Mô phỏng tính toán và thiết kế tối ưu cảm biến đo từ trường trái đất 3d hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện phục vụ đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất (KLTN k41)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

TRẦN TIẾN DŨNG

MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯU CẢM BIẾN ĐO TỪ
TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 3D HOẠT ĐỘNG DựA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN
PHỤC VỤ ĐO VÀ VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn

KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hà Nội, 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

TRẦN TIẾN DŨNG

MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯUCẢM BIẾN ĐO TỪ
TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 3D HOẠT ĐỘNG DƯA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN
PHỤC VỤ ĐO VÀ VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn

KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Người hướng dẫn khoa học
1.

2.

ThS Lê Khắc Quynh

PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang

Hà Nội - 2019


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này em luôn
nhận được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cô hướng dẫn. Nhân dịp này cho em
được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới:
PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang, cô đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều
kiện và truyền đạt nhiều kiến thức quý báu trong thời gian em làm luận văn. Những kiến
thức mà cô truyền đạt cho em chính là những kinh nghiệm quý giá cho công việc nghiên
cứu của em sau này.
Em xin chân thành cảm ơn Th.s. Lê Khắc Quynh. Thầy đã luôn giúp đỡ, hướng
dẫn và cho em những lời khuyên bổ ích khi em thực hiện công việc nghiên cứu hoàn
thành cho khóa luận này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy cô giáo, các anh chị và các em
trong Phồng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micrô-Nano, Trường Đại học Công nghệ,
Đại học Quốc gia Hà Nội, đã luôn ủng hộ, động viên, trao đổi kiến thức, kinh nghiệm và
giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.
Em cảm ơn các thầy, cô trong khoa Vật lí, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã
có những góp ý xác đáng trong quá trình hoàn thiện khóa luận của em.
Cuối cùng, cho em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ và những người thân
trong gia đình. Những người luôn bên cạnh và động viên em vượt qua những khó khăn
trong cuộc sống cũng như trong học tập.

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp này do mới tiếp xúc với
công nghệ nghiên cứu mới cũng như kinh nghiệm bản thân còn hạn chế nên không tránh
khỏi có những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của
thầy cô và các bạn để em dần hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu của báo cáo này là do cá nhân tôi thực
hiện. Các kết quả và số liệu được trình bày trong báo cáo này là hoàn toàn trung thực,
chưa từng được sử dụng hay công bố tại bất kì nơi nào khác.

Tác giả

Trần Tiến Dũng


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hình ảnh từ trường Trái Đất...............................................................................4
Hình 1.2 Cách xác định vector từ trường trái đất..............................................................6
Hình 1.3 Hình minh họa hiện tượng từ giảo.......................................................................8
Hình 1.4 Hình minh họa hiệu ứng áp điện.........................................................................9
Hình 1.5 Sơ đồ khối về khái niệm vật liệu từ - điện.........................................................10
Hình 1.6 Nguyên lí làm việc của hiệu ứng từ điệnthuận trong vật liệu tổ hợp................10
Hình 2.1 Chế độ vẽ 3D của phần mềm ANSYS Maxwell...............................................12
Hình 2.2 Vật thể 3D với lưới chia thô..............................................................................13
Hình 2.3 Vật thể 3D với lưới chia tinh.............................................................................13
Hình 2.4 Kết quả mô phỏng dưới dạng hiển thị màu.......................................................14

Hình 2.5 Kết quả mô phỏng biểu diễn qua đồ thị.............................................................14
Hình 3.1 Cấu hình thanh cảm biến 1D.............................................................................17
Hình 3.2 Hiển thị màu mật độ từ thông qua cấu hình 1D................................................18
Hình 3.3 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 1D............................18
Hình 3.4 Tọa độ điểm cực đại và cực tiểu đồ thị của cấu hình 1D..................................19
Hình 3.5 Độ lớn mật độ từ thông dọc theo các trục của cấu hình 1D..............................19
Hình 3.6 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập..................................20
Hình 3.7 Đồ thị giá trị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình2D chữ thập...........21
Hình 3.8 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập...................................21
Hình 3.9 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ T......................................22
Hình 3.10 Đồ thị giá trị B eff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ T....................22
Hình 3.11 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ T......................................23
Hình 3.12 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ L....................................23
Hình 3.13 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ L....................24


