Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng

Ví dụ như: trong các loại máy điện máy phát, động cơ, máy biến áp, vật liệu từ được dùng để chế tạo mạch từ và là một bộ phận quan trọng trong kết cấu của chúng để tạo nên từ trường; tro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH THÂN ĐỨC HIỀN

Hà Nội – 2011

Lời cảm ơn

Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Thân Đức Hiền

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em hoàn thành luận văn này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS.TS Nguyễn Phúc Dương đã quan tâm

góp ý, nhiệt tình hướng dẫn và dạy bảo trong thời gian em thực hiện luận văn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới NCS Lương Ngọc Anh, NCS Trần Thị Việt Nga đã tận tình giúp đỡ về kỹ thuật và chuyên môn trong quá trình em thực hiện

luận văn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới anh Nguyễn Minh Hồng đã tận tình giúp đỡ

về kỹ thuật trong quá trình em thực hiện luận văn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, Cô, các anh chị công tác tại Viện ITIMS và các bạn học viên khóa ITIMS – 2009 đã chia sẻ, động viên và giúp đỡ trong thời gian em tham gia khóa học

Hưng Yên, ngày 24 tháng 10 năm 2011

Học viên

Trần Quang Phú

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

Lời cảm ơn i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

Chương 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Mở đầu 1

1.2 Các thông số từ quan trọng [3] 2

1.2.1 Momen từ 2

1.2.2 Cảm ứng từ 2

1.2.3 Cường độ từ trường 2

1.2.4 Độ từ thẩm 3

1.2.5 Độ cảm từ hay hệ số từ hóa 3

1.2.6 Từ độ 4

1.2.7 Lực kháng từ 4

1.2.8 Đường cong từ hóa 5

1.2.10 Nhiệt độ Curie 7

1.3 Các vật liệu từ ứng dụng [1] 7

1.3.1 Vật liệu từ cứng 7

1.3.2 Vật liệu từ mềm 7

1.3.3 Vật liệu ghi từ 8

1.3.4 Các loại vật liệu từ ứng dụng khác 8

1.4 Các phương pháp cảm ứng (induction methods) [2] 8

1.4.1 Phương pháp cuộn đo tĩnh 9

1.4.2 Phương pháp cuộn dây dịch chuyển 10

1.4.3 Phương pháp cuộn dây quay 11

1.4.4 Phương pháp cuộn dây rung 12

1.4.5 Từ kế fluxgate 14

1.4.6 Phép đo hệ số từ hoá động χac 17

1.4.7 Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer-VSM) 18

1.4.7.1 Nguyên lý làm việc 18

1.4.7.2 Cấu tạo một VSM 19

1.4.7.3 Hệ cuộn cảm ứng 20

1.4.7.4 Khuếch đại lọc lựa (lock-in amplifier) 21

1.4.7.5 Nhiễu nền và tỉ số tín hiệu trên nhiễu 22

1.4.8 Từ kế mẫu dịch chuyển (từ kế tích phân) 24

Chương 2 28

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO 28

2.1 Sơ đồ cấu tạo của từ kế mẫu dịch chuyển 28

2.2 Khảo sát các thiết bị 30

2.2.1 Nam châm điện 30

2.2.2 Nguồn nuôi cho nam châm điện 32

2.3 Thiết kế, chế tạo các phần tử của hệ đo 38

2.3.1 Thiết kế, chế tạo cuộn dây cảm ứng 38

2.3.1.1 Trường hợp sử dụng một cặp cuộn .38

2.3.1.2 Trường hợp sử dụng hai cặp cuộn .39

2.2.2 Giá đặt mẫu và dịch chuyển mẫu 42

2.2.3 Bộ phận tạo và đo nhiệt độ 44

2.2.4 Đo điện áp cảm ứng và xử lý kết quả đo 47

Chương 3 53

KẾT QUẢ ĐO 53

3.1 Chuẩn hệ đo 53

3.2 Xây dựng đường cong từ trễ 59

3.2.1 Cách xây dựng đường cong từ trễ 59

3.2.2 Đường cong từ trễ của mẫu Ni 60

3.2.3 Đường cong từ trễ của một số mẫu vật liệu từ khác 61

3.3 Xây dựng đường từ nhiệt 64

3.3.1 Cách xây dựng đường từ nhiệt 64

3.3.2 Đường từ nhiệt của mẫu Ni 64

3.3.3 Đường từ nhiệt của một số mẫu vật liệu từ khác 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Quan hệ giữa cường độ từ trường H (Gauss) với bán kính cực từ R(mm)

(ví dụ cho trường hợp điện áp I = 1,56 A và I = 3,40 A) 34

Bảng 2.2 Quan hệ H = f(U) 37

Bảng 2.3 Dữ liệu thu được dưới dạng bảng số quan hệ điện áp – thời gian 48

Bảng 2.4 Bảng các thông số của đường cong hình 2.29 51

Bảng 3.1.a Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có trọng lượng 0,0602 g 54

Bảng 3.1.b Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có trọng lượng 0,1214 g 54

Bảng 3.1.c Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có trọng lượng 0,1558 g 55

Bảng 3.1.d Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có trọng lượng 0,2352 g 55

Bảng 3.2 Điện áp trung bình ứng với các mẫu ở từ trường bão hòa 56

Bảng 3.3 Momen từ của các mẫu khảo sát 56

Bảng 3.4 Quy đổi điện áp đo được thành momen từ của các mẫu 56

Bảng 3.5: So sánh thông số thu được từ đường từ trễ của mẫu Ni giữa kết quả đã được công nhận với kết quả đo bằng hệ đo xây dựng được 61

Phụ lục 1 Kết quả khảo sát từ trường tại các vị trí trên mặt cực từ ứng với các giá trị dòng điện (điện áp) khác nhau 70

Phụ lục 2: Quan hệ giữa từ trường H với điện áp cảm ứng U và momen từ M sau khi đã nhân với hệ số máy của các mẫu Ni có trọng lượng khác nhau 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Xác định momen từ trên một dòng điện kín 2

Hình 1.2 Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch từ 6

Hình 1.3 Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ, vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm, và các thông số của vật liệu được xác định trên đường cong từ trễ 6

Hình 1.4 Cấu hình một cuộn đo tĩnh 9

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo của hệ đo cuộn dây rung .12

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo của một sensor fluxgate Thế tín hiệu từ cuộn thứ cấp được xử lý qua khuếch đại lọc lựa, tương tự như đối với các trường hợp tín hiệu xoay chiều khác .14

Hình 1.7 Sự từ hóa các lõi theo thời gian và tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp khi không có từ trường và có từ trường 16

Hình 1.8 (a) Ảnh một từ kế lõi xuyến điển hình (b) Ảnh một từ kế lõi xuyến nổi trên mặt chất lỏng, chế tạo bởi hãng Autonnic (theo tài liệu của hãng Autonnic Research Ltd,UK) 16

Hình 1.9 Giản đồ về mối liên hệ giữa từ trường xoay chiều, từ độ của mẫu và các thành phần của hệ số từ hóa động .18

