ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Công Biển

XÂY DỰNG THIẾT BỊ NHẬN BIẾT PHƯƠNG TIỆN
GIAO THÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỪ TRỞ

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông
HÀ NỘI – 2005
HÀ NỘI – 2005

Lời cảm ơn
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thày cô giáo trong nhà trường, những người
tâm huyết đã nhiệt tình truyền đạt tri thức cho những thế hệ sinh viên của trường Đại
học Công nghệ. Em xin gửi lời cảm ơn đến GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ và TS Nguyễn
Thăng Long đã tạo điều kiện cho em được tham gia thực tập tại phòng thí nghiệm
MEMS và định hướng cho em trong quá trình thực tập và làm khoá luận. Đặc biệt là
sự chỉ bảo nhiệt tình của TS Nguyễn Thăng Long, thày đã trang bị cho em phương
pháp luận và nhiều kiến thức quan trọng giúp em hoàn thành khoá luận này.
Em xin cảm ơn các anh trong bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thống đã nhiệt
tình giúp đỡ em trong thời gian qua, cảm ơn các bạn trong nhóm MEMS đã động viên,
giúp đỡ trong thời gian thực ở nhóm.

Tóm tắt

Hiện nay, với công nghệ mạch tích hợp và công nghệ màng mỏng phát triển
mạnh mẽ, công nghệ cảm biến từ đã được cải tiến về độ cảm nhận và giảm thiểu kích
thước, phù hợp khi ghép nối với các thiết bị điện tử. Các cảm biến từ được ứng dụng
rộng rãi trong thực tế, đặc biệt là trong đo lường và điều khi
ển. Trong khoá luận này,
em tập trung nghiên cứu cảm biến từ trở và xây dựng thiết bị đo sự thay đổi từ trường,
thiết bị này được ứng dụng để phát hiện các phương tiện giao thông. Thiết bị được xây
dựng, để đưa vào ứng dụng rộng rãi, phải thỏa mãn các yêu cầu như: độ ổn định cao,
giá thành hạ, thuận lợi trong lắp đặt và sử dụng… Từ
đó, khoá luận này sẽ nghiên cứu
các vấn đề sau:

Vòng cảm ứng từ............................................................................................3

1.2.2

Radar...............................................................................................................5

1.2.3

Camera............................................................................................................7

1.2.4

Cảm biến hồng ngoại......................................................................................7

1.2.5

Cảm biến từ ....................................................................................................9

Chương 2

Cảm biến từ trở di hướng AMR
.........................................................11

2.1

Cơ bản về vật liệu từ............................................................................................11

2.2

Hiệu ứng từ trở dị hướng.....................................................................................12


3.1.1.5

Mạch thực hiện tạo xung Set/Reset.......................................................26

3.2

Kết quả thực nghiệm và nhận xét........................................................................29

Tài liệu tham khảo.......................................................................................................36
Phụ lục 1 .......................................................................................................................37
Phụ lục 2 .......................................................................................................................38
1
Lời mở đầu

Các thiết bị hoạt động dựa trên tác động của từ trường đã được sử dụng từ rất
sớm, cách đây hơn 2000 năm. Những ứng dụng ban đầu chủ yếu là trong việc xác định
hướng, định vị trí… Ngày nay, các cảm biến từ vẫn chủ yếu được dùng trong các ứng
dụng đạo hàng, nhưng chúng ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng
khác ( nh
ư: cảm biến từ được sử dụng trong các đầu đọc cho băng đĩa, ổ lưu trữ dữ


