Đ Ạ I HỌ C Q U O C G IA H A N Ọ I
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
N G H IÊN CỨU XÂY D ựNG HỆ ĐO TÍN HIỆU NHỎ
• • • ■
CAO TẦN TRÊN c ơ SỞ PC VÀ ÚNG DỤNG
Mã sổ: QG-08-04
Chủ trì đề tài: PGS. TS Phạm Quốc Triệu
Tham gia đề tài: ThS. Nguyễn Thị Mỹ Đức
ThS. Nguyễn Tuấn Hưng
ThS. Lưu Tiến Mạnh
ThS. Nguyễn Thế Nghĩa
ĐAI HỌ C Q U O C G.M ma NỌI
TRUNG TẨM THÒNG TIN THỰ VIỀN
_ p t / m
_
___________
Hà Nội-2010
BÁO CÁO TÓM TẮT
Nghiên cứu xây dựng hệ đo tin hiệu nhỏ cao tần
trên cơ sở PC và ứng dụng
Mã số: QG-08-04
Chủ trì đề tài:
Các cán bộ tham gia:
Đề tài:
1. Mục tiêu nghiên cứu
a) N gh iê n cứu xây dựng hệ đo tín hiệu từ trường nhỏ nguyên lý
Pluxgate trên cơ sở ghép nối PC
b) N g hiên cứu khả năng ứng dụng cua hệ th iết bị.
2. Nội dung nghiên cứu
a) T ín hiệu nhỏ và giải pháp nâng cao ty số S/N
b) T hiết kế, chế tạo hệ phát hiện từ trường nhó neuyên lý Fluxgate

♦í* Học viê n: Nguyễn Tuấn Hưng
- Tên Luận văn: Xử lý tín hiệu nhỏ từ m ột số sensor
và ứng dụng
- Năm bảo vệ: 2009
❖ H ọc viên: Lưu Tiến M ạnh
- Tên Luận văn: N ghiên cứu thiết kế. chế tạo thiết bị phát hiện
kim loại trong gỗ và ứns dụng
- N ăm bảo vệ: 2009
3. Các kết quả đạt được
c) Kết quả đề tài bổ xung một phần cho bài giảng:
Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiêm vật lý,
Dùng cho sinh viên năm thứ ba Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN.
4. Tình hình sử dụng kỉnh phí:
Tổng kinh phí được cấp: 60.000.000 đ {sáu mươi triệu đồng)
Kinh phí năm 2008: 40.000.000 đ
Kinh phí năm 2009: 20.000.000 đ
Các khoản chi phí đã thanh toán đầy đủ chứng từ tại Phòng KH-TV.
Xác nhận của BCN Khoa Chủ trì đề tài
Phạm Quốc Triệu
Xác nhận của Nhà trường
P H Ó HIỆU T R U Ỏ N G
BRIEF REPORT
Title:
Studying to built a hi-frequence small signal system
on the base of PC and application
Code: QG-08-04
CO O RD INA TO R: Assoc. Prof. Dr. Pham Quoc T rieu
K EY IM P LE M E N TO R S : MSc. Nguyen T h i M y Due
MSc. N guyen Tuan H ung
MSc. Luu Tien M anh

Conference on N S T (Nha Trang 2009).
c) T ra in in g: 03 M Sc
❖ Nam e o f M aster Student: Nguyễn T hị M ỹ Đức
- T itle o f Thesis: Study of m anufacture the systems for
measurement signal autom atically
- Year to uphold thesis: 2008
❖ N am e o f M aster Student: Nguyễn Tuấn Hưng
- T itle o f Thesis: To treat the small signals from sensors
and application
- Year to uphold thesis: 2009
❖ Nam e o f M aster Student: Lưu Tiến Mạnh
- T itle o f Thesis: Study o f design, manufacture the device
fo r detection metal in w ood and application
- Y ear to uphold thesis: 2009
c) The results o f project have participated into the lecture:
Pham Q uoc Trieu - Experim ental M ethods in Physics
MỤC LỤC
MỞ Đ À U 01
Chương 1 - SENSOR F LU X G A TE 02
1.1 Giới thiệu ch un g 02
1.2 Nguyên lý thiết bị dùng sensor Fluxgate
02
1.3 Sơ đồ khối của thiết b ị 05
Chương 2 - HỆ TH ỐNG GHÉP N Ô I M Á Y T ÍN H 12
2.1 K hối phần cứ ng 12
2.2 Giao diện phần m ềm
.
16
2.3 Tính năng kỹ thuật
.

