Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo dòng điện dựa trên vật liệu tổ hợp từ điện Metglas PZT

Khoa học công nghệ phát triển việc đo dòng điện trở nên dễ dàng hơn, ngoài phương pháp đo dòng truyền thống bằng cách sử dụng các loại ampe kế, người ta còn sử dụng phương pháp đo không

LÊ VĂN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP

TỪ-ĐIỆN METGLAS/PZT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

HÀ NỘI, 2013

LÊ VĂN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN

DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN

METGLAS/PZT

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS Đỗ Thị Hương Giang

HÀ NỘI, 2013

LÊ VĂN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN METGLAS/PZT

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang

HÀ NỘI, 2013

điều kiện thuận lợi, chỉ bảo tận tình, bổ khuyết những kiến thức còn thiếu

trong suốt quá trình làm thực nghiệm nghiên cứu khoa học và hoàn thành

luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô khoa Vật Lý trường ĐH Sư

Phạm Hà Nội 2 đã trực tiếp giảng dạy, truyền thụ kiến thức giúp chúng em

hoàn thành khóa học và củng cố kiến thức về bộ môn vật lý Đồng thời em xin

cảm ơn khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ Nano Trường ĐH Công nghệ-ĐH

Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho chúng em có môi trường và trang thiết

bị máy móc làm thực nghiệm hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các anh, chị NSC tại khoa Vật

lý Kỹ thuật và Công nghệ nano, Ths Nguyễn Thị Ngọc người chị đã tận tình,

sát sao chỉ bảo, hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu cho em khi

làm thực nghiệm

Cuối cùng xin được gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến bố mẹ

và gia đình đã luôn ủng hộ, động viên kịp thời giúp em vượt qua khó khăn

hoàn thành công việc học tập của mình

Luận văn được thực hiện với sự hỗ trợ của Đề tài nghiên cứu mã số

VT/CN-03/13-15 thuộc Chương trình khoa học công nghệ độc lập cấp Nhà

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở nơi nào khác

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2013

Tác giả

Lê Văn Dương

Hình 1.3: Gavano kế 7

Hình 1.4: Sơ đồ cách đo dòng điện xoay chiều (a) và dòng một chiều (b) 8

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo kìm dòng AC dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ 9

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall, (a) mở vòng, (b) đóng vòng 10

Hình 1.7: Cấu tạo cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng GMI 11

Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện 12

Hình 1.9: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài 13

Hình 1.10: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [5] 14

Hình 1.11: Mô tả nguyên lý hoạt dộng của hiệu ứng từ-điện thuận 15

Hình 2.1: Hình minh họa cấu hình vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính 17

Hình 2.2: Ảnh chụp SEM vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng 18

Hình 2.3: Ảnh chụp vật liệu tổ hợp, cuộn solenoid, xuyến mica 18

Hình 2.4: Ảnh chụp cảm biến cấu hình chữ U (a) và chữ L (b) 19

Hình 2.5: Minh họa hệ đo thông số làm việc của cảm biến 20

Hình 2.6: Sơ đồ minh họa hệ đo từ-điện 21

Hình 2.7: Ảnh chụp hệ đo khảo sát đặc trưng 22

Hình 2.8: Ảnh chụp hệ SEM S-3400N (PTN Micro-nano, Đại học Công Nghệ-Đại học Quốc Gia Hà Nội) 23

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét 24

Hình 3.1: Đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms (a) và độ cảm từ dM/dH (b) được

đo trên mẫu 12×1, 12×7 và 12×12 mm 26Hình 3.2: Độ cảm từ của băng từ mẫu 1 (12×1) và mẫu 2( 116×1) 27Hình 3.3: Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra vào tần số 29Hình 3.4: Sự phụ thuộc của thế lối ra vào điện áp xoay chiều kích thích

cấp cho cuộn solenoid trên cảm biến 1 30Hình 3.5: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào cường độ từ trường của

cảm biến mẫu 1 31Hình 3.6: Sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp xoay chiều lối ra vào cường độ

dòng điện của cảm biến mẫu 1 32Hình 3.7: Sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp xoay chiều lối ra vào cường độ

dòng điện tại các vị trí khác nhau 32Hình 3.8: Mô hình tính toán từ trường tác dụng lên bề mặt cảm biến (a) và

kết quả fit lý thuyết với số liệu thực nghiệm tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào khoảng cách giữa cảm biến và dây dẫn với dòng cấp 1 A (b) 34Hình 3.9: Sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp xoay chiều lối ra vào cường độ