Chương 1 Một số loại cảm biến sử dụng để phát hiện phương tiện
giao thông
1.1 Những thông số cơ bản trong giám sát và điều khiển giao thông
Một hệ thống quản lý giao thông, về cơ bản, có thể được chia ra làm ba khối
chức năng chính:
• Khối thu thập dữ liệu: Khối này có chức năng thu thập các dữ liệu mô
tả tình trạng các luồng giao thông trên các tuyến đường, truyền các
thông tin này tới các trạm thu nhận trong hệ thống.
• Khối xử lý thông tin: Khối này sẽ thu thập các thông tin về tình trạng
giao thông, xử lý các thông tin đó, đưa ra các giải pháp để t
ối ưu hoá
quá trình giao thông.
• Khối điều khiển giao thông: Dựa trên các thông tin thu nhận được và
đã được xử lý, hệ thống điều khiển đưa ra những quyết định như: phân
luồng giao thông, cảnh báo khả năng tắc ngẽn có thể xay ra, cảnh báo
các tai nạn…
Những thông tin cơ bản cung cấp cho hệ thống quản lý giao thông gồm có:
lưu lượng, tốc độ của các phương tiện, hiệ
u suất chiếm chỗ trên các tuyến đường, độ
dài hàng đợi khi xảy ra tắc ngẽn…
Lưu lượng (Volume): Lưu lượng giao thông được định nghĩa là số phương
tiện khảo sát hoặc tính toán được trên một đoạn đường giao thông trong một khoảng
thời gian. Thông số này thường được sử dụng để đánh giá chất lượng hoạt động của
giao thông. Thông số lưu lượng phương ti
ện giao thông được sử dụng để theo dõi hoạt
động giao thông trong các thời điểm lịch sử và từ đó dự đoán các khả năng có thể xảy
ra tắc ngẽn giao thông trong tương lai trên các làn đường [8].
Tốc độ (Speed): Tốc độ của các phương tiện tham gia giao thông là thông số
quan trọng quyết định đến chất lượng hoạt động của giao thông. Tốc độ thường được

thông biến thương được sử dụng nhất.
1.2.1 Vòng cảm ứng từ
Vòng cảm ứng từ là loại cảm biến đơn giản dựa trên cơ sở định luật Faraday.
Theo đó, một vòng dây đặt trong từ trường biến thiên, sẽ tạo ra điện áp tự cảm tỷ lệ
với độ biến thiên của từ trường xung quanh cuộn dây.
dt
d
te
φ
−=)(
(1.1)
Cuộn cảm ứng từ tương đương với một mạch dao động LC. Mạch dao động
này có điện áp lối ra phụ thuộc vào tần số dao động trong mạch. Hình vẽ 1, mô tả
mạch dao động bao gồm một cuộn cảm L mắc nối tiếp điện trở R và tụ C [6]. 4
Hình 1. Giá trị điện áp lối ra phụ thuộc vào tần số dao động của cuộn dây, và độ lớn
của từ trường.

Dự trên cơ sở này, người ta có thể xây dựng thiết bị phát hiện phương tiện
giao thông sử dụng vòng cảm ứng từ. Thiết bị này sẽ cảm biến với sự xuất hiện của vật
thể kim loại. Vòng cảm ứ
ng sẽ thay đổi trở kháng khi có vật thể kim loại xuất hiện
xung quanh nó. Thiết bị loại này thường gồm 4 phần (hình 2): một vòng dây (hoặc
nhiều vòng dây) được gắn dưới bề mặt đường, một cặp đầu dây nối từ vòng cảm ứng
từ đến thu nhận tín hiệu đặt ở bên cạnh đường, một đầu dây nối từ hộp thu nhận này

từ thấp hơn so với công nghệ cảm biến không phá huỷ mặt đường như: phương pháp
sủ dụng Camera, sử dụng radar…
Điều hạ
n chế đối với việc sử dụng vòng cảm ứng từ là phải phá huỷ đường
giao thông khi cài đặt và sửa chữa. Ngoài ra các vòng cảm ứng từ chịu tác động của
nhiệt độ [7].
1.2.2 Radar
Radar (Radio Detection And Ranging) dùng sóng viba được đặt bên lề các
tuyến đường giao thông, với bước sóng sử dụng thường trong vùng tần số 10.525 GHz
(vùng tần số của tia X). Radar sẽ phát ra năng lượng trong một vùng trên đường, độ
rộng của vùng có thể điều khiển được, gọi là vùng quan sát. Một phần năng lượng phát
ra sẽ bị phản xạ bởi các phương tiện giao thông đến cảm biến. Tại đó cảm bi
ến sẽ phát
hiện và chuyển đổi thành các thông tin về giao thông. Có thể sử dụng một cảm biến
hoặc có thể kết nối nhiều cảm biến, đặt bên lề đường giao thông [7]. 6
Hình 3. Radar nhận tín hiệu phản xạ từ các phương tiện giao thông