Tro ng đề tà i này, tín hiệu nhỏ mà chúng tô i nghiên cứu là các tín hiệu nhỏ
từ các sensor nó i chung, tín hiệu từ trường nhỏ nói riêng.
1
CHƯƠNG I
SENSOR FLUXGATE
1.1. Giới thiệu chung
Trường trá i đất luô n ỉu ôn thay đổi, không thể cố định trong m ộ t không gian
kín và đưa vào phòng thí nghiệm để khảo sát. D o đó, m uốn đo đạc phải lấy các
mẫu nào ít nhiễu và đò i h ỏi phải hiểu biết về các đặc điểm ở tầng trên của khí
quyển hoặc ở sâu trong lò ng đất. ở m ọi nơi trên bề m ặt trái đất, trường là “ cố
định” (ví dụ những thay đổi nhỏ ảnh hưởng đến thành phần của phổ tại thời điểm
nghiên cứu) k hi so sánh nó vớ i các trường nhỏ xung nhanh. Các cảm biến được sử
dụng phải đáp ứng dải biên độ rất rộng, từ nhỏ hơn 10'3 đến lớn hem 104 nTesla,
hay hạn chế giữa các tần số đặc trưng trong lớp cụ thể của hiện tượng địa từ [4].
Đ ộ nhạy của các thié t b ị đo từ trường trái đất chưa có giới hạn. M ỗ i bước
mới trong cách g iải quyết của địa từ trường sẽ có những cái m ới, sẽ có các chi tiết
mới cho m ô i trường vậ t lý trái đất của chúng ta [15]. T uy nhiên, có nhiều hiện
tượng đa dạng để đáp ứng từ trường theo nhiều cách khác nhau. Thực tế, người ta
đã sản xuất nhiều lo ại cảm biến, m ỗi loại có những lạ i thế riêng [5 ], [12].
Có m ột số phương pháp được áp dụng để phát hiện và đo từ trường nhỏ với
những cấp độ chính xác khác nhau:
Từ kế
Cấp độ chính xác (y)
Á p dụng
Quang học Zeem an 104
Sử dụng cho các từ trường mặt
trời mạnh
Fluxgate 10'1 ứ n g dụng trong hầu hết các đài
thiên vãn hiện đại
Proton

thẩm cao. Các trườ ng có mức không đổi xứng v ì có thêm vào m ột trường bao
quanh Ho, kết quả là làm méo dạng của sự thay đổi m ật độ từ thông, sẽ tác động
lên lõ i của cuộn dây cảm biến thứ cấp. Sự thay đổi không chính xác của B sẽ biến
đổi theo thờ i gian t nên không đối xứng theo trục thời gian, sẽ chứa nhiều hài
trong phân tích Fourier của nó. Ta có thể ước lượng các thành phần đầu vào như
sau:
B(t) = aíHo+He) + bíHo+He)3 + cíHo+He)5 (1.1)
V ớ i He là trư ờng kích thích và a, b, c là các hằng số.
Các hài bậc 3 và bậc cao hơn của B(t) được xem như là nhỏ hom hài bậc 2.
Với bộ lọ c thông dải thì hài bậc 2 của đầu ra được chọn để ưở thành một phép đo
của trường bao quanh Ho sau k hi so sánh nó vớ i m ột hài thứ cấp nhân tạo không bị
méo từ việ c nhân đ ô i tần số của đao động kích thích ban đầu. Nh iề u kỹ thuật xử lý
điện áp hài thứ cấp và cảm biến pha khác nhau được sử dụng để tính Hq.
Suất điện động ở lố i ra của cuộn thứ cấp là E ra:
E „=k.B c ẳ?-4Lf2-Ho 0-2)
dHe
Trong đó: f2 = 2 .fe
fe là tần số của trường kích thích.
B e, H e là cảm ứng từ và cường độ từ trường kích thích.
H 0: từ trường ngoài cần đo
|i: độ thẩm từ của lõi.
Ví dụ một sơ đồ nguyên lý của thiết bị
H ình 1.2. Từ kế lõ i bão hoà
Để đo đạc các tín hiệu yếu, ta phải thực hiện các bước đặc biệ t để tăng khả
năng tìm thấy hài thứ cấp. M ộ t phương pháp v í dụ là hai lõ i song song nhau được
tác động theo hai hướng ngược chiều nhau trong m ột mạch kích thích trường, tín
hiệu ra lấy trên m ộ t cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh. H ai cuộn sơ cấp mấc xung
đối làm triệt tiêu tín hiệu trong trường hợp cân bàng. Sơ đồ khối của thiết bị được
mô tả trong hình 1.2, giúp phát hiện ra pha của hài thứ cấp. Với các lõi được lựa
chọn đặc biệt và có cấu trúc tốt thì độ nhạy có thể đạt được vài miligamma. Trong


