GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH

ứ n g d ụn g cô ng nghệ th ô n g tin vào các hệ th ố n g đ iề u k h iể n , tự động, đo lường, đã g iú p c h o quá trìn h th u nhận và xử lý dữ liệ u từ sensor được tự động hoá Các bộ v i x ử lý cũ n g được sử dụng rộng rã i đã tạo ra thé hệ sensor thông m in h và lin h hoạ t hơn n h iề u M u ố n vậ y, cần thực hiện b iế n đ ổ i số các tín h iệ u từ đầu ra của sensor sang dạng số để đưa sang ghép n ố i v ớ i phàn cứng của m áy tín h thông qua các cổng g ia o tiế p U S B , C O M , v v [8], [11 ]

Khối khuếch đại đầu vào có 3 l ố i : lối vào 1, lối vào 2 và lối vào 3.

Lôi vào 1 và lối vào 2 được mắc theo nguyên lý khuếch đại thẳng, sử dụng mạch khuếch đại thuật toán LM324 ( hình 2.2).

, Lối vào 3 sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, mắc theo nguyên lý khuếch đại vi sai (hình 2 3 ).

H ìn h 2.3 M ạ c h kh uế ch đại cho lố i vào 3

L ố i vào 1 và 2 k h u y ế c h đại điện thế lố i vào và lố i ra được đưa vào v i điểu

k h iể n để ch uyể n đ ổ i tương tự sang số 10 b í t

Hệ số khuyếch đại K = 1 + VR /R 5

T ro n g đó: V R được tha y đ ổi bới V R 1 và V R 2 (từ OQ đến 1 0 0 K Q )

R 5=10K Q Khi đó V out = 5v(R4/(R9+R4)) + v in* K.

Lối vào 3 là một mạch khuyếch đại vi sai với hệ số khuyếch đại:

K = V R /R ,2

Trong đó: VR được thay đổi bởi VR3

R i2 = 1 0 K Q

Khi đó: V out = v in * K

V ói: v in = hiệu điện thế giữa 2 lối vào của lối vào 3

K hối vi điều khiển

Vi điều khiển được sử dụng là AtMega8 ( hình 2.4 ).

S1 -Ị i

PDO(RXD) PB7 (XTAL2/TOSC2) PDl(TXD)

PD2 ONTO) PD3 (INTI)

PD6 (AINO) PD7CAIN1) PBO (ICP1)

13 &Ỉ14

K h ố i này có n h iệ m v ụ nhận tín h iệ u A n a lo g từ 3 bộ khuyếch đại để chuyển

đ ổi sang dạng d ig ita l 10 bits Sau đó tru yề n dữ liệ u lên m áy tính

C h u y ể n đ ổ i A D C được tự động trên v i điều kh iể n v ớ i tần số lấy m ẫu được

đ ịn h th ờ i bàng m ộ t tim e r v ớ i tần số lấy m ẫu cho m ỗ i kênh là lOOhz

1 4

T ru y ề n dữ liệ u lẻ n m áy tín h bằng 6 byte M ỗ i byte được mã hóa như sau:

IP IP IP Data Data Data Data Data

N h ư v ậ y để tru y ề n 6 byte dữ liệ u của 3 lố i vào ta lần lượt đánh đấu như

D a ta lố i vào 1 :+ 5 b it thấp của dữ liệ u

+ 5 b it cao của dữ liê u

D a ta lố i vào 2:

+ 5 b it thấp của dữ liệ u

+ 5 b it cao của dữ liê u

D a ta lố i v à o 3:

+ 5 b it thấp của dữ liệ u

+ 5 b it cao của dữ liệ u

1 5

Dữ liệu chi được truyền từ vi điều khiển lên máy tính khi máy tính ra lệnh hỏi

dữ liệu bằng một mã lệnh hỏi

Dữ liệu được truyền qua cổng truyền thông USB theo chuẩn:

RS232 - visualCOM

Hình 2.6 Panel tổng thể thiết bị ghép nối đầu đo với máy tính

K hối giao tiếp vớ i máy tính

Khối giao tiếp vi điều khiển với máy tính dùng chuẩn visualCOM bàng mạch USB to COM.