Hình 3.14 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ L......................................24
Hình 3.15 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn................25
Hình 3.16 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn.25
Hình 3.17 Tọa độ cục đại và cục tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn..................26
Hình 3.18 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập dạng tai..................26
Hình 3.19 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập dạng tai...27
Hình 3.20 Tọa độ cục đại và cục tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập dạng tai....................27
Hình 3.21 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 3D không tai...............................28
Hình 3.22 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh
trục Oz..............................................................................................................................29
Hình 3.23 Tọa độ cục đại và cục tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Oz........29
Hình 3.24 Đồ thị giá Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh trục
Ox.....................................................................................................................................30
Hình 3.25 Tọa độ cục đại và cục tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Ox........30

Hình 3.26 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 3D có tai.....................................31
Hình 3.27 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D có tai.................31
Hình 3.28 Tọa độ cục đại và cục tiểu đồ thị cấu hình 3D có tai.......................................32


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.............................................................................................3
1.1 Từ trường trái đất....................................................................................................3
1.1.1 Nguồn gốc của từ trường trái đất......................................................................3
1.1.2 Vai trồ của từ trường trái đất.............................................................................4
1.1.3 Các đặc trưng của từ trường trái đất.................................................................5
1.1.4 ứng dụng của việc đo đạc và thăm dò từ trường trái đất.................................. 7
1.2 Hiệu ứng từ - điện...................................................................................................8
1.2.1 Hiệu ứng từ giảo............................................................................................... 8
1.2.2 Hiệu ứng áp điện.............................................................................................. 9
1.2.3 Hiệu ứng từ điện...............................................................................................9
1.3 Sensor đo từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện................................................... 11
CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT.......................................................................12
2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng.......................................................................... 12
2.2 Cách sử dụng phần mềm và các cấu hình cần mô phỏng.....................................15
2.2.1 Cách sử dụng phần mềm................................................................................ 15
2.2.2 Các cấu hình cần mô phỏng........................................................................... 16
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................17
3.1 Cấu hình 1D.........................................................................................................17
3.2 Cấu hình 2D.........................................................................................................20
3.2.1 Cảm biến thanh chưa cải tiến:........................................................................ 20
3.2.2 Cảm biến thanh cải tiến..................................................................................24
3.3 Cấu hình 3D.........................................................................................................27
3.3.1 Cảm biến 3D không tai...................................................................................28

3.3.2 Cảm biến 3D có tai.........................................................................................31


KẾT LUẬN

33

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ...............................................................................34
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................35


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Cường độ và hướng của từ trường trái đất là khác nhau phụ thuộc vào vị trí địa lý.
Đây là một trong các đặc điểm quan trọng được sử dụng để định vị toàn cầu. Tuy nhiên,
do cường độ của từ trường trái đất rất yếu (-10 -4 tesla) nên cần phải có các thiết bị đo từ
trường có độ nhạy rất cao để có phát hiện và xác định được.
Trên thế giới, cảm biến từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng
dựa trên nhiều hiệu ứng vật lý khác nhau. Mỗi hiệu ứng đều có ưu và nhược điểm riêng
tùy thuộc vào mục đích và phạm vi sử dụng. Trong số các cảm biến có thể hoạt động
được trong vùng từ trường trái đất, hiện nay, hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp
đồng thời cả pha từ (có tính chất từ giảo) và pha điện (có tính chất áp điện) đang được
đặc biệt quan tâm nghiên cứu trên thế giới hiện nay. Khóa luận này sẽ tập trung mô phỏng
với mục đích tối ưu về cấu hình, thiết kế để tối ưu hóa các thông số hoạt động cảm biến
hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên nguyên
tắc đo đạc và phân tích tín hiệu điện thế lối ra từ pha áp điện khi pha từ giảo chịu tác
dụng của từ trường ngoài.
Khóa luận sẽ tập trung về mô phỏng và tính toán hoạt động cảm biến sử dụng
phần mềm mô phỏng chuyên dụng Ansys Maxwell (Canonsburg, PA, USA) để định

hướng chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện cho độ nhạy cao.
Kết quả của mô phỏng được dùng để chế tạo cảm biến đo từ trường với độ nhạy
cao và độ phân giải lớn trong vùng nanô-tesla (nT) cho phép hướng đến các ứng dụng để
đo đạc và khảo sát từ trường trái đất.
2. Mục đích nghiên cứu