dòng điện của cảm biến mẫu 1 và mẫu 2 35Hình 3.10: Sơ đồ mắc cảm biến tổ hợp dạng chữ U (a) và chữ L (b) 36Hình 3.11: Tần số cộng hưởng của các cảm biến S1, S2, S3 36Hình 3.12: Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra vào điên áp kích thích

cấp cho cuộn solenoid (a) và thế nền Voffset (b) 37Hình 3.13: Đường cong từ-điện của cảm biến S1 (a) và đường fit trong dải

từ -0,5 đến 0,5 Oe (b) 38Hình 3.14: Đường cong từ-điện của cảm biến S2 (a) và đường fit trong dải

từ -0,5 đến 0,5 Oe (b) 39

I, chữ L và U vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại vị trí cách dây dẫn 3 mm 40Hình 3.17: Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên cấu hình chữ U

vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại các vị trí khác nhau 41Hình 3.18: Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên cấu hình chữ L

vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại các vị trí khác nhau 41Hình 3.19: kết quả fit lý thuyết với số liệu thực nghiệm tín hiệu cảm biến

phụ thuộc vào khoảng cách giữa cảm biến và dây dẫn với dòng cấp 1 A 42Hình 3.20: Khảo sát khả năng đo dòng điện và độ phân giải của cảm biến

cấu hình chữ L 43

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Dòng điện 3

1.1.1 Nguồn gốc dòng điện 3

1.1.2 Các đặc trưng của dòng điện 4

1.1.2.a Cường độ dòng điện 4

1.1.2.b Từ trường do dòng điện sinh ra 5

1.2 Các loại thiết bị đo dòng điện 5

1.2.1 Ampe kế 6

1.2.2 Kìm dòng 8

1.2.2.a Kìm dòng xoay chiều AC dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ 9

1.2.2.b Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall 10

1.3 Cảm biến đo dòng dựa trên hiệu ứng GMI 11

1.4 Cảm biến đo dòng điện dựa trên hiệu ứng từ-điện 12

1.4.1 Hiệu ứng từ-điện 12

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận 15

1.4.3 Cảm biến đo dòng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas 16

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 17

2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 17

2.5 Đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM 24

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Tính chất từ của băng từ Metglas 26

3.2 Cảm biến đo dòng điện hình chữ I 28

3.2.1 Cảm biến hình chữ I sử dụng mẫu 1 kích thước 12×1 mm 28

3.2.1.a Đặc trưng phụ thuộc tần số 28

3.2.1.b Đặc trưng phụ thuộc điện áp xoay chiều cấp cho cuộn solenoid 29

3.2.1.c Đặc trưng phụ thuộc từ trường 30

3.2.1.d Đặc trưng đo dòng điện 31

3.2.2 Cảm biến hình chữ I sử dụng mẫu 2 kích thước 116×1 mm 34

3.3 Cảm biến đo dòng điện tổ hợp 35

3.3.1 Khảo sát đặc trưng của các cảm biến đơn S1, S2, S3 36

3.3.1.a Đặc trưng phụ thuộc tần số làm việc 36

3.3.1.b Đặc trưng phụ thuộc điện áp xoay chiều cấp cho cuộn solenoid 37

3.3.1.c Đặc trưng phụ thuộc từ trường 38

3.3.2 Đặc trưng đo dòng điện của cảm biến tổ hợp 39

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

MỞ ĐẦU Ngày nay, điện năng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Nó có mặt ở khắp mọi nơi,trong tất cả mọi lĩnh vực đời sống sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên, quản lý và sử dụng điện năng không hợp lý gây lãng phí, thiệt hại về người và của đang là vấn đề nan giải của ngành điện Việt Nam Để giải quyết vấn đề này việc làm cấp thiết là phải thường xuyên kiểm tra đo đạc dòng điện Nếu kiểm soát được dòng điện, chúng ta có thể tránh được những sự cố, hư hỏng kĩ thuật, phát hiện những hiện tượng làm việc không bình thường của mạch điện, từ đó đưa ra phương án khắc phục xử

lý kịp thời Khoa học công nghệ phát triển việc đo dòng điện trở nên dễ dàng hơn, ngoài phương pháp đo dòng truyền thống bằng cách sử dụng các loại ampe kế, người ta còn sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc “non-contact” nhờ sự trợ giúp của các loại cảm biến hoạt động dựa trên một số hiệu ứng vật

lý khác nhau Phương pháp này hiện nay được dùng rất phổ biến với nhiều ưu điểm nổi trội như dải đo rộng, độ chính xác cao, có thể đo cả dòng xoay chiều

và một chiều mà không cần phá vỡ mạch điện

Gần đây, một hiệu ứng vật lý mới là hiệu ứng từ - điện với sự tổ hợp đồng thời của hai pha sắt từ và sắt điện trong một vật liệu (vật liệu multiferroics) đang thu hút được nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là đo lường Từ

- điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường Nhờ khả năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng này có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như chế tạo cảm biến, máy phát điện,…

Các nghiên cứu trên hiệu ứng từ-điện cho thấy khả năng ứng dụng rất tiềm năng trong lĩnh vực cảm biến đặc biệt để đo từ trường [1], [2], [3], [5], [9], [10], [11], [14] Dựa trên các kết quả nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện sử dụng vật liệu từ giảo là các băng từ Metglas pha tạp Ni với

thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 cho hiệu ứng từ-điện khổng lồ trong vùng từ trường rất thấp do tính chất từ siêu mềm của hợp kim này Tiếp tục các nghiên cứu nhằm khai thác đặc tính nhạy từ trường của vật liệu này và để mở rộng phạm vi ứng dụng của hiệu ứng, trong luận văn này, cảm biến đo dòng điện dựa trên nguyên lý đo từ trường của hiệu ứng từ-điện đã được nghiên cứu với

đề tài : “ Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo dòng điện dựa trên vật liệu tổ

hợp từ-điện Metglas/PZT” Dựa trên các đo đạc khảo sát đặc trưng đo dòng

điện của cảm biến, các mô hình tính toán lý thuyết cũng được xây dựng để tìm ra qui luật thay đổi của tín hiệu lối ra phụ thuộc vào vị trí đặt cảm biến và cường độ dòng điện cần đo

Các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn này cụ thể như sau:

 Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ Metglas/áp điện PZT và nghiên cứu các tính chất từ, điện và tính chất tổ hợp từ-điện của vật liệu

 Chế tạo, khảo sát các thông số hoạt động đo dòng điện đặc trưng của cảm biến

 Tối ưu cấu hình thiết kế để tăng cường độ nhạy dòng điện của cảm biến

 Xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng hoạt động của cảm biến

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Dòng điện

1.1.1 Nguồn gốc dòng điện

Lịch sử nghiên cứu về điện đã có từ hàng ngàn năm nay nhưng cho đến bây giờ chúng ta vẫn chưa biết chính xác thế nào là điện Người ta cho rằng điện được cấu tạo từ những phần nhỏ tích điện Theo lý thuyết này thì điện là dòng chuyển động của các electron hay các phân tích điện khác

Từ năm 600 trước công nguyên, những người Hy Lạp cổ đã biết rằng nếu cọ xát hổ phách thì nó có thể hút được những mẩu giấy Cho đến trước năm 1672 cũng chưa có một tiến bộ nào trong việc nghiên cứu về điện Vào năm 1672 ông Otto Fon Gerryk khi để tay bên cạnh quả cầu bằng lưu huỳnh đang quay đã nhận được sự tích điện lớn hơn Vào năm 1729 ông Stefan Grey

đã tìm ra rằng có 1 số chất có khả năng dẫn điện trong đó có kim loại, những chất như vậy được gọi chung là chất dẫn điện Đồng thời ông ta cũng phát hiện ra một số chất khác như thuỷ tinh, lưu huỳnh, hổ phách và sáp không dẫn điện Chúng được gọi là những chất cách điện

Bước tiến tiếp theo trong việc nghiên cứu về dòng điện là vào năm 1733 khi một người Pháp có tên là Duy Phey tìm ra vật tích điện dương và vật tích điện âm, mặc dù ông cho rằng đó là 2 loại điện khác nhau Bedzamin Franklin

là người đầu tiên thử giải thích thế nào là dòng điện Theo ông tất cả các chất trong tự nhiên đều có chứa “chất lỏng điện” Khi 2 chất va chạm vào nhau thì một số “chất lỏng” của chất này sẽ bị lấy sang chất khác Ngày nay, chúng ta nói “chất lỏng” được cấu tạo từ những điện tử mang điện tích âm Bộ môn khoa học nghiên cứu về điện phát triển rầm rộ từ năm 1880 khi mà Alexandro Volta đã sáng chế ra pin Phát minh này đã mang đến cho loài người nguồn

năng lượng thường xuyên và kéo theo nó tất cả những phát minh quan trọng nhất trong lĩnh vực này