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của từ kế VSM 19

Hình 1.11 (a) Hệ cuộn cảm ứng bao gồm bốn cuộn dây giống nhau được mắc thành cặp xung đối (b) Mặt cắt của hệ các cuộn dây cho thấy kích thước và cấu hình tối ưu 21

Hình 1.12 Sơ đồ khối của một khuếch đại lọc lựa (lock-in amplifier) 22

Hình 1.13 Hình ảnh một VSM hiện đại 24

Hình 1.14 Hệ cuộn cảm ứng .25

Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo của từ kế tích phân .26

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ đo từ mẫu dịch chuyển 29

Hình 2.2 Hình ảnh nam châm điện được đặt trên giá đỡ 30

Hình 2.3 Cấu tạo nam châm điện 31

Hình 2.4 Kích thước cực từ và không gian giữa hai cực từ 31

Hình 2.5 Đường nước làm mát cho nam châm điện 31

Hình 2.6 Bốn bộ nguồn một chiều mắc nối tiếp 32

Hình 2.8 Đồ thị quan hệ giữa cường độ từ trường với bán kính mặt cực từ 36

Hình 2.9 Đường quan hệ điện áp đặt vào cuộn dây nam châm và từ trường cực từ trong vùng đồng nhất 37

Hình 2.10 Cấu tạo và kích thước bộ quấn cuộn cảm ứng (trường hợp một cặp cuộn, đơn vị mm) 38

Hình 2.11 Hai cuộn dây được gắn lên hai mặt cực của nam châm 39

Hình 2.12 Hai cuộn dây được mắc xung đối 39

Hình 2.13 Kích thước hợp lý của hai cuộn dây đặt trên một mặt cực từ 40

Hình 2.14 Hình dạng và kích thước khuôn quấn bốn cuộn dây 40

Hình 2.15 Hai cặp cuộn được gắn trên hai mặt cực từ 41

Hình 2.16 Hai cặp cuộn dây được mắc xung đối 41

Hình 2.17 Mẫu được đặt dưới đáy của ống thạnh anh, cũng chính là cần dịch chuyển mẫu 42

Hình 2.18 Đầu trên của cần dịch chuyển mẫu đưa qua bộ phận dẫn hướng và nối với một xi lanh 42

Hình 2.19 Sơ đồ điều khiển xi lanh dịch chuyển mẫu 43

Hình 2.20 Cấu tạo bộ phận tạo nhiệt độ cao 45

Hình 2.21 Hình ảnh bộ phận tạo nhiệt độ cao 45

Hình 2.22 Đường hút chân không ở bộ phận tạo nhiệt 46

Hình 2.23 Bộ điều khiển nhiệt độ E5CZ 46

Hình 2.24 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển nhiệt độ 47

Hình 2.25 Mini voltmeter đo điện áp cuộn cảm ứng 48

Hình 2.26 Tín hiệu thu được dưới dạng xung 49

Hình 2.27 Dạng tín hiệu điện áp đo được vẽ lại bằng phần mềm Origin 49

Hình 2.28 Dùng phần mềm Origin vẽ lại các xung (a) và sau đó làm khớp theo hàm

Gauss (b) 50

Hình 2.29 Dạng đường cong và các thông số 50

Hình 2.30 Ví dụ tính tích phân đường cong trên hình 2.29 theo phương trình (2.2) với các thông số của một xung điện áp, kết quả tích phân đúng bằng A 51

Hình 3.1 Đường quan hệ M = f(H) với 4 mẫu Ni có trọng lượng khác nhau 57

Hình 3.2 Đường quan hệ M = f(H) với 5 mẫu Ni có trọng lượng khác nhau 58

Hình 3.3 Trình tự xây dựng đường từ trễ 59

Hình 3.4 Đường từ trễ của mẫu Ni (0,2352g) 60

Hình 3.5 Phóng to đoạn quanh gốc tọa độ hình 3.4 61

Hình 3.6 Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,9Zn0,1Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h)

có Ir = 2,36 (emu/g), Hc = 109 (gauss) 62

Hình 3.7: Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,7Zn0,3Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h)

có Ir = 2,39 (emu/g), Hc = 117 (gauss) 62

Hình 3.8: Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h)

có Ir = 2,93 (emu/g), Hc = 122 (gauss) 63

Hình 3.9: Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 7000C trong 24h)

có Ir = 3,51 (emu/g), Hc = 159 (gauss) 63

Hình 3.10 Đường từ nhiệt của mẫu Ni (0.2352g), Tc = 638 K 65

Hình 3.11 Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,9Zn0,1Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h),

Tc =858 K 66

Hình 3.12 Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,7Zn0,3Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h),

Tc =843 K 66

Hình 3.13 Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h),

Tc =828 K 67

Hình 3.14 Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 7000C trong 24h), Tc =843 K 67

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Mở đầu

Từ học và vật liệu từ là các ngành khoa học đang có ý nghĩa hết sức to lớn trong công nghiệp và trong đời sống Trong công nghiệp, vật liệu từ được sử dụng hết sức rộng rãi Ví dụ như: trong các loại máy điện (máy phát, động cơ, máy biến áp), vật liệu từ được dùng để chế tạo mạch từ và là một bộ phận quan trọng trong kết cấu của chúng để tạo nên từ trường; trong kỹ thuật đo cơ điện, vật liệu từ cũng được dùng làm mạch từ của cơ cấu đo; trong lĩnh vực lưu trữ thông tin, các ổ cứng, đĩa từ ngày càng trở nên quan trọng; trong y học ngày nay, người ta sử dụng các hạt nano từ để chuẩn đoán và điều trị bệnh, … Trong cuộc sống, vật liệu từ cũng được

sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị như loa đài, chuông điện, …

Chính vì những ứng dụng rộng rãi và quan trọng đó, nên hàng năm, trong nước cũng như trên thế giới diễn ra rất nhiều hội nghị khoa học về lĩnh vực này Trong các Viện nghiên cứu về vật liệu vẫn không ngừng nghiên cứu, tổng hợp ra các các vật liệu từ có những tính chất phù hợp nhằm tạo ra những ứng dụng mới cũng như cải thiện những ứng dụng đã có Ví dụ như: giảm kích thước của mạch từ máy điện nhưng vẫn giữ được công suất như cũ, hay tăng công suất của loa đài nhưng lại giảm được kích thước của mạch từ

Cùng với phát triển vật liệu từ, một lĩnh vực cũng rất quan trọng là phát triển

kỹ thuật đo để xác định các thông số cũng như tính chất từ của vật liệu tạo ra Trên thực tế, để đo các thông số từ (đo từ trường và đo momen từ) vẫn dựa trên một nguyên tắc đo là nguyên tắc cảm ứng điện từ hay sau này gọi là phương pháp đo cảm ứng Tuy vậy, việc đo các thông số từ là khá phức tạp và về cơ bản nó không giống với phương pháp đo các thông số điện (điện áp, dòng điện) mặc dù chúng có cùng nguyên tắc Trước khi nghiên cứu về các phép đo từ, ta sẽ tìm hiểu khái niệm một số thông số từ và ứng dụng của vật liệu từ

