Khác với la bàn cơ hoạt động bằng cách sử dụng từ tính của nam châm, la bàn số trên điện thoại lại sử dụng công nghệ hiện đại để làm công việc tương tự.
La bàn số là một la bàn điện tử có khả năng loại bỏ độ nghiêng bằng cách lấy thông tin từ 2 cảm biến là Từ kế và Accelerometer.
4.1 Giới thiệu về Từ tường
Từ trường là đại lượng vectơ được đặc trưng bởi cả cường độ và hướng.
Cường độ của từ trường được đo bằng đơn vị tesla trong hệ SI, và tính bằng gauss trong hệ đơn vị cgs. 10.000 gauss tương đương với một tesla. Các phép đo từ trường Trái đất thường được tính bằng đơn vị nanotesla (nT), Từ trường của Trái đất có thể thay đổi từ 20.000 đến 80.000 nT tùy thuộc vào vị trí, dao động trong từ trường của Trái đất theo bậc 100 nT và các biến thể từ trường do dị thường từ có thể nằm trong khoảng picotesla (pT). Gaussmeters và teslameters là từ kế đo bằng đơn vị gauss hoặc tesla tương ứng
4.2 Phân loại từ kế
Phân loại theo công dụng:
Từ kế trong phòng thí nghiệm có độ nhạy, độ chính xác cao, đo
được trường lớn hay cực nhỏ và tất nhiên có thể rất cồng kềnh.
Chúng phục vụ đo mẫu vật hay khảo sát các quá trình vật lý, hóa học, sinh học,... trong quan hệ với từ trường.
Từ kế di động có kích thước, độ nhạy, dải đo thích hợp để đo từ trường Trái Đất hay trong vũ trụ.
Phân loại theo đo thành phần trường:
Từ kế vô hướng đo giá trị trường toàn phần T.
Từ kế vector đo giá trị thành phần trường dọc theo phương nào đó, chẳng hạn phương thẳng đứng Z, phương nằm ngang H, hay nằm ngang theo kinh vĩ tuyến X, Y.
Phân loại theo cách thức đo trường:
Từ kế đo tuyệt đối (Absolute) cho ra giá trị thật.
Từ kế đo tương đối (Relative) cho ra số đọc biểu kiến và phải tính toán theo các tham số kiểm chuẩn để thu được giá trị trường.
Ứng dụng:
- Xác định phương hướng đông, tây, bắc, nam.
- Hỗ trợ trong việc chỉ đường ,xác định hướng quay của điện thoại.
4.3 Từ kế sử dụng hiệu ứng Hall Nguyên lý hoạt động
Cảm biến hiệu ứng Hall về cơ bản bao gồm một mảnh vật liệu bán dẫn loại p hình chữ nhật mỏng như gali arsenide (GaAs), indium antimonide (InSb) hoặc indium arsenide (InAs) truyền dòng điện liên tục qua chính nó. Khi thiết bị được đặt trong từ trường, các đường sức từ tác dụng một lực lên vật liệu bán dẫn làm lệch các hạt tải điện, các điện tử và lỗ trống về hai phía của tấm bán dẫn. Sự chuyển động này của các hạt mang điện là kết quả của lực từ mà chúng trải qua khi truyền qua vật liệu bán dẫn.
Hiệu ứng Hall : Ban đầu ta có 1 thanh kim loại và sau đó ta cấp nguồn điện vào 2 đầu của tấm kim loại khi đó sẽ xuất hiện dòng điện đó là dòng dịch chuyển của các electron chạy từ đầu này sang đầu kia của tấm kim loại.
Hình 4.1: Dòng điện qua tấm bán dẫn
Sau đó ta đặt một nam châm điện vuông góc với tấm kim loại có cực S gần với tấm kim loại khi đó sẽ làm lệnh các electron khỏi vị trí ban đầu vì cùng dấu thì đẩy nhau khác dấu là hút nhau. Nếu ta coi vị trí ban đầu khi các electron chưa bị dịch chuyển là mức 0, khi đó các electron bị từ trường của nam châm dịch chuyên khỏi vị trí mốc sẽ là âm còn phía trên mức 0 sẽ xuất hiện các điện tích dương và nếu ta đo đồng hồ vào 2 điểm này sẽ xuất hiện 1 điện áp.
Hình 4.2: Mô hình cảm ứng từ sử dụng hiệu ứng hall
Như vậy ta có thể phát biểu hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi ta áp dụng một từ trường vuông góc lên một 1 bảng làm bằng kim loại hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chảy qua lúc đó ta nhận được một hiệu điện thế U (hiệu điện thế Hall) sinh ra tại 2 mặt đối diện của thanh Hall.