Mô phỏng tính toán và thiết kế tối ưu cảm biến đo từ trường trái đất 3D hoạt động
dựa trên hiệu ứng từ - điện phục vụ đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất
3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chính của khóa luận là mô phỏng tính toán cảm biến đo từ trường trái
đất 3D hoạt động dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng phần mềm mô phỏng và chế tạo đo
đạc thử nghiệm cảm biến để kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá độ tin cậy của kết
quả nghiên cứu.
1


Các nội dung nghiên cứu bao gồm:
- Tổng quan lý thuyết về từ trường trái đất, hiệu ứng từ điện và sensor dựa trên
hiệu ứng từ-điện.
- Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell.
- Mô phỏng tính toán và tối ưu cấu hình và kích thước vật liệu chế tạo cảm biến.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Từ trường trái đất

Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh w. Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất là

một nam châm khổng lồ. Ngày nay qua đo đạc thực tế, ta thấy nhận xét trên là đúng: Trái
đất là một nam châm khổng lồ. Cường độ và hướng của từ trường Trái đất phụ thuộc vào
vị trí địa lý. Tuy nhiên vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng nguồn gốc cho từ trường Trái
đất.
1.1.1

Nguồn gốc của từ trường trái đất

Năm 1940, một số nhà vật lý đặt ra giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc
từ trường của Trái đất. Từ trường Trái đất do nhiều nguồn đóng góp, trong đó 99% do cấu
tạo bên trong lòng trái đất (các dòng kim loại lỏng đối lưu) và 1% do dòng điện của các
ion trong tầng điện ly tạo ra (liên quan đến biến thiên từ trường ngày đêm, bão từ). Từ
trường xuất hiện trong lòng trái đất do nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là sắt. Trong lõi
Trái đất có nhiệt độ rất cao, do sức nóng từ trong nhân, sắt sẽ nóng chảy tràn lên bề mặt
nhân, sau đó nguội đi và lại chìm dần xuống phía dưới. Do chuyển động tự quay quanh
mình của Trái đất nên dồng chất lỏng chảy theo đường xoắn ốc. Sự chuyển động của sắt
sẽ làm xuất hiện một nguồn điện và khi có dòng điện thì sẽ xuất hiện từ trường.
Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm. Từ
trường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của Trái đất, gọi là cực từ. Tuy
vậy nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà nghiêng một góc 11.5° so với trục
quay (xem Hình 1.1). Cực bắc từ không cố định mà thay đổi liên tục nhưng đủ chậm để
nên la bàn vẫn có thể điều hướng. Trong một thời gian ngẫu nhiên cỡ vài trăm ngàn năm
thì từ trường của Trái Đất lại đảo cực (phía bắc và phía nam thay đổi địa từ với nhau).
Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km, được gọi là từ quyển. Nó tạo
thành một cái vỏ bảo vệ xung quanh trái đất. Do mặt trời không ngừng phát ra các hạt
tích điện, hay được gọi là gió mặt trời. Từ trường trái đất có khả năng cản gió mặt trời và
dẫn nó đi vòng qua trái đất. Tuy nhiên nó bị biến dạng bởi gió mặt trời nên phần

3

hướng phía mặt trời bị nén lại, còn hướng kia thì xuất hiện một cái đuôi dài, có thể vươn
vào vũ trụ đến 250.000 km.

Hình 1.1 Hình ảnh từ trường Trái Đất
1.1.2

Vai trò của từ trường trái đất

Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại đóng vai trò vô cùng quan trọng. Nó như
một tấm màn chắn trái đất khỏi gió mặt trời và bảo vệ mọi sự sống trên hành tinh trước
các hiệu ứng có hại của tia vũ trụ. Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị
các bức xạ có hại từ vũ trụ chiếu xuống và sự sống sẽ không thể duy trì trên trái đất.
Ngoài ra, từ trường trái đất còn giúp các sinh vật trong việc xác định phương
hướng cho động vật như kiến, chim, rùa, cá mập... định hướng nhờ cảm nhận từ trường
của nhân trái đất bằng hệ thống các giác quan của mình. Vào thế kỷ 4 trước công nguyên,
con người cũng đã biết chế tạo la bàn từ nam châm vĩnh cửu để xác định phương hướng.
Cho đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã nghiên cứu
tạo ra các thiết bị định vị toàn cầu thông qua việc đo đạc và phân tích từ trường trái đất.
Bên cạnh các ứng dụng hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều hiểm họa trong thế giới
hiện đại. Ví dụ như dòng cảm ứng địa từ trường sinh ra khi có bão từ, chúng tác động
nghiêm trọng nên các hệ thống máy móc điện tử.
4