Radar sử dụng trong các ứng dụng giao thông thường sử dụng hai loại sóng.
Loại thứ nhất phát sóng liên tục (CW) có tần số không đổi theo thời gian. Loại thứ hai
phát ra sóng đã được điều tần. Radar phát ra sóng liên tục mà tần số không thay đổi
theo thời gian, theo nguyên lý Doppler, thì sự chuyển động của các phương tiện giao
thông trong vùng nhìn của Radar làm thay đổi tần số của tín hi
ện phát ra. Tín hiệu
phản xạ lại khi gặp các phương tiện có tần số khác tần của tín hiệu phát ra. Do đó nó

tiếp. Thuật toán xử lý hình ảnh khảo sát sự thay đổi các mức xám theo các nhóm điểm
ảnh trong từng khung hình ảnh. Các thuật toán này sẽ tách các mức xám trong hình
ảnh gốc (background ) do các điều kiện thời tiết, thay đổi ánh sáng, sao cho vẫn giữ lại
được hình
ảnh các vật thể cần phát hiện. Các thông tin khác (vận tốc, lưu lượng, phân
loại phương tiện…) đạt được thông qua phân tích các khung hình ảnh liên tiếp nhau
[8].
Các kỹ thuật xử lý hình ảnh liên tục cải tiến khả năng nhận biết các vật thể
trong bóng tối, hay thay đổi ánh sáng, phản chiếu ánh sáng, điền kiện thời tiết khắc
nghiệt. Các hệ thống xử lý hình ảnh có nhiều camera có thể cung cấp các thông tin
trong vùng r
ộng lớn. Tuy nhiên, khả năng thu nhận hình ảnh sẽ giảm sút trong các điều
kiện thời tiết khắc nghiệt, ánh sáng không tốt… hoặc khi xảy ra tắc nghẽn sẽ khó phân
biệt các phương tiện. Chi phí để xây dựng hệ phát hiện theo phương pháp là rất cao.
1.2.4 Cảm biến hồng ngoại
Các cảm biến hồng ngoại được sản xuất sử dụng trong các ứng dụng trong
giao thông, thường được gắn trên các thanh ngang qua làn đường giao thông. Có hai
loại cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng để phát hiện phương tiện giao thông là:
tích cực và thụ động.
Thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực (Active Infared Sensor): Loại
này sẽ phát sóng xuống một vùng hẹp với nă
ng lượng thấp được tạo ra bởi các Diode

8

Laser. Các Diode Laser hoạt động trong dải bước sóng gần vùng hồng ngoại, xung
quanh bước sóng 0.85µm. Năng lượng do các Diode Laser phát ra sẽ bị phản xạ lại khi
gặp các phương tiện giao thông (mà chúng không hấp thụ năng lượng này). Năng
lượng phản xạ này sẽ được hướng tới cảm biến hồng ngoại đặt trên mặt phẳng vuông
góc và đi qua tiêu điểm (tiêu diện) của hệ quang học thu nă

qua tỉ lệ với tích của hiệu các hệ số phát và độ chênh lệch nhiệt độ khi nhiệt độ của bề
mặt đường và phương tiện giao thông bằng nhau. Hiệu hệ số phát là hiệu hệ số phát
của m
ặt đường và phương tiện giao thông. Độ chênh lệch nhiệt độ là hiệu của nhiệt độ
tuyệt đối của mặt đường và nhiệt độ khí quyển bị phân tán [7]. Khi thời tiết nhiều mây
hay ẩm ướt sẽ ảnh hưởng đến tín thu được.

Hình 6. Cấu hình của bộ phát hiện sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động

Nếu sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại thụ động ta có thể xác định được các
thông tin như: tốc độ, độ dài các phương tiện, lưu lượng phương tiện…Thời gian trễ
giữa hai tín hiệu nhận được ở hai vùng, ta có thể xác định tốc độ của các ph
ương tiện
giao thông khi đi qua vùng này.
Ưu điểm của phương pháp này là khi cài đặt không cần phải phá huỷ đường
giao thông. Sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực cần phải phát nhiều chùm tia để có
thể xác định vị trí, tốc độ, và phân loại. Cảm biến hồng ngoại thụ động thì chỉ cần sử
dụng nhiều vùng cảm nhận. Tuy nhiên phản chiếu của ánh sáng mặt trời có thể
làm
xáo trộn tín hiệu nhận được. Khí quyển và điều kiện thời tiết khắc nghiệt có thể làm
nhiễu loạn hoặc hấp thụ năng lượng hướng tới mặt phẳng tiêu diện của hệ quang học.
1.2.5 Cảm biến từ
Cảm biến từ là loại thiết bị thụ động, biến đổi sự thay đổi của từ trường thành
các thông số mong muốn. Cảm biến từ có thể được phân loại theo nhiều cách. Xét theo
vùng từ trường làm việc, cảm biến từ được phân làm ba loại: cảm biến trong vùng từ
trường thấp, từ trường trung bình, và từ trường lớn. Cảm biến trong vùng từ trường