1.1.2 Các đặc trưng của dòng điện

1.1.2.a Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích

di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian Nó thường được ký hiệu bằng chữ I từ chữ tiếng Đức Intensität nghĩa là cường độ Trong hệ SI, cường

độ dòng điện có đơn vị ampe (A)

= = ( + + + ⋯ + )/ (1)

Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét:

= ∆

∆ (2) Trong đó:

+ Itb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị đo ampe (A)

+ ∆Q là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian

∆t, đơn vị là Coulomb (C)

+ ∆t là khoảng thời gian được xét, đơn vị là giây (s)

Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời:

= (3)

Phương pháp đo dòng điện trực tiếp được thực hiện hoặc theo cách trực tiếp

sử dụng ampere kế (phần 1.2.1) hoặc gián tiếp dựa trên nguyên tắc đo từ trường tán xạ do dòng điện sinh ra sử dụng kìm dòng, cảm biến dựa trên hiệu ứng từ tổng trở, (phần 1.2.2 và 1.3)

1.1.2.b Từ trường do dòng điện sinh ra

Mọi dòng điện đều sinh ra từ trường trong không gian được tính toán tuân theo định luật Ampere Đây cũng là hiệu ứng được sử dụng để đo dòng điện một cách gián tiếp thông qua đo từ trường Từ trường sinh ra bởi dòng điện chạy trong các cuộn dây dẫn có vectơ cảm ứng từ tại một điểm phụ thuộc

vào cường độ dòng điện I chạy trong dây dẫn, hình dạng dây, vị trí của điểm

đang xét và môi trường xung quanh Từ trường sinh ra bởi dòng điện một chiều chạy trong dây dẫn thẳng có được biểu diễn dạng như sau:

=

2 (4) Trong đó:

μo: Hằng số từ môi

I: Cường độ dòng điện

d: Khoảng cách từ điểm đang xét đến dòng điện

Hình 1.1: Từ trường do dòng điện thẳng sinh ra

Theo công thức (4), từ trường được tính toán là rất nhỏ, tại khoảng cách

4 mm dòng điện 1 A tạo ra từ trường = 49.9999 (= 0.499999 Gauss) tương đương độ lớn cường độ từ trường trái đất [6]

1.2 Các loại thiết bị đo dòng điện

Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, việc đo dòng điện trở nên dễ dàng hơn với sự xuất hiện của nhiều loại thiết bị đo dòng như ampe kế, kìm dòng Phương pháp đo dòng trực tiếp truyền thống bằng cách sử dụng các

loại ampe kế có độ chính xác cao, tuy nhiên dải đo nhỏ và phải phá vỡ mạch điện, thường dùng để đo dòng một chiều không phù hợp với các mạch điện phức tạp Phương pháp đo không tiếp xúc “non-contact” có nhiều ưu điểm hơn như phương pháp đo đơn giản, độ chính xác cao, dải đo rộng, có thể đo

cả dòng xoay chiều và dòng một chiều mà không phải phá vỡ mạch điện Phương pháp này hiện nay đang được sử dụng phổ biến với nhiều sản phẩm

đa dạng trên thị trường Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là sử dụng các cảm biến đo từ trường tán xạ sinh ra bởi dòng điện trong dây dẫn cần đo, rồi lấy tín hiệu lối ra để suy ra cường độ dòng điện cần đo Vì từ trường sinh

ra bởi dòng điện rất nhỏ nên yêu cầu đặt ra với các loại cảm biến này là phải nhạy trong vùng từ trường thấp Dưới đây là một số thiết bị đo dòng điện phổ biến hiện nay và nguyên lý hoạt động của chúng

1.2.1 Ampe kế

Ampe kế là dụng cụ đo cường độ dòng điện được mắc nối tiếp trong mạch Tên của dụng cụ đo lường này được đặt theo đơn vị đo cường độ dòng điện là ampe Để đo cường độ dòng điện, ampe kế phải được mắc nối tiếp vào mạch điện cần đo

Hình 1.2: Sơ đồ cách mắc ampe kế vào mạch điện

Ampe kế bao gồm một Gavanô kế - điện kế (hình 1.3), là một bộ chuyển đổi từ cường độ dòng điện sang chuyển động quay trong một cung của một cuộn dây nằm trong từ trường

