Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ.
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ
1 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
----------
NGUYỄN THỊ ANH HIỀN
NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ĐO TÍN
HIỆU TỪ TRƯỜNG NHỎ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ
2 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn Khoa Vật Lý, Trường Đại Học Sư Phạm – Đại
Học Đà Nẵng đã tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Mỹ Đức đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa đã tận tình giảng dạy,
trang bị cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Con xin nói lên lòng biết ơn sâu sắc đến Ông Bà, Cha Mẹ đã chăm sóc dạy
dỗ con nên người.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ và động
viên em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho
phép nhưng chắc chắn sẽ không thiếu những thiếu sót. Em kính mong nhận được sự
cảm thông và tận tình chỉ bảo của Thầy Cô và các bạn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Anh Hiền
Tháng 05/2012
MỤC LỤC
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ
3 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................1
MỤC LỤC ............................................................................................................................2
A. MỞ ĐẦU..........................................................................................................................5
1. Lí do chọn đề tài...........................................................................................................6
2. Mục đích của đề tài......................................................................................................6
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................................7
4. Nhiệm vụ nghiên cứu...................................................................................................7
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................7
6. Những đóng góp của đề tài..........................................................................................7
7. Cấu trúc và nội dung của đề tài..................................................................................7
B. NỘI DUNG ......................................................................................................................8
Chương 1: TÍN HIỆU NHỎ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TỈ SỐ S/N .......9
1.1 Tín hiệu nhỏ................................................................................................................9
1.1.1 Khái niệm tín hiệu nhỏ .......................................................................................9
1.1.2 Phân biệt các khái niệm tín hiệu – nhiễu – tạp nội ..........................................9
1.1.3 Đặc trưng của tín hiệu......................................................................................10
1.2 Nhiễu .........................................................................................................................10
1.2.1 Đặc trưng của nhiễu .........................................................................................10
1.2.2 Nhiễu trong phép đo thực nghiệm...................................................................11
1.3 Tạp nội ......................................................................................................................12
1.3.1 Đặc trưng của tạp nội .......................................................................................12
1.3.2 Sự phát sinh tạp nội khi chuyển đổi đo không điện sang điện......................12
1.3.3 Giới thiệu một số tạp nội trong các linh kiện cảm biến.................................15
1.3.4 Tạp âm trong bộ khuếch đại nhiều tầng.........................................................17
1.4 Tỉ số tín hiệu trên tạp S/N .......................................................................................18
1.4.1 Khái niệm tỉ số tín hiệu trên tạp......................................................................18
1.4.2 Hệ số tạp âm F...................................................................................................19
1.5 Một số phương pháp nâng cao tỉ số S/N ................................................................19
1.5.1 Trùng phùng tín hiệu, loại trừ nhiễu ..............................................................19
1.5.2 Phương pháp lọc tần số ....................................................................................21
1.5.3 Phương pháp Lock-in (chọn pha)....................................................................23
1.5.3.1 Sơ đồ khối của bộ khuếch đại Lock-in..................................................23
1.5.3.2 Khối tách sóng đồng bộ và tích phân.........................................................24
1.5.4 Phương pháp Boxcar ........................................................................................27
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ
4 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền
1.5.4.1 Khái niệm mạch Boxcar........................................................................27
1.5.4.2 Sơ đồ khối mạch Box-car...........................................................................29
Chương 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT.......................31
2.1 Giới thiệu ..................................................................................................................31
2.2 La bàn nam châm dạng hình thanh .......................................................................32
2.3 Dụng cụ cảm biến cổ điển........................................................................................36
2.4 Từ kế phiếm định.....................................................................................................37
2.5 Cực dò dòng trái đất................................................................................................38
2.6 Từ kế vòng cảm ứng ...............................................................................................41
2.7 Từ kế quay................................................................................................................42
2.8 Từ kế tiến động Proton............................................................................................43
2.9 Từ kế bơm quang học..............................................................................................46
2.10 Từ kế hiệu ứng Zeeman.........................................................................................49