K hối nguồn

K h ố i này vừ a là m n h iệ m v ụ cung cấp nguồn 5 V từ cổng U S B cho toàn

m ạch đ iệ n như ng đ ồ n g th ờ i nó cũng là đường tru yền tín hiệu giữa m ạch vớ i máy tính

Panel tổ n g thể của th iế t b ị ghép n ố i đầu đo vớ i m áy tín h được trìn h bầy trên

h ìn h 2.6

2.2 Giao diện phần mềm

M ã n guồn được v iế t trê n V is u a l B asic G ia o d iệ n g ồm 2 phần chính:

+ G ia o d iệ n ch ín h g ồ m 2 đồ th ị để hiển th ị đồ th ị và các p h ím chức năns + G ia o d iệ n cài đặt hệ thố n g

G ia o đ iệ n c h ín h thự c hiện trên m àn hình m áy v i tín h được trìn h bầy như trê n h ìn h 2.7

1 6

Giao diện chính

Tổng số mẫu thu được

G iá tri A D C tai lối vào 1Giá tri A D C tai lối vào 2/G iá tri A D C tai lối vào 3

li cni 1 ' diođc

Ịg&

‘ - C i ' r

H ìn h 2.7 G iao diện chính

G ia o d iệ n ch ín h g ồ m 2 đồ th ị h iể n th ị m ố i quan hệ của y theo X v ớ i X và y

là nguồn dữ liệ u có thể thay đ ổ i đựơc tù y vào cài đặt tro n g hệ thống

Các n ú t n hấ n Connect J để kế t n ố i m ạch điện v ớ i phần m ềm trên m áy tính

N ú i Pause xuất h iệ n k h i p h ím Connect I được nhấn Đ ẻ tạm thờ i cập nhật dữ liệ u từ m ạ ch đ iệ n lên m áy tín h

©xt6 fic o rin b o

ComboCombo

G ia o đ iệ n cài đặt hệ th ố n g được trìn h bầy trê n hìn h 2.8

C hương trìn h được xẩ y ra theo s ự kiệ n , v í d ụ : sự k iệ n p hím — <~'°iu ie c t—

được c lic k

-H à m ch ọ n và cài đặt tru y ề n th ô n g visual com

M ạ c h g ia o tiế p v ớ i m áy tín h qua cổng USB theo chuẩn visual com

M ỗ i k h i có dữ liệ u được tru y ề n lên m áy tín h thì chương trìn h sẽ được nhảy

tớ i hàm M SComml_O nCom mQ, g iố n g như là m ộ t ngắt nhận dữ liệu

D ữ liệ u được m ã hóa như sau:

- D o cổ n g C O M tru y ề n nhận 8 b it tro n g k h i đó dữ liệ u cùa giá tr ị A D C là 10

b ít nên ta cần tru y ề n có đánh dấu để đảm bảo sự đồng bộ

1 8

- Ta cô 3 loi vào môi lôi vào 10 bit Dê truyên 1 giâ tri ADC ta cân truyên 2 lân môi lân 8 bit trong dô cô 5 bit thâp là du lieu và 3 bit cao là bit dânh dâu Vây tât

câ khung dû lieu bao gôm 6 lân 8 bit

5 bit thâp cùa ADC lôi vào 1

5 bit cao cùa ADC lôi vào 1

5 bit thâp cua ADC lôi vào 2

5 bit cao cüa ADC lôi vào 2

5 bit thâp cùa ADC lôi vào 3

5 bit cao cüa ADC lôi vào 3

K h i nhân d u g c d û lie u d u lie u ta tâch d ugc IP theo d u lie u tu o n g im g

K h i nhân du d û lie u ta sê d ugc m o t d iê m ành m a i X ù lÿ lu u vào m o t m àng d û lie u A D C ( i) tucm g ù n g cho phép vè Iên dô th i g iâ t r i v ira nhân dugc

M à n g giâ t r i A D C g ô m 12000 phân tir d ugc sàp xêp n h u sau:

- 4000 phân t ù dâu cho giâ t r i A D C cüa lô i vào 1

- 4000 phân t ir dâu cho giâ t r i A D C cüa lô i vào 2

- 4000 phân tù dâu cho giâ tr i A D C cùa lô i vào 3

- 4000 p hâ n tù dâu cho lân nhân dû lie u tucmg im g

- H àm liru d û lie u file

D û lie u n hâ n d u g c se d ugc lu u vào m o t m àng A D C ( i) gôm 12000 phân tù

d ugc phân c h ia n h u trên

K h i b ié u tu g n g lu u H d u g c c lic k th i d û lie u d u g c lu u vào file gôc data.xls

rô i sau dô d u g c c o p y ra m o t file cân lu u v ô i m o t tên tù y dât

T h ù tir lu u d û lie u :

- F ile d a ta x ls d u g c m ô

- Sau dô d û lie u d u g c lu u vào sheet 1 cüa file tro n g theo th ir tu

1 9

+ cột 1 là giá trị ADC1 + cột 3 là giá trị ADC2 + cột 5 là giá trị ADC3 + cột 7 là giá trị của số làn nhận giá trị

- Sau đó file data.xls được lưu và đỏng file

- Lưu dữ liệu ra một file bất kỳ với đường dẫn tự chọn [9], [10], [12].

2.3 Tính năng kỹ th u ật

Hệ thống ghép nối thiết bị nêu trên cho phép thực hiện phép đo tín hiệu nhỏ

từ sensor với các đặc điểm chính như sau:

- Đo tín hiệu thay đổi theo thời gian: S=S(t).

- Tần số biến đổi của tín hiệu: f < 1000 Hz

- Tốc độ lấy mẫu : cỡ lm s

- Đo tương quan hai tín hiệu với nhau: S|=f(S2)

- Đo theo nguyên lý vi sai

- Biên độ tín hiệu vào: > lmV

- Nguồn nuôi: nguồn + 5V từ máy tính.

2 0

CHƯƠNG i n CÁC K É T QUẢ T H ự C N GH IỆM

3.1 KH ẢO SÁT T ÍN H IỆU T Ừ MỘT SỐ SENSOR

3.1.1 K hảo sát tín hiệu sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp bán dẫn p-D [2]

a) Đ ặc trưng V ôn-A m pe của chuyển tiếp bán dẫn p-n phụ thuộc nhiệt độ

Sử dụng th iế t b ị đo tâ m sâu tro n g bán dẫn D L 8 0 0 0 để vẽ đường đặc trư ng

V ô n -A m p e của c h u yể n tiế p bán dẫn p-n T h iế t b ị đo D L 8 0 0 0 thực hiện thu tự động các số liệ u đ iệ n áp v à dòn g điện tương ứng của chuyển tiế p bán dẫn p -n tại

m ộ t sẻ giá t r ị n h iệ t đ ộ khác nhau, sau đó vẽ đường đặc trư ng này trên m àn hình

K ế t quả đo được b iể u d iễ n trên đồ th ị hìn h 3.1

T1>T2

II

H ìn h 3.1 Đ ặ c trư n g V - A của chuyển tiế p bán dẫn p-n

tạ i m ộ t số g iá t r ị n hiệt độ khác nhau

- N h ậ n xét:

Đ ặc trư n g V - A của chuyển tiếp bán dần p -n k h i phân cực thuận có m ối quan hệ phụ th u ộ c vào n h iệ t độ (h ình 3.1) K h i n h iệ t độ của chuyển tiếp p-n tàng lên, các đưcmg đặc trư n g V ô n -A m p e d ịch sang phía bên p hải, ứng vớ i điện áp ra

g iả m xuống

b) K hảo sát quá trình nguội đi của vật

- Định luật Newton về sự lạnh đi của vật'.