' 1 /
!•

- Mạch ch ia tần làm việc ở tần số 2,5kHz.
Khối tạo sóng sine và khối khuếch đại công suất [1]
- Ý nghĩa: Tạo sóng hình sine đơn sắc đủ công suất để nuôi Sensor.
- M ạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất làm việc ở tần số 2,5kHz.
- Tần số xung sau k hố i chia tần và kh ối khuếch đại công suất này bằng
nhau như quan sát trên hình 1.4:
H ìn h 1.4. X u ng sau k hối chia tần và k hố i khuếch đại công suất
Sensor đo từ trường nhỏ (10]
- Sensor là bộ cảm nhận và chuyển đổi tín hiệu từ dạng này sang dạng khác
(như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng).
Đặc trưng s của sensor là hàm của đại lượng cần đo m, kh i ta xác định được
giá tr ị s, ta có thể tính được giá trị m thôrig qua biểu thức:
s = F(m) (1.3)
Trong đó: + s là đại lượng cần đo ở đẩu ra;
(đối với đàu dò từ trường nhỏ, s là tín hiệu điện áp).
+ m là đại lượng đầu vào;
(đối với đầu dò tò trường nhỏ, m là cảm ứng từ).
Biểu thức (1.3) phản ánh mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra của sensor phụ
thuộc vào cấu tạo của vật liệu làm sensor, môi trường và chế độ sử dụng.
- Đầu dò là bộ phận tiếp nhận sụ thay đổi của tín hiệu bên ngoài tác động
vào. Tín hiệu nhỏ gồm rất nhiều dạng như: nhiệt độ, áp suất, lực, độ dịch chuyển,
quang và nhiều loại tác động khác. Tuy nhiên, ở đây, chúng tôi sử dụng tín hiệu
nhò là tín hiệu từ trường. Coi như các tác động còn lại chỉ ảnh hưởng một phẩn rất
nhỏ không đáng kể đến két quả của phép đo, có thể bỏ qua.
- Mạch nguyên lý của đầu dò từ trường nhỏ được trình bày trên hình 1.5:
H ình 1.5. Đầu dò từ trường nhỏ (Sensor)

Xr = K.Xv
Trong đó: K là hệ số khuếch đại
XR và Xv là các giá trị đầu ra và đàu vào
Công suất đầu ra của mạch khuếch đại lớn hom công suất đầu vào. Nhờ có
khuếch đại, độ nhạy của thiết bị đo được tăng lên rất nhiều lần, cho phép phát hiện
được giá ứị của các tín hiệu rất nhỏ.
- Khối khuếch đại tín hiệu có hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tín
hiệu này cỡ vài trăm lần.
+ Linh kiện chủ yếu của khối khuếch đại công suất là các IC TL082.
+ Các tầng khuếch đại trong mạch đuợc phân cách bằng tụ để tránh hiện
tượng trô i mức m ột chiều.
+ Các tầng thứ 2 và thứ 4 có mạch điều chinh mức điện áp m ột chiều.
Khối xử lý [13], [14]
- K h ố i xử lý tín hiệu trong thiết bị sử dụng mạch khuếch đại chỉnh lưu, có
nhiệm vụ biến đổi tú i hiệu xoay chiều thu được ở lố i ra của k hối khuếch đại tín
hiệu sang tín hiệu m ộ t chiều để dễ dàng chỉ th ị và đánh giá.
M ạ ch chinh lưu tốt phải là mạch có hiệu suất (ti số giữa công suất đầu ra và
công suất hữu ích đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải, độ gựn sóng của điện áp ra
m ột chiều là nhỏ.
- Tín hiệu sau khối xử lý là tín hiệu m ột chiều [16], [17].
Khối chỉ thị [4], [9]
- K h ố i chỉ thị hay chính xác là bộ biến đổi A na lo g - D ig ita l, có nhiệm vụ
biến đổi tín hiệu (sau k hối xử ỉý và khố i khuếch đại) từ dạng tương tự sang dạng
số để hiển th ị lên bảng điện tử dạng số.
- về nguyên lý thì có 3 phương pháp biến đổi:
+ Phương pháp song song
+ Phương pháp trọng số
+ Phương pháp số
9
- Có thể chi thị bằng đồng hồ hiện số đa năng, hoặc cũng có thể đưa thiết bị