1.2 Các thông số từ quan trọng [3]

1.2.1 Momen từ

Mômen từ, hay mômen lưỡng cực

từ (magnetic dipole moment) là đại

lượng vật lý, đặc trưng cho độ mạnh yếu

của nguồn từ Trong trường hợp đơn

Trong hệ CGS (centimet, gam, giây) B được đo bằng Gauss (G):

B = H + 4πI (1.2) Trong hệ SI (mét, kilogram, giây), B được đo bằng Tesla (T)

Cường độ từ trường là đại lượng véctơ, được ký hiệu bằng chữ H, cùng phương với

B trong chân không (trong hệ đo lường SI):

Trong môi trường vật chất có độ từ hóa I, véc tơ H được xây dựng để đóng vai trò tương tự như cường độ điện trường E của điện trường trong các phương trình Maxwell, thông qua mối liên liên hệ với cảm ứng từ B, và độ từ hóa I (biểu thức (1.2); (1.3))

1.2.4 Độ từ thẩm

Độ từ thẩm (Magnetic permeability) được ký hiệu là µ là một đại lượng vật

lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài Khái niệm từ thẩm thường mang tính chất kỹ thuật của vật liệu, nói lên quan hệ giữa cảm ứng từ và từ trường ngoài Độ từ thẩm thực chất chỉ đáng kể ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ và feri từ)

1.2.5 Độ cảm từ hay hệ số từ hóa

Độ cảm từ là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của chất dưới tác dụng của từ trường ngoài Độ cảm từ còn có tên gọi khác là hệ số từ hóa (không nhầm với độ từ hóa) Độ cảm từ thể hiện mối quan hệ giữa từ độ (là đại lượng nội tại) và từ trường ngoài, nên thường mang nhiều ý nghĩa vật lý gắn với các tính chất nội tại của vật liệu

Độ cảm từ, thường được ký hiệu là χ, hay χm (để phân biệt với χe - độ cảm điện) được định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa và độ lớn của từ trường:

I H

Mối quan hệ giữa độ từ thẩm và độ cảm từ:

Từ (1.3) và (1.6) ta có:

B = µ 0 (1 + χ).H = µ.H (1.7) Như vậy, đại lượng độ từ thẩm và độ cảm từ quan hệ với nhau qua biểu thức:

µ = µ 0 (1 + χ) (1.8) Đại lượng µ = µ 0 (1 + χ) được gọi là độ từ thẩm Độ từ thẩm có cùng ý nghĩa

với độ cảm từ, đều nói lên khả năng phản ứng của các vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài

Trong kỹ thuật, người ta thường quan tâm đến giá trị độ từ thẩm hiệu dụng được định nghĩa bởi:

µ r = µ/µ 0 = (1 + χ) (1.9)

Khi nói độ từ thẩm thì người ta thường ngầm hiểu là là độ từ thẩm tương đối,

và đại lượng này là đại lượng không có thứ nguyên

1.2.6 Từ độ

Độ từ hóa hay từ độ (magnetization) ký hiệu là I là một đại lượng sử dụng

trong từ học được xác định bằng tổng mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ Đôi khi, từ độ còn được định nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng Từ độ là một đại lượng véctơ

Về mặt toán học, nó được cho bởi công thức:

0

lim

V

M I

với M là mômen từ nguyên tử, ∆V là thể tích

Từ độ có cùng thứ nguyên với cường độ từ trường, được liên hệ với từ trường qua hệ số từ hóa χ của vật liệu:

Lực kháng từ thực tế là một đại lượng ngoại của mỗi vật từ và vật liệu từ Thực tế, lực kháng từ chỉ tồn tại ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ, feri từ, ) Thông thường, lực kháng từ thường được xác định từ đường cong từ trễ của vật liệu từ Nhờ khái niệm lực kháng từ, người ta phân loại được 2 loại vật liệu sắt từ là vật liệu sắt từ cứng (có lực kháng từ lớn) và vật liệu sắt từ mềm (có lực kháng từ nhỏ) Do

sự liên quan giữa từ trường (H), cảm ứng từ (B), và từ độ I bởi công thức:

từ thường để chỉ khái niệm này

• Lực kháng từ liên quan đến cảm ứng từ (B H c )

Là giá trị của lực kháng từ cho phép triệt tiêu cảm ứng từ của vật liệu từ Giá trị này mang tính chất kỹ thuật, phụ thuộc vào hình dạng vật từ (do được bổ sung yếu tố dị hướng hình dạng của vật từ khi đo), và thường được ký hiệu là B H c

Đối với các vật liệu có lực kháng từ nhỏ, sự sai khác giữa hai đại lượng này rất nhỏ, và đôi khi thường bị nhầm lẫn với nhau Sự sai khác này chỉ trở nên đáng

kể đối với các vật liệu từ cứng

1.2.8 Đường cong từ hóa

Đường cong từ hóa (hay đầy đủ là đường cong từ hóa ban đầu) là đồ thị mô

tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất từ (thông qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ ) theo giá trị của từ trường ngoài (hình 1.2) Ở phạm vi cấu trúc vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc đômen) thông qua các cơ

chế khác nhau

Hình 1.2 Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch từ

1.2.9 Đường cong từ trễ

Từ trễ (Magnetic hysteresis) là

hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá

trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt

từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật

liệu sắt từ Hiện tượng từ trễ là một đặc

trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các

chất sắt từ

Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua

đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường,

M(H) hay Cảm ứng từ - Từ trường, B(H)),

được mô tả như sau: sau khi từ hóa một

vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu

ta giảm dần từ trường và quay lại theo

chiều ngược, thì nó không quay trở về

Hình 1.3 Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ, vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm, và các thông số của vật liệu được xác định trên

đường cong từ trễ.

đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác Vànếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ (hình 1.3) Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của của các chất sắt từ

1.2.10 Nhiệt độ Curie

Nhiệt độ Curie (Tc) là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T >

TC, chất trở thành thuận từ và khi T < TC, chất là sắt từ Nhiệt độ TC được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ TC là một thông số đặc trưng cho chất (thông số nội tại) Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie như: Fe là 1.043K; Co là 1.388 K;

Gd là 292,5 K; Ni là 627 K

1.3 Các vật liệu từ ứng dụng [1]

Về mặt ứng dụng, trong công nghiệp và đời sống hàng ngày, người ta chia vật liệu từ thành ba loại chính Đó là, vật liệu từ cứng, vật liệu từ mền và vật liệu ghi từ Các loại vật liệu này được sản xuất vơi quy mô lớn

1.3.1 Vật liệu từ cứng

Vật liệu này dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Vật liệu có các đặc tính sau:

- Cảm ứng từ bão hòa cao (0,3 ÷ 1,6T)

- Lực kháng từ Hc lớn (HC > 300kA/m)