2.11 Từ kế siêu dẫn sử dụng kỹ thuật nhiệt độ thấp...................................................51
2.12 Từ kế Gradient.......................................................................................................53
2.13 So sánh các từ kế....................................................................................................55
Chương 3: TỪ KẾ HALL VÀ SƠ ĐỒ KHỐI THIẾT BỊ PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG
NHỎ ....................................................................................................................................57
3.1 Đo từ trường bằng hiệu ứng Hall ...........................................................................57
3.1.1 Hiệu ứng Hall ....................................................................................................57
3.1.2 Công thức hiệu ứng Hall ..................................................................................57
3.1.3 Từ kế sử dụng hiệu ứng Hall ...........................................................................59
3.1.4 Ưu điểm của từ kế hiệu ứng Hall.....................................................................61
3.1.5 Một số nhược điểm của từ kế hiệu ứng Hall. .................................................62
3.2 Thiết bị phát hiện sự thay đổi nhỏ của từ trường.................................................62
3.2.1 Vật liệu sắt từ ....................................................................................................62
3.2.2 Nguyên tắc hoạt động của từ kế Fluxgate.......................................................63
3.2.3 Ưu điểm của từ kế Fluxgate .............................................................................68
3.2.4 Xây dựng sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ...........................69
3.2.3.1 Xây dựng khối phát xung.........................................................................70
3.2.3.2 Xây dựng khối chia tần .............................................................................70
3.2.3.3 Xây dựng khối tạo sóng sine và khối khuếch đại công suất...................71
3.2.3.4 Đầu dò từ trường nhỏ (Sensor).................................................................71
3.2.3.5 Xây dựng khối khuếch đại tín hiệu .........................................................72
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ
5 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền
3.2.3.6 Xây dựng khối xử lý...................................................................................73
3.2.3.7 Khối chỉ thị .................................................................................................73
C. KẾT LUẬN....................................................................................................................74
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................75
A. MỞ ĐẦU
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ
6 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền
1. Lí do chọn đề tài
Xung quanh chúng ta tồn tại một môi trường vật chất mà con người không
thể nhìn thấy hay cảm nhận được, môi trường vật chất đó chính là từ trường. Việc
nhận biết sự tồn tại và biến đổi của nó có ý nghĩa rất quan trọng. Các loài chim di
trú có thể bay một quãng đường rất xa từ cực Bắc đến cực Nam của địa cầu mà
không bị lạc hướng. Ngư dân trên biển có thể biết hướng để trở vào đất liền. Các
loài chim di trú không bị lạc bởi vì chúng có thể đánh dấu đường bay bằng cách
định hướng từ trường. Nhờ việc xác định được hướng của từ trường mà ngư dân có
thể xác định được vị trí của mình. Chúng ta có thể xác định được hướng của từ
trường nhờ vào các con trâu, bò dựa vào tư thế nằm của chúng. Chúng luôn nằm ở
vị trí đầu hướng về cực Bắc, đuôi hướng về cực Nam. Từ trường Trái Đất có giá trị
rất nhỏ khoảng vài chục
T nhưng tác động của nó thì không hề nhỏ. Nhờ xác định
được từ trường mà con người có thể biết được những thay đổi của tự nhiên như các
cơn bão địa từ, động đất, bão, mưa...
Phát hiện tồn tại của từ trường Trái Đất và sự biến đổi của nó là rất quan
trọng trong vật lý cũng như trong đời sống. Sự ra đời của các thiết bị đo từ trường
sẽ giải quyết được những vấn đề trên. Các thiết bị đo từ trường hay còn gọi là cảm
biến từ trường ra đời dựa trên các tương tác của từ trường với các quy trình vật lý.
Từ lúc xa xưa, con người đã biết đo từ trường từ những dụng cụ đơn giản như la
bàn đá nam châm...Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các cảm
biến ra đời với độ nhạy cao và chính xác hơn rất nhiều.
Là một sinh viên ngành vật lý ngoài việc trang bị cho mình những kiến thức
vật lý cần thiết em còn muốn tìm hiểu và bổ sung những kiến thức vật lý có liên
quan đến nhiều lĩnh vực. Đó cũng là lí do giúp em quyết định chọn đề tài “ Nghiên
cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ”. Đề tài giúp chúng ta hiểu hơn về về các
loại cảm biến đo từ trường, ưu điểm, hạn chế của mỗi phương pháp. Từ đó đưa ra
một sơ đồ mạch cho thiết bị phát hiện sự thay đổi nhỏ của từ trường
Em mong rằng nội dung bài khóa luận này có thể là một tài liệu nhỏ để tham
khảo đối với các giáo viên và sinh viên ở các khóa sau của trường ĐH Sư phạm.
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu cảm biến đo tín hiệu từ trường nhỏ
7 SVTH: Nguyễn Thị Anh Hiền
Mục đích của đề tài nhằm:
* Lý thuyết:
Nghiên cứu về tín hiệu nhỏ và các biện pháp nâng cao tỉ số S/N.
Nghiên cứu một cách tổng quan về các phương pháp đo từ trường Trái Đất,
ưu điểm và nhược điểm của mỗi phương pháp.
Tìm hiểu về từ kế Hall và từ kế Fluxgate để xây dựng sơ đồ khối của thiết bị
phát hiện từ trường nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
Tín hiệu từ trường Trái Đất và cảm biến từ trường.
- Phạm vi nghiên cứu:
Trong đề tài này em nghiên cứu những vấn đề sau:
- Tín hiệu nhỏ và các phương pháp nâng cao tỉ số S/N.
- Các phương pháp đo từ trường Trái Đất.
- Từ kế Hall và từ kế Fluxgate, sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về tín hiệu nhỏ. Có rất nhiều loại tín hiệu nhỏ nhưng ở
đây em nghiên cứu về tín hiệu từ trường. Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp
đo từ trường Trái Đất trong đó đặc biệt đi sâu vào nghiên cứu từ kế Hall và từ kế
Fluxgate. Đồng thời, dựa trên nguyên lý Fluxgate để xây dựng sơ đồ khối của thiết
bị phát hiện từ trường nhỏ.
5. Phương pháp nghiên cứu
Tham khảo tài liệu trong và ngoài nước.
Nhờ sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn: đọc, chỉnh sửa và bổ sung.
Tham khảo ý kiến của bạn bè.
6. Những đóng góp của đề tài
Đề tài có thể làm tư liệu cho giáo viên và sinh viên tham khảo để củng cố
thêm kiến thức cần thiết cho bản thân.
7. Cấu trúc và nội dung của đề tài
A. MỞ ĐẦU