1.1.3

Các đặc trưng của từ trường trái đất

1.1.3.1 Cường độ của từ trường trái đất

Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí địa lý khác nhau. Nó
giống như một thỏi nam châm nên đường sức tại các cực sẽ mau hơn vậy nên cường độ
của từ trường Trái đất lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo. Độ lớn
của cường độ từ trường cỡ nanoteslas (nT) hoặc gauss (1 gauss = 100.000 nT). Nó dao
động trong khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss). [7]
1.1.3.2 Hướng của từ trường trái đất
Trong các nghiên cứu về từ trường Trái đất, một số thông số sau thường được đo
đạc, khai thác và sử dụng:
-

Trường từ bình thường: phần từ trường đồng nhất, được ký hiệu Ho.

-

Dị thường từ: giá trị trường từ sau khi đã thực hiện hiệu chỉnh trường từ bình thường
và biến thiên từ.

-

Từ trường tổng cộng: Từ trường tổng cộng do tất cả các nguồn đóng góp tạo ra, được
ký hiệu HT.

-

Thành phần từ trường nằm ngang: là thành phần hình chiếu của vector từ trường tổng
cộng HT trên mặt phẳng nằm ngang (horizontal), kí hiệu HH.

-

Thành phần thẳng đứng: là thành phần hình chiếu của vector từ trường tổng cộng trên

mặt phẳng thẳng đứng Oz (vertical), kí hiệu Hv.

-

Góc nghiêng từ: là góc hợp bởi vector từ trường trái đất với mặt phẳng ngang tại vị trí
quan sát. Thông thường, độ từ khuynh được xác định thông qua việc sử dụng kim nam
châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ. Do lực của các đường sức trên
Trái Đất không song song với bề mặt đất nên đầu bắc của kim la bàn sẽ chúi xuống ở
bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên ở nam bán cầu (giá trị âm). Người ta gọi là
độ từ khuynh hay độ nghiêng từ (magnetic dip or magnetic inclination).

-

Góc lệch từ: là góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý. Kinh tuyến từ là các
đường sức từ của trái đất vẽ trên mặt đất gọi là độ từ thiên hay độ lệch từ (magnetic
declination).

5


1.1.3.3 Cách xác định từ trường trái đẩt
Tuy công nghệ phát triển và đã có các hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hiện đại
như hiện nay thì mô hình trường địa từ vẫn đóng một vai trò quan trọng, nó được xây
dựng thành một hệ thống định vị GPS như là một phương án dự phòng. Mô hình trường
địa từ cũng rất quan trọng trong thăm dò khoáng sàn và lập bàn đồ của các đứt gãy trong
lòng đất có thể dẫn đến động đất nguy hiểm [4].
Tại bất kỳ vị trí nào, từ trường trái đất cũng có thể được biểu diễn bởi một vector 3
thành phần trong không gian 3 chiều (Hx, Hy, Hz). Trên Hình 1.2 là tọa độ tham chiếu cho
phép xác định hướng của từ trường trái đất. Trong đó, trục X hướng về phía Bắc từ, trục
Y hướng về phía Đông và trục z hướng vào tâm trái đất. Đây là hệ tọa độ tham chiếu

chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center).

Hình 1.2 Cách xác định vector từ trường trái đẩt
Trong đó Hx, Hy nằm trong mặt phang nằm ngang và Hz theo phương thẳng đứng
hướng xuống. Góc giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc từ (là hướng chỉ
phương bắc của kim la bàn) hay góc tạo thành giữa kinh tuyến địa lí (phương bắc nam) và
kinh tuyến từ tại điểm đã cho trên mặt đất chính là độ từ thiên D trong trường hợp này.
Giá trị này sẽ dương khi bắc từ nằm về phía đông của bắc địa lý và ngược lại.

6


Độ từ khuynh I là góc nghiêng tạo thành bởi vector từ trường Trái Đất với mặt
phẳng nằm ngang tại điểm khảo sát. Tại cực Bắc và Nam, độ từ khuynh có giá trị tương
ứng là +90° và -90°.
1.1.4 ứng dụng của việc đo đạc và thăm dò từ trường trái đất.