Hình 1.3: Gavano kế

Ampe kế loại này thường dùng để đo cường độ của dòng điện một chiều chạy trong một mạch điện Bộ phận chính là một cuộn dây dẫn, có thể quay quanh một trục, nằm trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu Cuộn dây được gắn với một kim chỉ góc quay trên một thước hình cung Một lò xo xoắn kéo cuộn và kim về vị trí số không khi không có dòng điện Trong một số dụng cụ, cuộn dây được gắn với một miếng sắt, chịu lực hút của các nam châm và cân bằng tại vị trí số không Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây, dòng điện chịu lực tác động của từ trường (do các điện tích chuyển động bên trong dây dẫn chịu lực Lorentz) và bị kéo quay về một phía, xoắn lò xo,

và quay kim Vị trí của đầu kim trên thước đo tương ứng với cường độ dòng điện qua cuộn dây Để đo dòng điện lớn, người ta mắc song song với cuộn dây này các điện trở nhỏ để chia sẻ bớt dòng điện Các thang đo cường độ dòng điện khác nhau ứng với các điện trở shunt khác nhau Trong các ampe

kế truyền thống, các điện trở được thiết kế để cường độ dòng điện tối đa qua cuộn dây không quá 50 mA

Tùy theo loại điện kế mà ampe kế thuộc các loại khác nhau: Ampe kế điện từ có khung quay chỉ đo được dòng 1 chiều, ampe kế có sắt quay hoặc amppe kế nhiệt đo được cả dòng một chiều và xoay chiều

Nhược điểm của ampe kế là nó đo dòng điện một cách trực tiếp, do đó phải phá vỡ mạch điện Phạm vi hoạt động của Ampe kế nhỏ (thường dưới 10 A) và độ chính xác của phép đo không cao

1.2.2 Kìm dòng

Hình 1.4: Sơ đồ cách đo dòng điện xoay chiều (a) và dòng một chiều (b)

Kìm dòng là một thiết bị vô cùng tiện lợi trong việc đo cường độ dòng điện trong dây dẫn mà không cần phá vỡ mạch điện Với phương pháp đo dòng điện sử dụng ampe kế truyền thống, thiết bị đo cần mắc trực tiếp vào mạch Tuy nhiên với kìm dòng, cường độ dòng điện được xác định bằng một thao tác rất đơn giản như chỉ ra trên hình 1.4 Ưu điểm của phương pháp này

là cho phép đo dòng lớn với độ an toàn cao mà không cần ngắt mạch

Tùy thuộc chế độ đo dòng điện mà kìm dòng sử dụng được phân loại bao gồm kìm dòng đo được dòng xoay chiều AC hay kìm dòng đo dòng một chiều

DC

1.2.2.a Kìm dòng xoay chiều AC dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ

Kìm dòng AC hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông sinh ra bởi dòng điện chạy trong dây dẫn muốn xác định cường

độ dòng điện Giả sử dòng điện chạy qua dây dẫn là dòng sơ cấp, chúng ta sẽ thu được dòng trong cuộn thứ cấp cuốn quanh xuyến từ tỉ lệ với dòng sơ cấp

do cảm ứng điện từ Điều này cho phép dòng AC được xác định và hiển thị trên màn hình số như được minh họa trong sơ đồ khối (hình 1.5) Ở đây, xuyến từ được làm bằng vật liệu có độ từ thẩm cao có vai trò tập trung từ thông sinh ra bởi dòng sơ cấp

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo kìm dòng AC dựa trên hiện tượng

cảm ứng điện-từ

Kìm dòng AC có thể được sử dụng để xác định dòng xoay chiều lên tới hàng nghìn ampe Tuy nhiên nhược điểm của nó là không xác định được dòng điện xoay chiều nhỏ và dòng điện một chiều Ngoài ra, với nguyên lý cảm ứng điện động thì tín hiệu lối ra tỷ lệ với biến thiên cường độ dòng điện cần

đo Do đó, tín hiệu lối ra bị méo, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

Và thường sau một thời gian sử dụng (hoặc lỗi gặp phải khi dùng thiết bị loại này để đo dòng DC), vật liệu dùng làm vòng xuyến bị từ hóa và có từ dư, điều này ảnh hưởng rất lớn đến phép đo

1.2.2.b Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall

Khác với kìm dòng đo AC hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

từ, vòng xuyến của kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall được cắt một khe nhỏ để đặt cảm biến Hall Từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng sẽ được tập trung trong xuyến từ và được đo bởi cảm biến

Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall có thể sử dụng công nghệ vòng mở hoặc vòng đóng [13] Với công nghệ vòng mở (hình 1.6.a), thế Hall lối ra

được đưa vào một bộ khuếch đại thuật toán, tín hiệu ra (V out) cho biết các thông tin của dòng điện muốn đo với độ chính xác khoảng 1% và độ phân giải

cỡ 100mA Vùng hoạt động của thiết bị khá rộng 0,5A2000A, 0 kHZ (dòng DC) đến 10kHz