- Dị hướng tinh thể cao,

- Nhiệt độ Curie cao

- Năng lượng từ do nam châm tạo ra trong không gian đặc trưng bằng tích năng lượng (BH)max là lớn,

- Vật liệu bền vững trong môi trường (không bị oxy hóa )

1.3.2 Vật liệu từ mềm

Các đặc trưng của vật liệu từ mềm là :

- Từ độ bão hòa MS cao,

- Lực kháng từ Hc nhỏ (< 1kA/m)

- Độ từ thẩm cao

- Dị hướng thấp (vật liệu dễ từ hóa hơn )

- Nhiệt độ Curie cao

- Độ tổn hao năng lượng ở từ trường xoay chiều là thấp (khi điện trở vật liệu là cao)

1.3.3 Vật liệu ghi từ

Các tính chất từ của vật liệu này nằm trong khoảng trung gian giữa vật liệu

từ mềm và vật liệu từ cứng (1kA/m < Hc < 300kA/m) Điều này đảm bảo cho việc lưu giữ các tín hiệu được ghi (Hc lớn để lưu giữ thông tin), đồng thời phải là vật liệu có thể dễ dàng ghi được các tín hiệu cần ghi (HC nhỏ, là vật liệu dùng làm đầu ghi từ)

1.3.4 Các loại vật liệu từ ứng dụng khác

- Vật liệu từ dùng trong lĩnh vực siêu cao tần

- Vật liệu dùng trong lĩnh vưc quang từ

- Vật liệu spin từ dùng trong công nghệ ghi từ mật độ cao

- Vật liệu có cấu trúc nanomet, ứng dụng trong lĩnh vực y - sinh để điều trị bệnh

1.4 Các phương pháp cảm ứng (induction methods) [2]

Các phương pháp cảm ứng đều dựa trên định luật Faraday Nguyên nhân sinh ra suất điện động cảm ứng trong các cuộn dây cảm ứng là do sự dịch chuyển tương đối của mẫu so với các cuộn dây này hoặc ngược lại (sự dịch chuyển này gây

ra sự biến thiên từ thông qua các cuộn dây), và suất điện động cảm ứng này bằng tốc độ biến thiên từ thông qua các cuộn:

dt

d N

Nếu A là tiết diện cuộn dây và N là số vòng dây thì ta có:

dt

dB A N

V =−µ.µ0 (1.15)

1.4.1 Phương pháp cuộn đo tĩnh

Một cuộn dây đo tĩnh còn được

gọi là một ăngten vòng, thường được

dùng để đo từ trường biến thiên tuần

hoàn Cấu hình của một cuộn dây được

trình bày trong hình 1.4 Suất điện động

cảm ứng (e.m.f) được tạo ra trong một

cuộn dây đo tĩnh bởi biến thiên từ

trường:

dt

dB A N

hay

dt

dH A N

V =−µ0

Giả sử từ trường B cần đo biến thiên tuần hoàn với chu kì

f

T = 1 Sau khi tích phân giữa hai điểm cực trị của B là t1 và t2:

).(

.)

2 1

B B A N B A N dt t V t

2 2)(

2

min max

2 1

B B A N f B A N f dt t V T V

t

t i

Thông thường Bmax = -Bmin và nếu cuộn dây là hình trụ với đường kính trung bình là dm thì:

B A N f

Nhận thấy rằng độ nhậy của cuộn đo tỉ lệ với diện tích của cuộn và với tần số từ trường Tuy nhiên nhược điểm của cuộn dây có đường kính lớn là độ cảm của chúng dễ bị thăng giáng, gây nên sự thay đổi của diện tích hiệu dụng Yêu cầu đặt ra là cuộn dây phải được chế tạo và lắp đặt chắc chắn về mặt cơ khí Ở tần số cao, hiện tượng điện dung kí sinh có thể ảnh hưởng tín hiệu thu được Để thu được giá trị cực đại của từ trường biến thiên không phải hàm sin, thế hiệu cảm ứng phải được đo bằng loại vôn kế có thể đo giá trị trung bình đã chỉnh lưu Nếu từ trường có dạng sóng bất kì thì suất điện động cảm ứng phải được tích phân bởi một tích phân tương tự (analog intergrator) hoặc số hóa qua ADC rồi tích phân số

Nếu B là hàm sin ta có giá trị cực đại của suất điện động cảm ứng:

2

2

2 max 2

44,

1.4.2 Phương pháp cuộn dây dịch chuyển

Phương pháp này xác định cảm ứng từ khi một cuộn dây dịch chuyển từ vùng có từ trường ra ngoài vùng không có từ trường Khi đó, độ biến thiên từ thông qua cuộn dây sẽ là: ∆B=B f −B i, với Bi là cảm ứng từ tại vị trí ban đầu

V =−

Tích phân phương trình này ta được:

Do vậy góc lệch của điện kế sẽ tỷ lệ với độ biến thiên của cảm ứng từ

B

Hiện nay phương pháp phổ biến là nối cuộn dây với một tích phân điện

tử Sự dịch chuyển của cuộn dây được điều khiển bằng máy tính, sau mỗi dịch chuyển, cuộn dây trở về vị trí “không” để kiểm tra độ trôi tích phân Một cuộn dây có cấu hình giống hệt cuộn dây đo có thể được gắn cố định ở vị trí cần đo, mắc xung đối với cuộn đo để khử những sai lệch do ảnh hưởng của thăng giáng nguồn Độ trôi tuyến tính gây bởi thế nhiệt điện không đổi có thể được hiệu chỉnh Độ trôi sẽ là tuyến tính trong giới hạn vài phút sau quá trình bù trừ thích hợp, vì vậy tích phân cần được chuẩn “không” và bù trừ trôi một cách đều đặn

1.4.3 Phương pháp cuộn dây quay

Để đo được cảm ứng từ B0 ta có thể sử dụng một loại thiết bị ứng dụng phương pháp cuộn dây quay với một tần số góc ω xác định Từ thông gửi qua cuộn dây là:

t B

A N

V =− φ =− ω 0.sinω (1.24)

Như vậy, độ lớn của suất điện động sinh ra do cuộn dây quay tỷ lệ với cảm ứng từ và ta có thể dùng độ lớn của suất điện động này để xác định cảm ứng từ B0 hay từ trường H0 Tín hiệu lấy ra là một thế hiệu xoay chiều Tín hiệu này sẽ được xử lý bằng khuếch đại lọc lựa Một cuộn dây đường kính 20

mm quay với tốc độ 20.000 vòng trên phút có thể có độ phân giải 10 pT Vòng đệm trục quay thường là không khí và tiếp xúc điện là thủy ngân

1.4.4 Phương pháp cuộn dây rung

Từ kế cuộn dây rung dường như chỉ còn ý nghĩa lịch sử vì từ lâu nó không còn được sử dụng rộng rãi nữa mà được thay thế bằng từ kế mẫu rung Phương pháp này dựa trên cùng một nguyên lý như các phương pháp cảm ứng khác, nhưng nó được dùng để đo mômen từ của mẫu Sơ đồ nguyên lý của hệ