Việc đo đạc và thăm dò và định vị từ trường trái đất được ứng dụng trong rất nhiều
lĩnh vực như sau:
- Thăm dò khoáng sản
Sự có mặt của vật chất có từ tính như quặng sắt (magnetite) trong đất đá, gây ra sự
thay đổi của từ trường tại vị trí đó. Nếu đo đạc và tính toán sẽ đo ra dị thường từ đặc
trưng cho khối quặng đó. Mức độ xáo trộn này phụ thuộc vào vị trí và kích thước vật thể
từ tính.
- Thăm dò nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt)
Những lớp trầm tích ở trên nguồn dầu thô sẽ làm thay đổi từ trường của Trái đất.
Bằng cách sử dụng các thiết bị khảo sát từ trường, thiết bị thăm dò không người lái có
tích hợp cảm biến có thể đi qua vùng biển nào đó và định vị chính xác những vùng từ
trường bất thường. Từ đó tìm ra những vị trí của nguồn dầu phía dưới.
- Cảnh báo thiên tai động đất, sóng thần, sạt lở ở các vùng có nguy cơ xảy ra

thiên tai
Thông qua đo đạc và theo dõi tính dị thường từ trường trái đất theo thời gian tại
một địa phương nào đó, dữ liệu giúp ta có thể phán đoán được nguy cơ xảy ra biến động
hoặc thiên tai sắp xảy ra. Đối với các phương pháp khác, thời gian phát hiện dấu hiệu có
động đất thường rất ngắn (dưới 1 giờ), tuy nhiên khi sử dụng phương pháp từ trường có
thể cảnh báo trước từ 5-8 giờ.
-ửng dụng trong quân sự để dò tìm và phát hiện tầu ngầm, bom mìn, đạn dược,
thủy lôi và các vật thể có tính từ dưới biển:
Từ trong chiến tranh thế giới thứ 2 người ta đã sử dụng các thiết bị đo từ tính để
phát hiện dị thường tại phổ từ trường đã biết trong không gian, từ đó xác định vị trí tàu
ngầm và các vật có tính sắt từ nằm ở dưới đáy biển thông qua lập bản đồ trường địa từ
trong vùng khảo sát. Hiện nay, dò tìm bằng phương pháp đo từ trường trái đất để xử lý

7


bom mìn, đạn dược, thuỷ lôi và chưa nổ dưới biển hiện đang được sử dụng phổ biến. Khi
có một vật thể có thể nhiễm từ nằm trong vùng từ trường của trái đất thì từ trường của trái
đất sẽ làm cho vật thể bị nhiễm từ, dẫn đến làm biến dạng cục bộ từ trường của trái đất tại
điểm đó. Sau đó sử dụng thiết bị từ kế sẽ ghi lại được vị trí. Độ biến dạng của từ trường
phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng, kích thước, độ sâu, độ từ thẩm hay khả năng
nhiễm từ của vật, độ nghiêng từ tại vị trí. Đây là một ứng dụng phục vụ cho quân đội để
bảo vệ chủ quyền biển đào.
Ngoài ra, cảm biến từ trường còn vô vàn các ứng dụng liên quan khác như cung
cấp các thông tin có giá trị trong việc định vị đường ống chôn, cáp điện, khảo cổ, thăm dò
địa nhiệt,...
1.2 Hiệu ứng từ - điện

Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện.
1.2.1

Hiệu ứng từ giảo

Hiệu ứng từ giảo là hiện tượng mà hình dạng và kích thước của vật liệu bị thay đổi
khi có từ trường ngoài tác dụng vào. Bản chất của hiện tượng từ giảo là do sự định hướng
của các mômen từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo chỉ xảy ra khi
đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu và có tương tác spin - quỹ đạo mạnh. Khi
đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu thì tương tác tĩnh điện trở thành bất đẳng
hướng. Dưới tác động của từ trường ngoài, momen từ bị thay đổi hướng làm cho khoảng
cách giữa các nguyên tử bị thay đổi (Hình 1.3).