nhiễm từ M (intensity of magnetization ) hay độ từ hoá, hoặc từ độ (magnetization).
Đó là một vector hướng từ cực Nam (S) đến cực Bắc (N) của thanh nam châm. Đơn vị
của I là Wbm/m
3
= Wb/m
2
(Tesla)
1Tesla =
4
10.
4
1
π
gauss = 800 gauss
Ngoài độ nhiễm từ I, ta còn sử dụng cảm ứng từ (magnetci induction) hay mật
độ từ thông (magnetic flux density) B:
HMB
0
µ
+=
(Hệ SI) (2.1)
Như vậy đơn vị của B cũng là Wb/m
2
. Song khi chuyển sang hệ CGS thì:
HB +=
π
4
(Hệ CGS) (2.2)
Do đó hệ số chuyển đổi từ hệ SI sang hệ CGS của B và M là khác nhau. Đối
với B:

π
lần.
Như vậy ta có:
()
HHB
µµχ
=+=
0
(Hệ SI) (2.5)

12
Đại lượng µ được gọi là độ thẩm từ (magnetic permeability). Đơn vị của µ là
H/m.
Ta định nghĩa độ thẩm từ tương đối:
1
0
+==
χ
µ
µ
µ
(2.6)
µ
có giá trị như nhau trong hệ SI và hệ CGS. [1]
2.2 Hiệu ứng từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance Effect)
Hiệu ứng từ trở là sự thay đổi giá trị điện trở của vật liệu do tác động của từ
trường ngoài. Hiệu ứng từ trở có thể chia làm nhiều loại với bản chất khác nhau như:

-Từ trở đẳng hướng (Ordinary Magnetoresistance)
-Từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance)


Hình 8. Sự thay đổi của điện trở do tác động của từ trường ngoài.

Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật
liệu sắt từ là rất phức tạp. Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector từ hoá trong
màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà
S
M
, khi có sự tác động của từ trường ngoài
sẽ làm thay đổi hướng của vector này. Thứ hai, ta xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh
đơn giản, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vector từ độ (vector từ hoá), và
mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài tác động.
Hình 9. Từ trường tác động lên màng mỏng Permalloy

Điện trở R có thể xác định thông qua góc
Θ
, góc giữa vector cường độ dòng
điện và vector từ độ:
Θ∆+=Θ∆+=Θ
2
,0
2
,0
coscos)(
RR
bd
l

Khi dòng điện chạy theo chiều x, ta thu được một điện áp U
x
:
Θρ∆ρ
2
,0
cos
bd
l
I
bd
l
IU
nx
+=
(2.8)
Vector từ độ trong màng sẽ định theo hướng mà tổng năng lượng của nó là
nhỏ nhất. Những năng lượng quan trọng nhất bao gồm: năng lượng do từ trường ngoài
tác động, năng lượng dị hướng của vật liệu (hay năng lượng dị hướng từ tinh thể), và
năng lượng khử từ (năng lượng hình dạng dị hướng).
Với tổng trường dị
hướng
s
MKH
00
/2
µ
=
(với K là hệ số dị hướng), góc giữa
vector

Xác định góc giữa
M
và trục dễ và sự phụ thuộc của điện trở vào hướng của
vector
M
sẽ được kết hợp để xây dựng cảm biến [4].

15
RRR
np
∆
−=
,0,0

22
,0,0
,00
np
n
RR
R
RR
+
=+=
∆
(2.11)
R
0
là giá trị trở trung bình.
Như vậy ta có:

,0
)( =
, với |H
y
|>H
0

Như vậy điện trở phụ thuộc không tuyến tính vào từ trường ngoài. Hơn nữa,
độ cảm biến
y
dHdR
là rất nhỏ, xấp xỉ bằng không (và bằng không khi mà H
y
=0).
Hình 11. Sự phụ thuộc của điện trở vào từ trường ngoài tác dụng.

