Mô phỏng, tính toán lý thuyết, tối ưu cấu hình theo nguyên tắc khép kín mạch từ và dãy tích hợp cảm biến từ-điện cấu trúc micronano

Abstract

Luận văn đã đạt được một số kết quả nghiên cứu như sau: - Luận văn là công trình nghiên cứu khoa học đã đưa ra được tham số để tối ưu hóa cho cấu hình cảm biến. Luận văn đã đi sâu vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của trường khử từ lên cảm ứng từ của vật liệu qua đó ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra của cảm biến. Bằng mô hình dựa trên cấu trúc cảm biến dạng đơn thanh IS truyền thống, luận văn đã tiến hành mô phỏng cách cấu trúc khác như chữ L (LS), chữ U (US), dạng xuyến hình vuông có khe hở không khí (SRS-AG) và không có khe hở không khí (SRS). Từ kết quả mô phỏng, ta thấy rằng cảm ứng từ trong mẫu vật liệu được cải thiện đáng kể, cụ thể, đối với cảm biến IS cảm ứng từ trong mẫu vật liệu đạt giá trị khoảng 92.5 mT và tăng lên tới 110.9 mT ở mẫu SRS không có khe hở không khí trong từ trường đồng nhất 40 A/m. Qua đó luận văn rút ra được cấu hình tối ưu cho cảm biến là cấu hình SRS, và đặc biệt hơn, cảm ứng từ trên cấu hình SRS và cấu hình US là tương đương nhau đạt khoảng 0.0215 T ở từ trường đồng nhất 30 A/m. Khi từ trường đặt vào là 0 A/m thì độ cảm từ của IS đạt khoảng 4.6x102 với cấu trúc đơn thanh IS và tăng lên 1.37 lần ở cấu trúc US (hay SRS). - Một trong những mục đích của khóa luận là nhằm tạo tiền đề cho việc phát triển thiết bị phát hiện cáp ngầm/dây dẫn ngầm. Khóa luận cũng đã tiến hành mô phỏng sự phụ thuộc của cảm ứng từ trên mẫu vật liệu theo vị trí của dây dẫn mang dòng điện cũng như cường độ dòng diện. Kết quả mô phỏng cho thấy cảm ứng từ trên mẫu IS và US giảm dần khi dây dẫn dịch chuyển từ tâm cảm biến (x=0 mm) ra vị trí biên của cảm biến (x=7 mm) hoặc dây dẫn dịch chuyển ra xa cảm biến (từ y=1.5mm đến y=41.5mm). Hơn nữa kết quả mô phỏng cũng cho thấy cảm ứng từ trên mẫu IS và US tăng dần khi cường độ dòng trong dây dẫn tăng lên. Với mục đích nhằm nâng cao tín hiệu lối ra của cảm biến, khóa luận cũng đã nghiên cứu - sự phụ thuộc của cảm ứng từ trên mẫu vật liệu trên cấu trúc IS có bề dày thay đổi. Kết quả chỉ ra rằng cảm ứng từ tăng lên từ 20 mT đến 26 mT khi bề dày giảm dần từ 22 m về 150 nm. Và khi tổ hợp thành chuỗi cảm biến thì tín hiệu được tăng cường lên đáng kể khi có thanh tập trung từ thông với kích thước d thay đổi từ 0 đến 3 mm. - Dựa vào kết quả mô phỏng tối ưu, khóa luận chế tạo hai cảm biến cấu hình đơn thanh IS truyền thống và cấu hình US để so sánh nhằm kiểm chứng lại mô phỏng. Từ kết quả đo thực nghiệm khóa luận đã đưa ra tần số và điện thế của cảm biến lần lượt là 93 kHz và khoảng 1.3V, đồng thời cũng chỉ ra rằng độ cảm từ trên mẫu US gấp 1.2 lần so với mẫu IS, hơn thế nữa độ phân giải của cảm biến với độ chính xác 3 vào cỡ 0.00025 mV. Đồng thời khóa luận cũng làm rõ được sự phụ thuộc tín hiệu lối ra của cảm biến theo vị trí của dẫn dẫn khi vị trí dây dẫn thay đổi. Sử dụng các phương trình V1÷V4 trong phần tính toán lý thuyết làm hàm để fit các số liệu thực nghiệm. Kết quả cho thấy hàm sử dụng để fit khá chính xác với sai số fit khoảng 1.6 % cho US và cỡ 0.8 % cho IS khi dây dẫn thay đổi theo trục Oy. Kết quả đo sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra cảm biến theo dòng điện khi vị trí dây dẫn được giữ cố định cho thấy độ phân giải đo dòng trong trường hợp cấu hình US cỡ 0.01 A ở vị trí dây dẫn y = 41.5 mm. Độ nhạy của cảm biến của đối với cấu hình IS và US tại vị trí y = 1.5 mm lần lượt là 236 mV/A và 310 mV/A và dải đo của cảm biến được dự đoán vào cỡ ± 4 A, và ± 8A khi khoảng cách dây dẫn là 1.5 mm và 7.5 mm. Như vậy, khóa luận đã đưa ra được cấu hình cảm biến tối ưu dựa trên nguyên tắc mạch từ khép kín và mô phỏng, tính toán sự phụ thuộc của cảm ứng từ cũng như tín hiệu lối ra của cảm biến phụ thuộc vào vị trí của dây dẫn, kết quả này đã được kiểm chứng bằng đo đạc thực nghiệm.