Hình 1.3 Hình minh họa hiện tượng từ giảo
8


Trường hợp này ta có thể quan sát được hiện tượng từ giảo nhưng mức độ khác
nhau phụ thuộc vào tương tác spin - quỹ đạo. Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu
(momen quỹ đạo bằng 0) thì tương tác tĩnh điện là đẳng hướng. Dưới tác dụng của từ
trường ngoài, momen từ bị thay đổi hướng nhưng không kéo theo sự thay đổi khoảng
cách giữa các nguyên tử và do đó biến dạng từ giảo nhỏ.
1.2.2

Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện xảy ra trên một số loại vật liệu điện môi dạng gốm có độ phân
cực điện tự phát, hiệu ứng xuất hiện khi vật liệu áp điện bị biến dạng cơ học (do ngoại lực
tác dụng hay tác dụng của điện trường ngoài) dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa các
ion dẫn đến các momen lưỡng cực và độ phân cực điện trong tinh thể bị thay đổi và làm
xuất hiện một điện trường thứ cấp trong vật liệu (Hình 1.4).

ứng suất nén

Vặt liệu áp điện

Hình 1.4 Hình minh họa hiệu ứng áp điện
1.2.3

Hiệu ứng từ điện

Hiệu ứng từ-điện được chia thành hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric
effect) và hiệu ứng từ điện nghịch (converse magnetoelectric effect), trong đó hiệu ứng
thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (AP) khi đặt trong từ trường ngoài
(//), và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (AM)
khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (£) [3]. Hiệu ứng này thường được quan sát thấy
trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện gọi là multiíerroic.

9


Vật liệu tổ hợp là vật liệu được ghép từ các lớp vật liệu. Khi hoạt động, dưới tác
dụng của từ trường ngoài, do có hiệu ứng từ giảo nên pha sắt từ bị biến dạng thay đổi
kích thước sinh ra một ứng suất tác dụng lên pha áp điện. Sau đó do hiệu ứng áp điện nên
độ phân cực điện bên trong vật liệu này thay đổi [2] làm hai mặt đối diện của vật liệu
xuất hiện các điện tích trái dấu, qua đó ta đo được điện áp lối ra.

Hình 1.5 Sơ đồ khối về khái niệm vật liệu từ - điện

Hình 1.6 Nguyên lí làm việc của hiệu ứng từ điện thuận trong vật liệu tổ hợp Hiệu
ứng từ - điện đặc trưng bởi hệ số từ - điện:
dE _ 1 dVE

dH t dH

10


Chú thích:
VE: Thế hiệu từ điện (mV)
H: Biên độ từ trường ngoài (Oe)
t: Bề dày tấm PZT (cm)
1.3 Sensor đo từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện

Năm 2002, Ryu cùng các cộng sự công bố kết quả hệ số từ điện đạt được
10300mV/cm.Oe sử dụng vật liệu tổ hợp dạng tấm Terfenol-D /PZT bằng phương pháp
kết dính. Tuy nhiên, để có kết quả như vậy thì cần phải có một từ trường ngoài rất lớn
ịỉoH ~ 500 mT tác dụng. Chỉ có nam châm điện hoạt động với nguồn cao áp mới tạo ra
được từ trường này nên khả năng ứng dụng được vật liệu này trong hệ vi cơ là rất hạn
chế. Điều này có thể được lý giải là do để bão hòa được pha từ giảo từ giảo Terfenol-D
cần phải có một từ trường rất lớn. Để khắc phục hạn chế này, nhóm Junyi Zhai và các
đồng nghiệp [5, 6] đã công bố kết quả nghiên cứu một loại sensor đo từ trường trái đất
dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm. Sensor này có thể xác
định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ưu điểm là chúng hoạt động
không cần từ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10
mA, có độ phân giải từ trường cao 10'9 Tesla và độ phân giải góc 10'5 độ. Hơn thế nữa,
cảm biến loại này cồn có nhiều thế mạnh không thể tìm thấy trên các loại cảm biến thông
thường như có thể phát hiện cả từ trường một chiều và xoay chiều với dải tần số lên đến
MHz.
Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu đứng đầu là GS Nguyễn Hữu Đức, Phòng Thí
nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micrô-Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc
gia Hà Nội, đã nghiên cứu phát triển sensor từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện dạng
tấm Metglas/PZT cấu trúc dạng sandwich (Metglas/PZT/Metglas) cho hệ số thế từ-điện

cực đại đạt OLE = 131 V/cm.Oe [P.A.Đức] [1].
Từ các kết quả đã đạt được bằng thực nghiệm, chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu
bằng phương pháp mô phỏng, tính toán với mục đích tìm ra cấu hình tối ưu, sau đó chế
tạo cảm biến từ - điện sao cho hệ số từ điện và độ nhạy của sensor lớn nhất. Khóa luận
trình bày quy trình mô phỏng để tối ưu hóa hình dạng cảm biến, phục vụ cho quy trình
chế tạo thực tế cảm biến đo từ trường thấp.