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall, (a) mở vòng, (b)

đóng vòng

Tuy nhiên hiện tượng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm giảm độ chính xác của phép đo, tương tự như với kìm dòng AC dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Trên thực tế người ta có thể sử dụng một mạch điện hồi tiếp để giữ cho từ thông trong lõi sắt luôn xấp xỉ không, giảm thiểu hiệu ứng từ trễ và tăng độ nhạy của đầu đo, như biểu diễn trong (hình 1.6.b), đây chính là công nghệ vòng đóng Khi có dòng điện, từ thông trên gọng kìm

sẽ làm xuất hiện một điện áp trên ngõ ra của cảm biến Hall Điện áp này sẽ được khuếch đại lên nhiều lần và đưa về hồi tiếp vào cuộn dây để tạo từ trường ngược lại Nếu hệ số khuếch đại của mạch đủ lớn, thì tổng hai từ trường này gần bằng không Như vậy, thông qua đo dòng trong cuộn dây hồi

tiếp sẽ xác định được dòng trên dây cần đo Với thiết bị này, độ chính xác của phép đo khoảng 1% với độ phân giải 1mA Vùng hoạt động của thiết bị là 10mA200A, 0 kHZ (dòng DC) đến 100kHz

1.3 Cảm biến đo dòng điện dựa trên hiệu ứng GMI

Cấu tạo của cảm biến gồm cảm biến GMI có tác dụng đo từ trường sinh

ra bởi dòng điện, được đặt trong khe của xuyến dẫn từ làm nhiệm vụ tập trung

từ trường (hình 1.7)

Hình 1.7: Cấu tạo cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng GMI

Khi cho dòng điện chạy qua xuyến sẽ sinh ra từ trường chạy trong xuyến, từ trường này được tập trung tại khe từ, tác động lên cảm biến GMI làm thay đổi tổng trở của cảm biến Thông qua việc xác định sự thay đổi tổng trở của cảm biến người ta sẽ xác định được cường độ dòng điện cần đo Cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng GMI có nhiều ưu điểm lớn như:

Tín hiệu ra tỉ lệ thuận với tín hiệu vào do đó cấp độ đo được bảo toàn,

độ chính xác cao Đo được cả dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều Kích thước nhỏ gọn, phù hợp với nhiều thiết kế yêu cầu thu nhỏ cấu hình

Tuy nhiên, do cảm biến sử dụng xuyến dẫn từ bằng vật liệu từ vô định hình nền Fe, nên sau một thời gian dài sử dụng sẽ xuất hiện từ dư bên trong xuyến làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Ngoài ra, độ nhạy của

cảm biến sau khi chế tạo cũng tương đối thấp trung bình cỡ 5 (mV/A) trong dải đo 0-30 A [4]

1.4 Cảm biến đo dòng điện dựa trên hiệu ứng từ-điện

1.4.1 Hiệu ứng từ-điện

Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện [8] Hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ-điện nghịch(converse magnetoelectric effect), trong đó hiệu ứng thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (ΔP) khi đặt trong từ trường ngoài (H),

và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (ΔM) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện Trên hình 1.8 là hình biểu diễn đơn giản đặc trưng cho mối liên hệ giữa từ và điện của cả hai hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch

Cơ chế của hiệu ứng từ-điện thuận được giải thích là do khi vật liệu chịu

tác dụng của một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị

biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện

Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu

multiferoics kiểu từ giảo/áp điện

Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu này sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như quan sát thấy trên hình 1.9.a Hiệu ứng từ điện thuận được đặc trưng bởi hệ số từ điện:E = dE/dH

Cơ chế của hiệu ứng từ-điện nghịch được biểu diễn bởi sự thay đổi từ độ

vật liệu (M) khi chịu tác dụng của điện trường E (hay điện áp V) (hình 1.9.b)

Ngược với hiệu ứng từ-điện thuận, trong hiệu ứng này, dưới tác dụng của điện trường, do hiện tượng điện giảo, pha áp điện sẽ bị biến dạng cưỡng bức sinh

ra ứng suất cơ học truyền cho pha sắt từ (từ giảo) Do hiệu ứng Villary, mô men từ của pha này sẽ bị thay đổi để cực tiểu hóa năng lượng từ đàn hồi sinh

ra do ứng suất Hiệu ứng từ-điện nghịch được đặc trưng bởi hệ số từ-điện: M

Hình 1.10: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng

từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện[5]

Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo dòng điện, hiệu ứng từ-điện thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra mà không nguồn dòng nuôi như các cảm

biến Hall và cảm biến từ-điện trở truyền thống

Cho đến nay, rất nhiều loại vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận đã được nghiên cứu và khai thác Trong đó, vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận có thể được chia thành hai loại chính là vật liệu đơn pha và vật liệu tổ hợp Trong

đó, vật liệu dạng đơn pha bộc lộ nhiều hạn chế như hệ số từ-điện thấp αE 1 –

10 (mV/cmOe) [3] Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này được chế tạo đều dựa trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn đến sự hình thành một số pha phụ làm giảm tính chất từ-điện của vật liệu Cho đến nay, hiệu ứng từ-điện lớn nhất được công bố trên các vật liệu tổ hợp hai pha dạng tấm và dạng màng mỏng Trong số đó, vật liệu tổ hợp dạng tấm có nhiều ưu thế hơn do đặc điểm công nghệ chế tạo đơn giản, dễ chế tạo giá thành thấp, có thể sản xuất và ứng dụng hàng loạt với qui mô lớn Hơn thế nữa, đối với vật liệu tổ hợp dạng này ta có thể chủ động tối ưu các tham số và cấu hình vật liệu phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thể Đối với các ứng dụng trong vùng từ trường nhỏ cỡ từ trường trái đất thì yêu cầu đặt ra với các vật liệu tổ hợp 2 pha có hiệu ứng từ-điện thuận là pha sắt từ có tính chất từ giảo mềm siêu nhạy với từ trường thấp và pha sắt điện có tính chất áp điện phải siêu nhạy với ứng suất

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận

Như đã trình bày trong phần về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng điện thuận, đối với vật liệu tổ hợp dạng tấm gồm hai lớp, khi có mặt từ trường

từ-ngoài không đổi (HDC) chỉ có lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng còn lớp áp điện (sắt điện) thì không chịu ảnh hưởng bởi từ trường này

Hình 1.11: Mô tả nguyên lý hoạt dộng của hiệu ứng từ-điện thuận

Do có sự liên kết cơ học giữa hai lớp nên biến dạng trên vật liệu tổ hợp

sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (hình 1.11) và ứng suất được sinh ra

cũng là một ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (σDC) Sự có mặt của ứng suất này sẽ làm xuất hiện trên 2 mặt đối diện của tấm áp điện lượng điện tích cảm

ứng không đổi (QDC) Lúc này tấm áp điện đóng vai trò như một tụ điện với lượng điện tích không được duy trì mãi mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một

hằng số thời gian (τ) do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết

bị đo đạc Để duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực nghiệm, một

từ trường xoay chiều (hac) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng

dao động (σac) tác dụng lên pha áp điện Sự có mặt của ứng suất này sẽ tạo ra

điện lượng biến thiên (qac) trên tấm áp điện và việc đo đạc có thể dễ dàng được thực hiện thông qua việc đo điện áp xoay chiều lối ra trên tấm vật liệu

áp điện [5]

1.4.3 Cảm biến đo dòng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT

Các nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp các băng từ siêu mềm metglas có pha tạp Ni với thành phần

Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Metglas pha Ni) với pha sắt điện là gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điện-cơ lớn có thể cho hiệu ứng từ-điện lớn

22000 mV/cmOe trong từ trường rất nhỏ (~5 Oe) [15] Hiệu ứng thu được này

có thể so sánh được với các kết quả tốt nhất hiện nay được công bố trên thế giới trên các vật liệu tổ hợp dạng này Đồng thời, trong nghiên cứu ứng dụng, nhóm cũng đã chế tạo thành công cảm biến đo từ trường trái đất sử dụng vật liệu tổ hợp Metglas/PZT với độ chính xác và độ phân giải cao hướng đến ứng dụng trong công nghệ vệ tinh, định vị GPS [1]

Khai thác thế mạnh đo từ trường siêu nhạy trong vùng từ trường thấp của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, các nghiên cứu tiếp tục được thực hiện với mục tiêu mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu để chế tạo các cảm biến đo dòng điện dựa trên một hiệu ứng vật lý hoàn toàn mới khác xa với các cảm biến truyền thống có cùng chức năng nhưng cho độ nhạy và độ chính xác cao sử dụng công nghệ chế tạo đơn giản qua đó hạ giá thành sản phẩm Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu được đặt ra trong luận văn với mong đợi sẽ chế tạo thành công cảm biến có các thông số có thể so sánh được với các cảm biến thương phẩm đang được sử dụng hiện nay