đo được đưa ra trên hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo của hệ đo cuộn dây rung

Một mẫu vật liệu từ có từ độ M được đặt trong môi trường đồng nhất sẽ tạo ra trong không gian bên ngoài mẫu cảm ứng từ Bn tỷ lệ với mômen từ của mẫu:

với g là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào vị trí trường trong không gian

Cảm ứng từ tổng cộng tại một điểm bất kỳ trong không gian là:

với Be là cảm ứng từ do từ trường H gây ra

Khi một cuộn dây có trục trùng với phương từ trường ngoài dịch chuyển trong không gian có cảm ứng từ Bspace theo phương của trục, từ thông qua cuộn dây sẽ biến đổi do vị trí tương đối giữa cuộn dây và mẫu, kết quả là trong cuộn dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng V:

dt

d S N B

dt

d S N

Nếu từ trường ngoài H và mômen từ của mẫu M không đổi thì chỉ có g

là đại lượng biến đổi theo thời gian, ta có:

dt

dg S N

với N là số vòng của dây và S là tiết diện của cuộn dây

Nếu cuộn dây dao động điều hòa thì suất điện động là một hàm sin:

dt

de A h S N V

t j

Như vậy, suất điện động cảm ứng dao động điều hòa cùng tần số với tần

số rung của cuộn dây và biên độ của nó phụ thuộc vào cấu hình cuộn dây cảm

ứng, tần số, biên độ rung của cuộn dây và mômen từ của mẫu Dựa vào mối liên hệ này ta có thể xác định được mômen từ của mẫu M thông qua suất điện động cảm ứng kết hợp với một phép chuẩn Việc chuyển đổi tín hiệu suất điện động xoay chiều thành tín hiệu một chiều thường được thực hiện bằng một khuếch đại lọc lựa

Phương pháp này có nhiễu lớn vì ta khó đảm bảo việc từ trường ngoài hoàn toàn không gây biến thiên từ thông qua cuộn dây hoặc tại những vị trí

“không mẫu” vẫn có ảnh hưởng của mômen từ M Hiện nay phương pháp này chỉ được dùng trong trường hợp không thể dùng từ kế mẫu rung (VSM)

1.4.5 Từ kế fluxgate

Từ kế fluxgate là thiết bị đo từ trường có độ nhậy cao Nó ra đời từ những năm Đại chiến thế giới lần thứ hai như là các thiết bị phát hiện tầu ngầm gắn trên máy bay Ngày nay fluxgate có ứng dụng trong rất nhiều trong các ngành khoa học kĩ thuật như thiên văn, khí tượng thủy văn, hàng không, hàng hải, thăm dò địa chất

Nguyên lý làm việc của fluxgate dựa trên hiện tượng từ hóa bão hòa Sơ

đồ nguyên lý của một fluxgate được trình bày trong hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo của một sensor fluxgate Thế tín hiệu từ cuộn thứ cấp được xử lý qua khuếch đại lọc lựa, tương tự như đối với các trường hợp tín hiệu xoay chiều khác

Hai thanh làm bằng vật liệu sắt từ hoàn toàn giống nhau, được đặt song song cạnh nhau Vật liệu làm hai thanh có hệ số từ hóa rất lớn sao cho một từ trường rất nhỏ cỡ từ trường trái đất cũng đủ để từ hóa hai thanh gần đến trạng thái bão hòa Mỗi thanh được quấn quanh bởi một cuộn dây sơ cấp giống nhau nhưng theo chiều ngược nhau Một dòng xoay chiều chạy qua cuộn thứ cấp sẽ tạo nên một từ trường biến đổi ở mỗi cuộn dây Từ trường này tạo nên cảm ứng từ trong hai thanh lõi với độ lớn như nhau nhưng theo chiều ngược nhau tại bất cứ thời điểm nào của chu kì Chú ý rằng mật độ đường sức từ đi vào mỗi lõi sẽ giảm đột ngột khi các lõi chuyển từ trạng thái chưa bão hòa sang bão hòa (hệ số từ thẩm µ giảm từ giá trị hàng nghìn xuống giá trị 1) Cũng vì

lẽ đó mà thiết bị có tên là fluxgate

Nếu các lõi được đặt trong từ trường ngoài, một thành phần của từ trường ngoài sẽ song song với trục của thanh lõi và làm tăng cường cảm ứng

từ trong một lõi, đồng thời làm giảm cảm ứng từ trong lõi kia Ở một lõi, khi dòng kích thích tăng, hiện tượng bão hòa từ sẽ xẩy ra sớm hơn và khi dòng kích thích giảm cũng thoát khỏi trạng thái bão hòa chậm hơn so với lõi kia Sự khác nhau này tạo ra một thế hiệu trong một cuộn dây thứ cấp, thế hiệu này hoàn toàn có thể đo được và nó tỉ lệ với từ trường ngoài song song với lõi Cuộn dây thứ cấp quấn quanh các lõi và cuộn sơ cấp Biến thiên của cảm ứng từ trong các lõi gây bởi cuộn sơ cấp tạo ra một thế trong cuộn thứ cấp Khi không có từ trường, thế tín hiệu sẽ bằng không vì cảm ứng từ trong hai cuộn bằng nhau nhưng ngược nhau Trên thực tế, ngoài các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, fluxgate có thêm một cuộn dây có dòng một chiều chạy qua để hiệu chỉnh tín hiệu thực sự bằng không khi không có từ trường Hình 1.7 mô tả

sự từ hóa các lõi theo thời gian và tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp trong hai trường hợp không có từ trường và có từ trường

Như vậy về mặt nguyên tắc, một fluxgate có cấu tạo như trên có thể đo được bất kì thành phần nào của từ trường trái đất bằng cách đơn giản là định hướng trục của lõi song song với phương cần đo Tuy nhiên, trên thực tế người

ta có thể thiết kế chế tạo các fluxgate có thể đo được hai thành phần từ trường trên một mặt phẳng (fluxgate hai chiều) hoặc thậm chí ba thành phần của từ trường trong không gian (fluxgate ba chiều)

Hình 1.7 Sự từ hóa các lõi theo thời gian và tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp khi không có

tác dụng lên cuộn thứ cấp Để giải quyết vấn đề này, thay vì hai thanh lõi người ta dùng một xuyến nhẫn Ta dễ dàng nhận thấy rằng mạch từ kín của nhẫn đã loại trừ các yếu tố trên Hình 1.8(a) là một từ kế fluxgate lõi xuyến điển hình Để đo từ trường trái đất, hãng Autonnic đã chế tạo các fluxgate có lõi nổi trên mặt chất lỏng, Hình 1.8(b) Bằng cách này lõi luôn luôn nằm ngang và như vậy là fluxgate đã tự định hướng

Fluxgate có khả năng đo từ trường cỡ 0,5 đến 1,0 nT Do có cấu tạo khá đơn giản nên fluxgate có giá không cao, khoảng vài nghìn đôla