11


CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỗng

Phần mềm mô phỏng ANSYS Maxwell 16.0 là phần mềm mô phỏng điện từ
trường dành cho người nghiên cứu chế tạo các thiết bị điện từ và cơ điện như động cơ,
cuộn dây hay cảm biến. Phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết
tĩnh, miền tần số và các lĩnh vực liên quan đến trường điện từ khác nhau. Ưu điểm của
phần mềm này khả năng giải quyết tự động, tức là chỉ cần nhập dữ liệu về cấu hình cần
mô phỏng, thông số vật liệu và các điều kiện liên quan, phần mềm ANSYS Maxwell sẽ
tạo ra các lưới tự động để giải ra kết quà hoạt động của vật mô phỏng.
Sau khi đã có ý tưởng về hình dạng, thông số cảm biến, ta sử dụng thanh công cụ
để thiết kế các cấu hình cần mô phỏng. Khi gặp những những cấu hình và chi tiết phức
tạp thì phần mềm cho phép liên kết tích hợp với những phần mềm chuyên để vẽ thiết kế
đồ họa khác. ANSYS Maxwell cho phép mô phỏng 3D trực quan thông qua việc khai báo
các điều kiện như kích thước, vật liệu cấu thành, môi trường làm việc, từ trường đồng
nhất hay không đồng nhất và chiều của dòng điện trong dây dẫn trên một hệ trục tọa độ
không gian (Hình 2.1). Trong thư viện vật liệu của phần mềm có khá đầy đủ các vật liệu
từ điển hình, ngoài ra chúng ta cũng có thể tự khai báo thành phần, thông số của các vật
liệu mà ta sử dụng trong chế độ tùy chỉnh.

Hình 2.1 Chế độ vẽ 3D của phần mềm AN SYS Maxwell

12


Để có được kết quả tiệm cận với thực tế thì chúng ta có thể chỉnh sửa vào phần
lưới chia tự động. Khi can thiệp chỉnh sửa cho lưới chia dày thì số bước quét sẽ nhỏ hơn
nên kết quả thu được sẽ chi tiết và chính xác, đồ thị kết quà sẽ ‘mịn’ hơn, tuy nhiên do
bước quét chi tiết nên có thể mất nhiều thời gian để chạy.
I □ fi»a 8 • > £ di]' '• I 3;" 8 |a«8B ÍT 8 |ncss« •*« e - 'â-- 1»
[ T w 16 0 e A o fl> ■■ !
• - ”73 í® 3 I
I I í I 1•? • l> 3 [5=
la B £

• ị •’ 1 1 <: I ■ c»đ
3 I e I -V»-V

Hình 2.2 Vật thể 3D với lưới chia thồ
Ở phần điều chỉnh này phụ thuộc vào cấu hình máy tính chạy mô phỏng mà chúng
ta sẽ tùy chỉnh lưới chia cho phù hợp. Do đó, để rút ngắn thời gian thực hiện, người ta
thường sử dụng lưới chia thô với những mô phỏng thử nghiệm ban đầu để kiểm tra hiệu
ứng tổng quan của cấu hình cảm biến, sau đó sẽ điều chỉnh sử dụng lưới chia dày hơn để
thu kết quả độ chi tiết với chính xác cao.

Hình 2.3 Vật thể 3D với lưới chia tinh
13


Sau khi chạy mô phỏng xong, ta sẽ cho kết quà mô phỏng hiển thị duới dạng đồ

họa và dạng đồ thị phụ thuộc theo yêu cầu sử dụng. Kết quà mô phỏng ở dạng hình vẽ
màu sắc giúp chúng ta có cái nhìn trục quan về ảnh huởng của từ truờng lên cảm biến.

Hình 2.4 Kết quả mồ phỏng dưới dạng hiển thị màu
Kết quả bằng đồ thị sẽ giúp chúng ta kết luận chính xác số liệu cấu hình cảm biến
nào hiệu quả hơn cảm biến nào, qua đó giúp ta kết luận nên chế tạo cảm biến cấu hình
nào, giúp tiết kiệm thời gian và vật liệu chế tạo mà vẫn đạt hiệu quả cảm biến cao nhất.