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT

Dựa trên các kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Công Nghệ về hiệu ứng từ-điện của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn PZT [7] có kích thước 121 mm và tấm băng từ Metglas 2650SC với chiều dài 12 mm và 116 mm làm vật liệu Chúng tôi mong đợi cảm biến được chế tạo ở kích thước này sẽ có độ nhạy cao, có khả năng đo được từ trường thấp sinh ra bởi dòng điện chạy trong dây dẫn điện thẳng

Vật liệu multiferroics tổ hợp sử dụng trong luận văn được chế tạo bằng phương pháp kết dính với hai cấu hình như biểu diễn trên (hình 2.1) Trong

đó, một tấm băng từ Metglas 2650SC với chiều dài 12 mm và 116 mm được gắn trên mặt của tấm áp điện dày 0,5 mm hình chữ nhật 12×1 mm Mẫu sau khi chế tạo được gắn điện cực lên hai mặt của tấm áp điện đã được phân cực theo phương vuông góc với mặt phẳng tấm

Hình 2.1: Hình minh họa cấu hình vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng

phương pháp kết dính

Chiều dày các lớp, độ đồng nhất của lớp kết dính được quan sát sử dụng phương pháp chụp ảnh SEM tại PTN Micro-Nano, Trường ĐHCN Kết quả được đưa ra trên (hình 2.2) Từ phép đo thực nghiệm, độ dày lớp keo dính được xác định vào khoảng 7µm, lớp băng từ Metglas dày 18µm

Hình 2.2: Ảnh chụp SEM vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng

phương pháp kết dính

Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra bằng cách sử dụng cuộn dây solenoid làm bằng Cu được cuốn xung quanh ống plastic có mật độ vòng dây được xác định từ thực nghiệm là 10.5 vòng/mm, chiều dài 12 mm và có đường kính ngoài 1.8 mm Dây Cu được sử dụng có đường kính 80 μm bọc cách điện

Vật liệu multiferroics sau khi chế tạo hoàn chỉnh được gắn điện cực và đưa vào bên trong lõi của cuộn solenoid tạo từ trường xoay chiều

Hình 2.3: Ảnh chụp vật liệu tổ hợp, cuộn solenoid, xuyến mica

và cảm biến mẫu 1 hoàn thiện

Để thuận tiện cho việc khảo sát đặc trưng đo cường độ dòng điện của cảm biến đồng thời đánh giá sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào vị trí đặt dây dẫn dòng điện, chúng tôi thiết kế các tấm mica có cấu hình phù hợp với cấu hình cảm biến chế tạo được

Cụ thể trên cấu hình cảm biến đơn (mẫu 1) kích thước 12×1 mm, chúng tôi thiết kế xuyến tròn có khoan sẵn các lỗ cho dây dẫn điện đi qua Khoảng cách giữa dây dẫn và cảm biến là = 3 , 5 , 9 , 13 , 17 (hình 2.3)

Trên tấm băng từ kích thước 116×1 mm, chúng tôi tiến hành tích hợp ba cảm biến đơn S1, S2, S3 trên cùng tấm băng từ Các cuộn solenoid được mắc song song với nhau và nối với nguồn cấp xoay chiều, tín hiệu lối ra trên các cảm biến thành phần được mắc nối tiếp với nhau để điện áp thu được sẽ là tổng của các điện áp thành phần Cấu hình chữ U được kết hợp bởi ba cảm biến S1, S2, S3 còn cấu hình chữ L là sự kết hợp của hai cảm biến S2, S3 (hình 2.4)

Hình 2.4: Ảnh chụp cảm biến cấu hình chữ U (a) và chữ L (b)

2.2 Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến

Cường độ từ trường xoay chiều kích thích và tần số cộng hưởng của cảm biến là hai thông số làm việc quan trọng của cảm biến Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động cơ học riêng của vật liệu bằng tần số kích

thích của từ trường xoay chiều Ở đây, để tạo ra từ trường xoay chiều hac = h

sin(2ft), chúng tôi sử dụng bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in

Amplifier) đóng vai trò như một nguồn nuôi xoay chiều cấp cho cuộn dây solenoid của cảm biến Tần số nguồn cho phép nằm trong dải từ 0 đến 250 kHz và điện áp nguồn nuôi trong dải từ 0 đến 5V Bộ khuếch đại lock-in này đồng thời đóng vai trò làm thiết bị đo điện áp lối ra từ tấm áp điện của cảm