ω là tần số góc của từ trường xoay chiều, ϕ là góc pha của từ độ đối với từ trường xoay chiều, nghĩa là sự biến thiên của Mac chậm pha hơn Hac một góc là ϕ Hệ số từ hoá xoay chiều sẽ là:

= là thành phần vuông pha (phần ảo) hay gọi là độ hấp thụ

Liên hệ giữa từ trường xoay chiều, từ độ và các thành phần của hệ số từ hoá động được đưa ra trong hình 1.9

Dễ dàng nhận thấy:

χχ

0

2

2'

'2

µ

πχ a q

B

Do Wq luôn âm nên phép đo đúng phải cho giá trị χ’’ luôn dương

Giá trị trung bình theo thời gian của năng lượng từ chứa trong không gian chiếm bởi mẫu là:

phương pháp này xác định mômen từ của mẫu dựa vào suất điện động gây ra

do dịch chuyển tương đối giữa mẫu và cuộn dây cảm ứng, nhưng khác nhau ở chỗ cuộn dây đứng yên còn mẫu thì rung Dễ dàng nhận thấy rằng trong phương pháp này, việc loại trừ sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây gây ra bởi từ trường ngoài dễ dàng hơn nhiều so với phương pháp cuộn dây rung Do mẫu đo được đặt trong một từ trường ngoài nên mẫu có thể là bất kỳ loại vật liệu từ nào như sắt từ, phản sắt từ, thuận từ, nghịch từ Nó cũng là phép đo lý tưởng để khảo sát từ tính của vật liệu siêu dẫn

Tương tự như từ kế cuộn dây rung, nếu mẫu dao động điều hòa thì suất điện động ở cuộn dây là một hàm sin:

V =−N.S.h.A.ω.e jωt.M =k.A.ω.e jωt.M (1.39)

với h là hệ số tỷ lệ và A là biên độ rung của mẫu, còn k = −N.S.h

Công thức trên cũng cho thấy suất điện động cảm ứng dao động điều hòa cùng tần số với tần số rung của mẫu và biên độ của nó phụ thuộc vào cấu hình cuộn dây cảm ứng, tần số, biên độ rung và mômen từ của mẫu

1.4.7.2 Cấu tạo một VSM

Sơ đồ khối của một VSM điển hình được trình bày trong Hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của từ kế VSM

(1): Máy phát dao động hình sin ở dải tần số từ 10 Hz đến 100 Hz, biên

độ cỡ vài mV Máy phát này là nguồn nuôi bộ phân tạo rung đồng thời cung cấp tín hiệu so sánh cho khuếch đại lọc lựa

(2): Máy tăng âm có tác dụng tăng công suất của máy phát

(3): Bộ phận tạo rung là hai loa mắc đối nhau, cần mẫu được gắn vào màng loa

(4): Hệ cuộn cảm đặt trong lồng Faraday

(5): Khuếch đại lọc lựa

(6): Máy tính có bộ chuyển đổi ADC

(7): Nam châm điện

(8): Đầu đo Hall

(9): Bộ thu nhận xử lý số liệu Kerthley

Dưới đây là một số vấn đề chi tiết hơn về hai bộ phận cơ bản nhất của một VSM: hệ cuộn Helmholtz và bộ khuếch đại lọc lựa

1.4.7.3 Hệ cuộn cảm ứng

Hệ cuộn cảm ứng bao gồm bốn cuộn dây giống nhau được mắc thành cặp xung đối theo sơ đồ của Hình 1.11 (a) Theo Mallison, cấu hình tối ưu (mối quan hệ kích thước và vị trí không gian của các cuộn) được thể hiện trên Hình 1.11 (b) Đường kính cuộn dây khoảng 20-25 mm, số vòng dây khoảng

700 vòng, độ dầy cỡ 4mm Các cuộn dây được bọc trong một màn chắn tĩnh điện Các cuộn dây được gắn trên hai má cách điện và hai má này được gắn lên cực nam châm điện Để loại trừ tối đa nhiễu thì các cuộn dây phải thật giống nhau

Theo thiết kế nguyên bản của Mallison thì hai cuộn dây cùng phía được gắn sao cho chu vi của chúng tiếp giáp nhau Cấu hình này một mặt cho tín hiệu tối đa nhưng mặt khác lại làm cho tín hiệu đo rất nhậy với sai khác về vị trí theo phương thẳng đứng của mẫu Việc đặt hai cuộn dây cách nhau khoảng 0,5 d (d là độ dầy lớp dây, bằng bán kính ngoài trừ bán kính trong) khắc phục

tình trạng này mà chỉ làm tín hiệu giảm đi chút ít Biên độ dao động của mẫu cũng không nên vượt quá d Mặc dù tín hiệu cảm ứng liên quan đến kích thước cuộn dây, ta vẫn cần chú ý đảm bảo các cuộn dây được đặt trong vùng đồng nhất của từ trường Đường kính cuộn dây không nên vượt quá 80% bán kính cực nam châm

Hình 1.11 (a) Hệ cuộn cảm ứng bao gồm bốn cuộn dây giống nhau được mắc thành cặp xung đối

(b) Mặt cắt của hệ các cuộn dây cho thấy kích thước và cấu hình tối ưu.

Tương tự với cấu hình Mallison như mô tả ở trên còn có cấu hình với 8 cuộn dây, mỗi má gắn 4 cuộn tại bốn đỉnh của một hình chữ nhật Cấu hình này có tác dụng khử nhiễu do dao động lắc ngang của mẫu Ngoài ra có các cấu hình mà ở đó hai cuộn dây đặt cạnh nhau, trục song song với nhau và vuông góc với từ trường

Trong trường hợp từ trường ở trong lòng một cuộn solenoid, cấu hình với hai cuộn dây đồng trục sẽ thích hợp hơn

1.4.7.4 Khuếch đại lọc lựa (lock-in amplifier)

Kĩ thuật khuếch đại lọc lựa được sử dụng để phát hiện và đo các tín hiệu xoay chiều rất nhỏ Một khuếch đại lọc lựa có thể đo chính xác các tín hiệu nhỏ thậm chí khi tín hiệu bị đè lấp bởi nhiễu lớn hơn hàng trăm lần Đó là một thiết bị điện tử có hai chức năng: lọc lựa và khuếch đại tín hiệu Với chức năng lọc lựa, nó chỉ “mở cổng” tiếp nhận tín hiệu đầu vào theo một tần số nhất định với thời gian mở cổng rất ngắn so với chu kì Việc “đóng mở” cổng để

chọn tín hiệu cần đo được thực hiện bởi một tín hiệu so sánh (có thể theo chế

độ sóng sin hoặc sóng vuông) có tần số bằng tần số của tín hiệu Pha của tín hiệu so sánh có thể được hiệu chỉnh để hoàn toàn trùng pha với tín hiệu bằng cách điều chỉnh cho đến khi thế lối ra là lớn nhất Một thủ thuật tốt hơn để làm việc này là chọn pha của tín hiệu so sánh sao cho thế lối ra bằng không, sau đó dịch đi 90o Trong các khuếch đại lọc lựa hiện đại, động tác này có thể được thực hiện tự động Chức năng khuếch đại được thực hiện qua hai bước: trước hết là khuếch đại tín hiệu đầu vào, bước hai là khuếch đại thế lối ra một chiều Thế lối ra của khuếch đại lọc lựa là thế một chiều Một khuếch đại lọc lựa có thể có hằng số thời gian lên đến 1 giây nên có thể làm việc với tần số thấp đến 0,25 Hz