Hình 2.5 Kết quả mô phỏng biểu diễn qua đồ thị

14


2.2

Cách sử dụng phần mềm và các cấu hình cần mô phỗng
2.2.1

Cách sử dụng phần mềm

Bước 1 : Bật phần mềm, chọn chế độ vẽ 3D bằng cách nhấn vào biểu tượng sau

Bước 2 : Vẽ cấu hình vật thể dựa vào các công cụ vẽ có sẵn trong thanh Draw, sau
đó ta có thể tùy chỉnh vị trí vật trong không gian cũng như kích thước vật trong
Properties.
Bước 3 : Chọn chất liệu vật thể bằng cách chuột phải vật thể rồi chọn Assign
material, sẽ có 1 library vật liệu hiện ra, ta có thể chọn vật liệu tại đây, ngoài ra nếu vật
liệu của ta là mới, ta có thể nhập thông số vật liệu mới vào library.
Bước 4 : Tạo vùng không gian cho vật liệu, vùng không gian này sẽ là vùng các
Ẵ Ẩl/S

X♦y1

X /X Ẩ X 1 • Â

0

4-« Ằ

yêu tô bên ngoài tác dụng vào vật, ân vào biêu tượng sau , sau đó điêu chỉnh kích thước
của vùng không gian điều kiện. Trong khóa luận này là mô phỏng từ trường đều và là từ
trường trái đất theo phương nằm ngang (song song mặt đất) nên sẽ có 4 mặt sẽ song song
với từ trường, 2 mặt còn lại của hộp không gian sẽ vuông góc từ trường, cài đặt điều kiện
trong Assign boundary.
Bước 5 : Điều chỉnh kích thước lưới chia sao cho phù hợp trong Mesh Operations.
Bước 6 : Cài đặt bước quét và sai số bước quét trong Analysis Setup.
Bước 7 : Cài đặt chuyển động cho vật thể trong optimetrics, vật có thể chuyển
động tịnh tiến hoặc quay trong vùng không gian điều kiện đã tạo.
Bước 8 : Kiểm tra điều kiện chạy mô phỏng bằng cách ấn vào , sau đó chạy mô
phỏng bằng cách ấn 0 .
Bước 9 : Sau khi máy đã chạy xong kết quả mô phỏng (thông tin chạy ở khung
Message manager), ta tiến hành xuất kết quả mô phỏng dưới dạng hình ảnh bằng cách
chọn vào vật, bấm chuột phải chọn Fields rồi chọn thông tin cần hiển thị và xuất ra bề
mặt vật thể (trong khóa luận này là Mag B).
Bước 10 : Xuất thông tin dưới dạng đồ thị trong mục Results.

15


2.2.2

Các cấu hình cần mô phỗng

Trong khóa luận này chúng ta chọn vật liệu có sẵn trong library là mu metal. Nó là
vật liệu hợp kim Ni-Fe, là vật liệu sắt từ mềm với độ từ thẩm cao, thích hợp để làm mẫu
cho mô phỏng.
•

Cấu hình 1D:

Ta tiến hành khảo sát với mẫu vật liệu có kích thước 1x15x0.02 mm (gọi là thanh
cảm biến) đặt trong từ trường ngoài (từ trường Trái đất) cỡ 32 A/m, cảm biến mô phỏng
động xoay tròn với bước quay 15° trong mặt phẳng từ trường.
•

Cấu hình 2D:
Cấu hình này là cấu hình các thanh cảm biến bố trí tạo thành 1 mặt phẳng song

song với từ trường ngoài, xoay tròn với bước quay 15° trong mặt phẳng từ trường:
Bố trí dấu thập
Bố trí chữ T
Bố trí chữ L
Bố trí dấu thập có 4 đầu nhọn ở đầu 2 thanh cảm biến
Bố trí dấu thập có 4 tai ở đầu 2 thanh cảm biến
•

Cấu hình 3D:
Cấu hình này là cấu hình các thanh cảm biến bố trí trong không gian 3 chiều có 1

mặt phẳng song song với từ trường ngoài và xoay tròn với bước quay 15° trong mặt

phẳng từ trường:
- Bố trí dọc theo trục tọa độ Decac
Bố trí theo trục tọa độ Decac có 6 tai ở đầu 3 thanh cảm biến

16