LÊ VĂN DƯƠNG VẬT LÝ CHẤT RẮN KHÓA 15
B
Ộ GIÁO DỤC V
À ĐÀO T
ẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
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
B
Ộ GIÁO DỤC V
À ĐÀO T
ẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
LÊ VĂN DƯƠNG
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN
DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN METGLAS/PZTChuyên 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



Tác giả Lê Văn Dương 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

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
Hình 1.1: Từ trường do dòng điện thẳng sinh ra 5

Hình 1.2: Sơ đồ cách mắc ampe kế vào mạch điện 6

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 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 2.10: Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung(a), hệ đo Lakeshore
7404(PTN Micro-nano, Đại học Công Nghệ-Đại học Quốc Gia
Hà Nội) 25

Hình 3.1: Đường cong từ trễ tỉ đối M/M
s
(a) và độ cảm từ dM/dH (b) được
đo trên mẫu 12×1, 12×7 và 12×12 mm 26

Hình 3.2: Độ cảm từ của băng từ mẫu 1 (12×1) và mẫu 2( 116×1) 27

Hình 3.3: Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra vào tần số 29
Hình 3.4: Sự phụ thuộc của thế lối ra vào điện áp xoay chiều kích thích
cấp cho cuộn solenoid trên cảm biến 1 30

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào cường độ từ trường của
cảm biến mẫu 1 31

Hình 3.6: Sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp xoay chiều lối ra vào cường độ
dòng điện của cảm biến mẫu 1 32


Hình 3.15: Đường cong từ-điện của cảm biến S
3
(a) và đường fit trong dải
từ -0,5 đến 0,5 Oe (b) 39
Hình 3.16: Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên các cấu hình chữ
I, chữ L và U vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại vị trí
cách dây dẫn 3 mm 40

Hình 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 41
Hình 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 41

Hình 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 42
Hình 3.20: Khảo sát khả năng đo dòng điện và độ phân giải của cảm biến
cấu hình chữ L 43

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

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.


3.3.2.

Đặc trưng đo dòng điện của cảm biến tổ hợp 39

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

1

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

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.
3

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

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:
+ I
tb
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)

μ
o
: 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
6

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.


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
9

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,

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
11

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,


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

= dM/dE.

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
Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành
năng lượng từ và ngược lại. Chính nhờ tính chất này, hiệu ứng này và đang
được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm
trở lại đây.

14 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

) 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) (σ
DC
). 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 (Q
DC
). 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 (h
ac
) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng
16

dao động (σ
ac
) tác dụng lên pha áp điện. Sự có mặt của ứng suất này sẽ tạo ra
điện lượng biến thiên (q
ac
) 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].

biến thương phẩm đang được sử dụng hiện nay.