Một khuếch đại lọc lựa được chế tạo riêng cho VSM có thể có cấu tạo đơn giản hơn nhiều vì tần số dao động của mẫu thường là 38 Hz hoặc 76 Hz

Sơ đồ khối của một khuếch đại lọc lựa điển hình được trình bày trong hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ khối của một khuếch đại lọc lựa (lock-in amplifier)

1.4.7.5 Nhiễu nền và tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Độ nhậy của VSM phụ thuộc chủ yếu hai yếu tố:

1) Tín hiệu nền (background signals)

2) Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise)

Sự khác nhau của hai yếu tố trên là ở chỗ tín hiệu nền là những nhiễu loạn không ngẫu nhiên theo thời gian (có thể là không đổi, có thể là một hàm của một thông số nào đó như từ trường, phương tác dụng của từ trường, biên

độ dao động của mẫu v v) trong khi thông số thứ hai là ngẫu nhiên

a) Tín hiệu nền: Nguồn gốc chủ yếu của loại nhiễu này là:

• Tín hiệu do buồng mẫu Cách loại trừ là thực hiện phép đo có mẫu và không mẫu rồi thực hiện phép trừ nền

• Sự rung động của các cuộn dây gây bởi bộ tạo rung Giải pháp chủ yếu cho vấn đề này là chống rung tốt cho cuộn dây, nói cách khác là chống rung cho hai cực nam châm

• Tín hiệu từ các nguồn năng lượng và máy móc khác (bao gồm cả tác động điện và rung động cơ khí) Giải pháp hạn chế ảnh hưởng này là giữ khoảng cách xa giữa VSM và nguồn nhiễu hoặc tránh tần số của chúng

b) Nhiễu ngẫu nhiên trong hệ VSM

Nhiễu ngẫu nhiên có thể được hạn chế bằng các thiết bị lọc điện tử hoặc tăng thời gian mỗi phép đo và lấy trung bình hóa Nguồn gốc chính của nhiễu là:

• Nhiễu điện tử: Loại nhiễu này bao gồm nhiễu Johnson, nhiễu Shot và nhiễu 1/f, trong đó nhiễu Johson là đáng kể nhất Nhiễu Johnson được xác định bởi công thức:

trong đó k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, R là điện trở của cuộn dây tính theo Ohm và ∆f là độ rộng dải (bandwidth) của phép đo tính theo Hz

• Nhiễu điện: Nguyên nhân của loại nhiễu này là cảm ứng trong các vòng dây do nguồn công suất, máy tính Để giảm thiểu vấn đề này, các dây tín hiệu cần được xoắn tết, bọc chống nhiễu

Hình 1.13 là hình ảnh của một VSM thế hệ mới [4] (New 7400 Series) của hãng Lake Shore được sử dụng để mô tả tính chất từ DC của vật liệu Nam châm điện tạo ra từ trường lên đến 3,1 T Dải nhiệt độ rộng từ - 4.2 K đến 1273 K (-

269 ° C đến 1000 ° C) Có thể đo được rất nhiều các loại mẫu từ tính với rất nhiều tùy chỉnh, bao gồm cả nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao, điều chỉnh khoảng cách mặt cực nam châm, điều chỉnh cuộn Helmholtz … Lake Shore kết hợp độ nhạy cao, điện tử chính xác, phần mềm linh hoạt Giá các thiết bị này từ vài trăm nghìn đến hơn một triệu đô la

Hình 1.13 Hình ảnh một VSM hiện đại

1.4.8 Từ kế mẫu dịch chuyển (từ kế tích phân)

Về nguyên tắc từ kế mẫu dịch chuyển cũng giống như từ kế cuộn dây dịch chuyển, nhưng trong trường hợp này mẫu dịch chuyển từ tâm cuộn dây ra ngoài, hoặc từ tâm cuộn dây một sang tâm cuộn dây hai, tín hiệu thu được sau khi qua bộ tích phân là thế một chiều tỷ lệ với tích phân:

∫

Hệ cuộn cảm ứng gồm hai cặp cuộn dây a và b được mắc xung đối như được mô tả trong hình 1.14 Cách mắc xung đối với bốn cuộn dây vừa tăng độ nhậy vừa khử ảnh hưởng gây bởi thăng giáng của từ trường nam châm

Hình 1.14 Hệ cuộn cảm ứng

Toàn bộ hệ cuộn cảm ứng được đặt trong vùng từ trường đồng nhất được tạo bởi một nam châm điện Chiều của từ trường song song với chiều của trục z Mẫu có từ tính với mômen từ M sẽ chuyển động theo chiều trục x

từ tâm một cặp cuộn đến tâm của cặp cuộn còn lại Khi đó trong cuộn dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng, tích phân tín hiệu này bởi một tích phân điện tử ta có thể lấy được tín hiệu cuối cùng tỷ lệ với mômen từ của mẫu

Sơ đồ khối của hệ đo được trình bày trong hình 1.15 Bộ phận đo mômen từ và

từ trường: (1a) là hệ cuộn dây cảm ứng có đường kính 5 cm chứa 700 vòng dây mỗi cuộn, (1b) là đầu đo Hall để đo từ trường giữa hai cực nam châm điện, (1c) vôn kế có độ phân giải cao và (1d) máy tính có bộ chuyển đổi tương

Hệ chân không: (4a) hệ thống các van, (4b) bơm chân không (gồm các bơm cơ học và bơm khuếch tán)

Bộ phận cơ học (không vẽ): bộ phận này cho phép dịch chuyển mẫu lên xuống giữa hai cặp cuộn Helmholtz và quay tròn theo mặt nằm ngang Sự dịch chuyển theo phương thẳng đứng được thực hiện bởi một xilanh khí lực dùng khí nén (5a) Buồng thạch anh, buồng này phải được hút chân không, nạp khí trơ hoặc nitơ lỏng Khoảng không gian giữa (5a) và lớp vỏ ống đồng (nơi có cuộn dây điện trở) cũng được hút chân không hoặc nạp khí trơ

Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo của từ kế tích phân

Bộ phận nước làm lạnh: bao gồm làm lạnh buồng đo khi đo ở nhiệt độ cao hoặc/và làm lạnh nam châm khi đo ở từ trường cao trong thời gian dài Tín hiệu suất điện động cảm ứng thu được từ các cuộn cảm ứng được tích phân bằng một tích phân kế điện tử hoặc chuyển sang tín hiệu số rồi tích phân bằng máy tính Các tín hiệu đo từ trường của nam châm điện từ đầu đo Hall và tín hiệu đo nhiệt độ từ cặp nhiệt điện cũng được số hóa và đưa vào máy tính