Giả sử nhiệt độ của vật ký hiệu là Tvật

Nhiệt độ của môi trường ký hiệu là Tmt (Tvật > Tmt)

Chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường là :

A là hằng số, phụ thuộc nhiệt dung của vật

Từ công thức của định luật Newton, có thể suy ra :

(tro n g đó A T0 là chênh lệch n h iệ t độ giữa vật và m ô i trường tại thờ i đ iểm t= 0 )

N h ư vậy, ứng v ớ i A T càng nhò th ì thờ i gian cân báng nhiệt sẽ tăng lên, hav ban đầu vậ t n ó n s hơn so v ớ i m ô i trư ờ ng nên ngu ộ i nhanh, càng về sau, càng nguội chậm đi

- Bố trí thực nghiệm

Đ ố i tượng đ o là m ô i trư ờ ng nước Nước được ngu ộ i dần từ n h iệ t độ sôi

xu ố n g n h iệ t độ p h ò n g Sử dụng diuđe bán dẫn làm sensor n h iý t độ và măc vớ i lố i vào v i sai của th iế t b ị ghép n ố i đầu đo vớ i m áy tính theo sơ đồ h ìn h 3.2 Các số liệ u đo được g h i lạ i m ộ t cách tụ động như trìn h bày trên đồ th ị hìn h 3.3 hoàn toàn

p h ù hợp v ớ i đ ịn h lu ậ t N e w to n về sự n g u ộ i đi của các vật theo thờ i g ia n như đã trìn h b ầ y ờ trên

H ìn h 3.2 Sơ đồ đo quá trìn h n g u ộ i của chuyển tiế p bán dẫn p-n

- Kết quả sổ liệu đo

I _ _

— -H ìn h 3.3 Sự p h ụ thu ộ c vào n hiệt đọ của diode tro ng quá trìn h nguội

(Dải nhiệt độ 95°c - 4 ( f c Thời gian lấy mẫu ỈOOOms)

2 3

vớ i m ô i trư ờ ng x u n g quanh cho đến k h i cân bằng nhiệt.

H ìn h 3.5 Suy g iảm theo n h iệ t độ

2 4

Đường f i t hàm suy giảm theo n h iệ t độ được b iể u diễn trên hìn h 3.6 , hàm fit

tố i ưu có dạng y = A e x p (-Ư x ), trong đó A i= 7 13 ; t=19; y0=658

Tin hieu dien ap

H ìn h 3.6 F it hàm suy giảm n h iệ t độ

• N h ậ n x é t :

Số liệ u th u được trê n m áy tín h hoàn toàn phù hợp q u y lu ậ t n g u ộ i đ i của các vật Đ iề u đó chứ ng tỏ k h ố i v i xử lý và ghép nối thu nhận tín h iệ u tuyến tính, đàm bảo tru n g thự c theo cả hai trụ c : tín hiệu và thờ i gian,

c) Khảo sát tương quan tín hiệu của hai đầu đo phụ thuộc vào nhiệt độ

- Bố trí thí nghiệm: Sử dụn g đồng thờ i hai diođe m ắc v ớ i lố i vào 1 và lố i vào 2 của th iế t b ị ghép n ố i đầu đo v ớ i m áy tính Các số liệ u đo được biểu diễn trên hình 3.7 p h ụ th u ộ c tu y ế n tín h v ớ i nhau

H ìn h 3.7 T ư ơ n g quan tín hiệu của hai đầu đo phụ thu ộ c vào n h iệ t độ

( F it h am có dạng y = A x + B , tro ng đó A = 1 12, B = 0 9 9 )

d) Đường chuẩn tín hiệu theo nhiệt độ của sensor nhiệt độ

-Tin hieu

T (C )

H ìn h 3.8 C huẩn tín h iệ u theo n h iệ t độ (F it hàm có dạng y = 1082 - 4 ,7 T )

3.1.2 K hảo sát sự phóng điện của tụ

- Q u y lu ậ t p hó n g đ iệ n của tụ là m ộ t hàm số có dạng u = Ư0.exp(-t/-c)

- B ố trí thự c n g h iệ m :