Để làm giảm bớt những nhược điểm của hiệu ứng này, trong thực tế người ta
đưa ra cấu trúc barber pole khi chế tạo cảm biến. Cấu trúc barber pole bao gồm một số
băng trở làm bằng các vật liệu dẫn điện tốt, được sắp xếp sao cho dòng điện chạy qua
t
ừng băng hợp với trục x (hướng dòng điện) một góc 45
0
. Một cách toán học, barber
pole được biểu diễn bằng góc
0
45
=

∆
(2.15)
Như vậy, cảm biến AMR với cấu trúc barber pole sẽ làm giảm tính phi tuyến
khi H
y
<H
0
/2, độ phi tuyến sẽ không quá 5%. Đặc tính này chỉ đúng nếu vector từ độ
ban đầu nằm theo hướng x, khi không có tác động của từ trường ngoài. Điện trở sẽ
thay đổi dấu nếu vector từ độ ban đầu lật theo hướng âm của trục x.
Để có thể xác định sự thay đổi điện trở sang thành thông tin về điện áp mà
không có thành phần một chiều DC, cảm biến được thiết kế
như là một mạch cầu
Wheatstone với 4 thành phần trở riêng biệt với cấu trúc barber pole theo các góc 45
0

và 135
0
cho các điện trở chéo nhau (hình 12). Nhờ đó, có thể tạo ra điện trở thay đổi
R
∆
âm và dương trong vùng tuyến tính. Cấu trúc này cũng có thể bù trừ sai số do sự
phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.

Hình 12 Cấu trúc mạch cầu Wheatstone khi chế tạo cảm biến từ trở dị hướng.

Điện áp lối ra của mạch cầu Wheatstone thu được:

S
∆
=
(2.17)
Như vậy ta thấy, độ cảm nhận S
0
sẽ tăng khi sử dụng vật liệu làm có hiệu ứng
AMR cao và với trường H
0
thấp. Vùng tuyến tính của cảm biến với sai số không quá
5% trong dải –H
0
/2 đến H
0
/2 [4].

17
Các cảm biến AMR có đặc tính là nhạy với sự thay đổi ở từ trường thấp và
tiêu thụ năng lượng thấp. Khả năng thay đổi điện trở lớn nhất của hiệu ứng này có thể
lên tới 3-4%. Các cảm biến loại này có thể được tạo ra với số lượng lớn và giá rẻ. Các
cảm biến từ trở ngày nay được sử dụng trong rất nhiều ứ
ng dụng trong đời sống như:
đo từ trường trái đất, làm la bàn, cảm biến vị trí hoặc cho xác định từ trường sinh học . 18

Chương 3 Ứng dụng cảm biến từ trở dị hướng để nhận biết
phương tiện giao thông
3.1 Mô tả ứng dụng

loại này có khối chức năng biến đổi ADC và khối truyền thông nối tiếp UART. Khối
biến đổi tương tự số ADC sẽ chuyển đổi tín hiệu điện áp tới l
ối vào thành các giá trị số
dạng BCD. Các giá trị số đó sau khi qua tiền xử lý, sẽ được gửi về máy tính nhờ khối
chức năng truyền thông nối tiếp. Trên máy tính PC, có một phần mếm thu nhận dữ liệu
gửi về, và thực hiện xử lý dữ liệu này để vẽ lên màn hình PC dạng tín hiệu thu được và
xác định lưu lượng ô tô di chuyển qua khối thiết bị.
Hình 14. Sơ đồ khối mô tả ứng dụng

Trong thực tế, độ nhạy của cảm biến sẽ bị giảm sau khi được đặt trong từ
trường lớn. Vì vậy cần phải thiết lập lại trạng thái ban đầu cho cảm biến, để khôi phục
độ nhạy. Mạch tạo xung Set/Reset sẽ thực hiện chức năng này.

20
3.1.1.1 Cảm biến từ trở HMC 1052
HMC 1052 là loại cảm biến từ trở dị hướng có hai trục cảm biến X và Y
(nhạy với sự thay đổi từ trường theo hai hướng đó). Cảm biến này được chế tạo theo
công nghệ màng mỏng, với hợp chất Permalloy (80 % Ni và 20 % Fe), các băng trở
được tạo ra trên các màng silicon. Trong khi chế tạo, các băng trở được đặt trong điều
kiện từ trường mạnh để tạo ra một hướng
ưu tiên cho vector từ hoá
M
(tạo trục dễ cho
cảm biến). Vector từ hoá
M
sẽ được thiết lập song song với chiều dài của băng trở, và
có thể đặt hoặc theo hướng trái hoặc theo hướng phải. Các băng trở được sắp xếp chéo