Khối khuếch đại
12
Khối khuếch đại đầu vào có 3 lố i: lối vào 1, lối vào 2 và lối vào 3.
Lôi vào 1 và lối vào 2 được mắc theo nguyên lý khuếch đại thẳng, sử dụng
mạch khuếch đại thuật toán LM324 ( hình 2.2).
, Lối vào 3 sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, mắc theo nguyên lý
khuếch đại vi sai (hình 2.3).
H ìn h 2.3. M ạch khuếch đại cho lố i vào 3
L ố i vào 1 và 2 khuyếch đại điện thế lố i vào và lố i ra được đưa vào v i điểu
kh iển để chuyển đổi tương tự sang số 10 b í t .
Hệ số khuyếch đại K= 1 + VR/R5
T ro ng đó: V R được thay đổi bới VR1 và VR 2 (từ OQ đến 100K Q )
ụ. u
R5=10KQ
Khi đó Vout = 5v(R4/(R9+R4)) + v in* K.
Lối vào 3 là một mạch khuyếch đại vi sai với hệ số khuyếch đại:
K = V R /R ,2
Trong đó: VR được thay đổi bởi VR3
R i2=10KQ
Khi đó: Vout = v in * K
Vói: v in = hiệu điện thế giữa 2 lối vào của lối vào 3
Khối vi điều khiển
Vi điều khiển được sử dụng là AtMega8 ( hình 2.4 ).
S1
-Ị i
"SW-PB0-
C7
\R20
.lũk
104

7CC
PE2 (SSA5C1B)
vc c PB3 (MOSIJOC2)
PB4 (MISO)
AGND PB5 (SCK)
GND
GND ADCS
ADC7
23
S2
24 A PCI
25 ADC2
26 ADC3
27 PC4
28 PCÍ
30
31
32 PD2
1 1 PD3
2
PD4
D2
9
)3
10
11
12
1
13
&Ỉ

0 0 Data Data Data
Data Data
+ 5 b it cao của dữ liêu
0 0
1 Data Data Data Data
Data
Data lố i vào 2:
+ 5 b it thấp của dữ liệu
0 1
0 Data Data Data Data Data
+ 5 b it cao của dữ liêu
0 1
1
Data Data Data Data
Data
Data lố i vào 3:
+ 5 b it thấp của dữ liệu
1
0 0
Data
Data Data Data Data
+ 5 b it cao của dữ liệu
1
0
1
Data Data
Data Data Data
15
Dữ liệu chi được truyền từ vi điều khiển lên máy tính khi máy tính ra lệnh hỏi
dữ liệu bằng một mã lệnh hỏi

Các nút nhấn Connect J để kết n ối mạch điện vớ i phần mềm trên máy tính
N ú i Pause xuất hiện khi phím Connect I được nhấn. Đẻ tạm thời cập
nhật dữ liệu từ mạch điện lên máy tính
Các menu tắt:
a - lưu dữ liệu 113- - đồ thị dạng N orm a l
TỈ” I - xem p ixel của đồ th ị
M - kéo dịch đồ th ị theo hai hướng X và y
k i - zoom đồ thị
______________________________ 17
pAi HỌC QUOC GiA hA NỌ|
Tf?UNG Tâm thõng tin thư viện
m ì m o ■_
©xt6 ficorinbo
Combo
Combo
BS5?Kĩ?nỉ
Giao diện cài đặt hệ thống
tọa độ trục X
tọa độ trục Y
nguồn dữ liệu cùa trục X và Y
1
Hình 2.8. Giao diện cài đặt hệ thống
thời gian update dữ liệu
Các hàm chính trong chưorng trình
Giao điện cài đặt hệ thống được trình bầy trên hình 2.8 .
Chương trình được xẩy ra theo sự kiện, ví dụ : sự kiện phím — <~'°iu ie ct—
được clic k.
-H àm chọn và cài đặt truyền thông visual com
M ạch giao tiế p vớ i m áy tính qua cổng USB theo chuẩn visual com
M ặ c định của chương trìn h là C O M I