F= f(B,q,v)
F change => V change
Hiệu điện thế cảm biến hall rất nhỏ (vài uV) và vì vậy các thiết bị thường được sản xuất tích hợp với bộ khuếch đại.
4.3.1 Cảm biến Hall đầu ra tương tự
Cảm biến Hiệu ứng Hall có sẵn với đầu ra tương tự. Tín hiệu đầu ra choHình 4.3: Cấu tạo của cảm biến Hall đầu ra tương tự
cảm biến tương tự được lấy trực tiếp từ đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động với điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với từ trường đi qua cảm biến Hall. Điện áp Hall đầu ra này được tính là:
VH là Điện áp Hall tính bằng vôn RH là hệ số hall
I là dòng điện chạy qua cảm biến tính bằng ampe t là độ dày của cảm biến tính bằng mm
B là mật độ Từ thông
Cảm biến hall có đầu ra analog bao gồm bộ điều chỉnh điện áp (Regulator), thành phần hall (Hall Element), bộ khuếch đại (High Gain Amplifer). Từ sơ mạch chúng ta thấy đầu ra cảm biến là analog và tỉ lệ với đầu ra thanh phần hall hoặc cường độ từ trường. Các loại cảm biến này phù hợp và được sử dụng để đo khoảng cách vì đầu ra tuyến tính liên tục của chúng.
4.3.2 Cảm biến Hall đầu ra số
Cảm biến có đầu ra digital chỉ cung cấp hai trạng thái đầu ra, hoặc là
“ON” hoặc “OFF”. Các loại cảm biến này có một phần tử bổ sung, như được minh họa trong sơ đồ mạch. Đó là Trigger Schmitt cung cấp độ trễ
Hình 4.4: Đồ thị của cảm biến Hall đầu ra tương tự
Hình 4.5: Cấu tạo của cảm biến Hall đầu ra số Hình 4.6: Cấu tạo của cảm biến Hall đầu ra số
hoặc hai ngưỡng khác nhau để đầu ra cao hoặc thấp. Khi từ thông đi qua cảm biến Hall vượt quá giá trị đặt trước, đầu ra từ thiết bị sẽ nhanh chóng chuyển từ trạng thái “TẮT” sang điều kiện “BẬT” mà không có bất kỳ loại tiếp điểm nào.
Một ví dụ về loại cảm biến này là công tắc hall. Chúng thường được sử dụng như công tắc giới hạn, ví dụ trong máy in 3D và Máy CNC, cũng như để phát hiện và định vị trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp.
4.3.3 Cảm biến Hall trong điện thoại di động
Ưu điểm:
-Thiết kế nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, giá thành rẻ, phù hợp với smartphone.
Nhược điểm:
-Độ nhạy thấp, kém ổn định với nhiệt.
Hiện nay độ chuẩn xác của các cảm biến la bàn trên thiết bị di động mới chỉ đạt ở mức xác định tốt về hướng. Nếu là xác định góc, sẽ có sai số về độ, thường trong khoảng 6 đến 8 độ. Nhiều chuyên gia cho rằng: cảm biến la bàn cực nhạy với từ trường và kim loại nên dễ bị hai yếu tố này tác động dẫn tới cảm nhận sai về từ trường thực tế.
4.3.4 Cảm biến gia tốc
Accelerometer là cảm biến có độ chính xác cao dùng để phát hiện nhúng dịch chuyển rất nhỏ và độ nghiêng, giúp đo tốc độ chạy bộ, xoay màn hình (cùng với Gyroscope), chơi game bằng cách nghiêng điện thoại.
Accelerometers là thiết bị cơ điện xác định các lực tĩnh (trọng lực ....) và các lực động (các rung động và chuyển động)
Accelerometers có thể đo gia tốc trên 3 trục x y z , Các cảm biến đo theo 3 trục càng ngày càng phổ biến khi chi phí cho chúng ngày càng giảm trong từng cảm biến chứa các tấm điện dung bên trong .Một trong số chúng được cố định ,trong khi số khác được gắn lò xo di chuyển bên trong ,khi có lực tác động lên cảm biến , tấm này di chuyển làm thay đổi giá trị điện
Hình 4.6: Đồ thị của cảm biến Hall đầu ra số
dung .Từ thay đổi điện dung có thể xác định được gia tốc.Các Accelerometers đặt xung quanh phần tử áp điện (piezoelectric materials) Khi có thay đổi nhỏ trong hệ thống điện áp đầu ra sẽ thay đổi dưới tác dụng
của các lực cơ học.