Khi đo vùng nhiệt độ thấp, nitơ lỏng được nạp vào buồng (5a) Khi đo nhiệt độ cao, buồng (5a) được hút chân không và nung nóng Nhiệt độ tối đa

có thể lên đến 1000 K Việc chuẩn hóa tín hiệu đo được thực hiện bằng cách

so sánh với tín hiệu đo được trên mẫu Ni sạch 99,999% có từ độ đã biết là 55,4 emu/gam tại nhiệt độ phòng (300 K) Độ phân giải của hệ đo này đạt 10-2emu

Đây là hệ đo sẽ được nghiên cứu, xây dựng trong luận văn này

Chương 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO

Trong các nghiên cứu cơ bản về vật liệu từ, sau khi tổng hợp, chế tạo được một mẫu vật liệu từ, phải tiến hành đo đạc xác định các thông số và đưa ra những đánh giá về tính chất của chúng Công việc này đòi hỏi phải có các thiết bị đo, thậm chí là các thiết bị đo hiện đại Tuy nhiên, như đã phân tích ở trên, thấy rằng đối với những thiết bị đo các thông số từ hiện đại giá thành rất cao Trên thực tế ở nước ta, những thiết bị đo như VSM có rất ít và hầu như là cũ Hơn nữa, đối với những thiết

bị này, đòi hỏi người sử dụng phải có sự hiểu biết nhất định về chúng thì mới có khả năng bảo trì, bảo dưỡng hay thậm trí là sửa chữa được

Từ thực trạng đó, kết hợp với những thiết bị sẵn có tại Viện ITIMS và khả năng ứng dụng của chúng nên đã tiến hành khảo sát và thiết kế hệ đo từ theo phương pháp cảm ứng – hệ đo từ mẫu dịch chuyển (từ kế tích phân)

2.1 Sơ đồ cấu tạo của từ kế mẫu dịch chuyển

Dựa trên sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ mẫu dịch chuyển, các thiết bị, linh kiện có sẵn tại Viện ITIMS, chúng tôi xây dựng được sơ đồ cấu tạo hệ đo từ mẫu dịch chuyển như hình 2.1 Các yêu cầu đặt ra đối với hệ đo là:

Về nam châm điện: phải đảm bảo các yêu cầu như: tạo ra từ trường đủ lớn để

có thể từ hóa (bão hòa) được mẫu vật liệu từ, vùng từ trường đồng nhất cực từ phải

đủ rộng để có thể đặt được các cuộn cảm ứng

Nguồn nuôi cho nam châm: là nguồn một chiều, cung cấp đủ dòng cho cuộn

dây nam châm điện Bộ nguồn phải phải điều chỉnh được điện áp với dải điều chỉnh càng tinh càng tốt để có thể tạo từ trường chính xác theo yêu cầu khi đo, có thể đảo chiều được dòng điện

Cuộn cảm ứng: gồm một cặp cuộn hoặc hai cặp cuộn được đặt trong vùng từ

trường động nhất của cực từ nam châm điện Độ lớn tín hiệu điện áp từ cuộn dây cảm ứng chủ yếu phụ thuộc vào số vòng dây và đường kính cuộn dây nên có thể quấn 700 đến 1000 vòng dây mỗi cuộn [2], đường kính dây khoảng 0,1 mm Các

cuộn dây phải quấn bằng nhau về kích thước, số vòng, đường kính dây, đảm bảo độ điền đầy khi quấn… Để đảm bảo độ chính xác và khảo sát độ nhạy cần thiết, độ ổn định, thực hiện quấn cho hai trường hợp một cặp cuộn và hai cặp cuộn, trong mỗi trường hợp lại quấn với số vòng khác nhau, sau đó đem khảo sát

Bộ phận tạo nhiệt độ: để tiến hành đo các thông số của mẫu ở những nhiệt

khác nhau (nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp) phải thiết kế bộ tạo nhiệt độ Bộ tạo nhiệt độ gồm cuộn đốt, nguồn cung cấp cho cuộn đốt và mạch điều khiển nhiệt độ Khi đo ở nhiệt cao hay nhiệt độ thấp lại phải đảm bảo mẫu không bị cháy khi đo nên môi

trường quanh mẫu phải là chân không, vì vậy phải sử dụng bơm chân không Mặt khác, để cuộn cảm ứng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ (ảnh hưởng đến kết quả đo), toàn bộ phần tạo nhiệt độ phải được làm mát bằng nước Cuộn đốt cũng phải được thiết kế chế tạo sao cho không ảnh hưởng đến tín hiệu cuộn dây cảm ứng Bộ phận hiển thị và điều khiển nhiệt độ có nhiệm vụ hiển thị, điều khiển, ổn định nhiệt

độ theo yêu cầu

Đo điện áp ở cuộn dây cảm ứng và xử lý tín hiệu đo: các mẫu vật liệu từ cần

đo có trọng lượng và kích thước rất nhỏ (cỡ 30÷ 300mg) nên tín hiệu thu được từ cuộn cảm ứng do các mẫu này gây ra rất nhỏ, vì vậy phải sử dụng một mini voltmeter càng nhạy càng tốt và có độ chính xác cao (cỡ 1 đến 10 µV (phải kết hợp với việc quấn cuộn cảm ứng như thế nào – số vòng cho phù hợp)

Mini voltmeter được kết nối máy tính để lưu dữ liệu, sau đó sử dụng phần mềm để tính tích phân lấy kết quả cuối cùng

Đo từ trường cực từ: sử dụng một DC gaussmeter có thang đo 20 gauss đến 20.000 gauss

2.2 Khảo sát các thiết bị

2.2.1 Nam châm điện

Toàn bộ nam châm điện được đặt

trên một giá đỡ có thể quay quanh trục

thẳng đứng và có kích thước toàn khối

thể hạn chế chiều cao mà vẫn đảm bảo

thao tác tháo lắp các bộ phận trong vùng

không gian giữa hai cực từ, đảm bảo Hình 2.2 Hình ảnh nam châm điện được đặt

trên giá đỡ

cường độ từ trường ổn định

Cuộn dây: quấn trên hai cực từ nam châm điện gồm hai cuộn dây và đưara

ngoài bốn đầu dây để có thể thực hiện đấu nối tiếp hoặc song song

Qua khảo sát, điện trở mỗi cuộn dây là 1,8Ω và dòng điện cho phép của cuộn dây là 30A Hiện tại, hai cuộn dây được mắc nối tiếp, khi đó điện trở của cả cuộn là 3,6Ω

Cực từ: gồm hai mặt cực có kích thước như hình 2.4, mặt cực hình tròn có

đường kính 250mm và khoảng cách không gian hai mặt cực là 60mm

Hình 2.3 Cấu tạo nam châm điện

60

Hình 2.4 Kích thước cực từ và không gian giữa hai cực từ

Hình 2.5 Đường nước làm mát cho nam châm điện