Đ ố i tượng đo là tụ điện T ụ điện, nguồn p in nạp cho tụ và m ạch phóng điện được m ắc theo sơ đồ h ìn h 3.9 C huyển công tấc sang v ị trí 1 để nạp điện cho tụ, sau đó chuyển công tắc sang v ị trí 2 để khảo sát quá trìn h phóng điện ứng v ớ i m ột

số giá t r ị khác nhau của tụ s ổ liệ u được g h i lạ i m ộ t cách tự động và biểu diễn bàng các đồ th ị tro n g h ìn h 3.1 Oa, 3.1 Ob, 3.1 Oc

K huêch T h iế t b iJL

H ìn h 3.11 Sơ đồ bố tr í thực n gh iệ m đo tín h iệ u ra cùa sensor quana

Sử đụn g các n gu ồ n sáng khác nhau tác động vào sensor quang :

- N g u ồ n ánh sáng tự nhiên;

- N g u ồ n sáng từ đèn flash;

- N g u ồ n ch iế u sáng bàng đèn neon trên nền phông ánh sáng tự nhiên

K h ổ n g chế tác động các nguồn sáng bằng cách cho sensor quang vào m ột

hộp tối, sau đó đóng hoặc mở hộp để điều khiển nguồn sáng vào sensor quang

2 8

- Kết quả sấ liệu đo

Ghi tín hiệu tại hai trạng

- Nhận xét

Khi thay đôi các nguồn sáng khác nhau chiếu vào sensor quang, máy tính

đã ghi nhận được sự thay đôi vê cường độ nguồn sáng và thời gian tác động của nguồn sáng Trong trường hợp sử dụng nguồn sáng của đèn neon, thiết bị đã ghi lại được quá trình phóng điện trong đèn neon saukhi bật công tắc nguồn.

3.2 GHI TÍN H IỆ U M ÁY PH ÁT TẢN SÓ

- Bố trí thực nghiệm

Sử dụng máy phát chuẩn tần số FG 7002C để đưa các tín hiệu chuẩn tới lối vào của thiết bị ghép nối đầu đo với máy tính Tín hiệu ra của máy phát được ghi

tự động có dạng như trinh bày trên hình 3.13, hình 3.14.

- Ä , „ T ín h iệ u h iể n th i trên m àn h ìn h m áy tín h

- T ín h iệ u từ trư ờ ng thay đổi k h i v ị trí của mẫu từ thay đổi

- T ín h iệ u từ trư ờ ng thay đổi k h i mẫu từ dao động điều hoà

- P hông từ trư ờ n g trá i đất

3.3.2 Tín hiệu từ trư ờng của mẫu từ khi dịch chuyển v ị trí

Sử dụng m ộ t m ẫu từ và thay đ ổ i tín hiệu đo bằng cách dịch chuyển v ị trí của m ẫu từ so v ớ i sensor K ế t quả đo được m áy tín h g h i lạ i như trìn h bày trên hinh 3.15

3 1

H B teỊ

G h i tín hiệu từ trường k h i dịch chuyển m ẫu từ tạ i m ộ t số v ị trí: 60cm , 30cm , 20cm , 15 cm

G h i tín hiệu tù trư ờ ng k h i d ịch chuyển mẫu từ tạ i m ộ t số v ị trí: 55cm ; 31,5cm ; 2 6cm ; 2 l,5 c m ; 18,5cm

H ìn h 3.15 T Ú I h iệ u từ trư ờ ng của m ẫu từ k h i d ịc h chuyển v ị trí

thay đ ổ i k h ô n g p h ụ th u ộ c tuyế n tín h vào khoảng cách của m ẫu từ

3.3.3 Ghi tín hiệu từ của mẫu từ dao động

T re o m ộ t m ẫ u từ vào sợi dây tạo thành m ẫu từ dao động điều hoà T ín hiệu

từ trường th a y đ ổ i d o m á y tín h g hi lạ i tự động như trìn h bày trên hìn h 3.16

3.3.4 Phông từ trường

- Bố trí thực nghiệm

Đưa tín hiệu từ sensor Fluxgate tới lối vào của hệ đo số liệu về cường độ

từ trường do sensor Fluxgate thu nhận sẽ được ghi tự động trong máy tính Một số đường hiển thị có dạng như trên hình 3.17.