Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN QUANG PHÚ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
HỆ ĐO TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TSKH. THÂN ĐỨC HIỀN

Hà Nội – 2011


Lời cảm ơn
Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH. Thân Đức Hiền
đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em hoàn thành luận văn này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS.TS. Nguyễn Phúc Dương đã quan tâm
góp ý, nhiệt tình hướng dẫn và dạy bảo trong thời gian em thực hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới NCS. Lương Ngọc Anh, NCS. Trần Thị Việt
Nga đã tận tình giúp đỡ về kỹ thuật và chun mơn trong q trình em thực hiện
luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới anh Nguyễn Minh Hồng đã tận tình giúp đỡ
về kỹ thuật trong quá trình em thực hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lịng biết ơn tới các Thầy, Cơ, các anh chị công tác tại Viện

ITIMS và các bạn học viên khóa ITIMS – 2009 đã chia sẻ, động viên và giúp đỡ
trong thời gian em tham gia khóa học.
Hưng Yên, ngày 24 tháng 10 năm 2011
Học viên

Trần Quang Phú

i
 


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
Lời cảm ơn.................................................................................................................... i
MỤC LỤC................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................. vi
Chương 1..................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN ............................................................................................................. 1
1.1. Mở đầu ..............................................................................................................1
1.2. Các thông số từ quan trọng [3] .........................................................................2
1.2.1. Momen từ ...................................................................................................2
1.2.2. Cảm ứng từ .................................................................................................2
1.2.3. Cường độ từ trường ....................................................................................2
1.2.4. Độ từ thẩm..................................................................................................3
1.2.5. Độ cảm từ hay hệ số từ hóa........................................................................3
1.2.6. Từ độ ..........................................................................................................4
1.2.7. Lực kháng từ...............................................................................................4
1.2.8. Đường cong từ hóa .....................................................................................5
1.2.10. Nhiệt độ Curie ..........................................................................................7

1.3. Các vật liệu từ ứng dụng [1] ............................................................................7
1.3.1. Vật liệu từ cứng ..........................................................................................7
1.3.2. Vật liệu từ mềm ..........................................................................................7
1.3.3. Vật liệu ghi từ.............................................................................................8
1.3.4. Các loại vật liệu từ ứng dụng khác.............................................................8
1.4. Các phương pháp cảm ứng (induction methods) [2] ........................................8
1.4.1. Phương pháp cuộn đo tĩnh..........................................................................9
1.4.2. Phương pháp cuộn dây dịch chuyển....................................................10
1.4.3. Phương pháp cuộn dây quay ................................................................11
1.4.4. Phương pháp cuộn dây rung.................................................................12
ii
 


1.4.5. Từ kế fluxgate ........................................................................................14
1.4.6. Phép đo hệ số từ hoá động χac .................................................................17
1.4.7. Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer-VSM).................18
1.4.7.1. Nguyên lý làm việc. ........................................................................18
1.4.7.2. Cấu tạo một VSM ...........................................................................19
1.4.7.3. Hệ cuộn cảm ứng ............................................................................20
1.4.7.4. Khuếch đại lọc lựa (lock-in amplifier) .........................................21
1.4.7.5. Nhiễu nền và tỉ số tín hiệu trên nhiễu ...........................................22
1.4.8. Từ kế mẫu dịch chuyển (từ kế tích phân) ...........................................24
Chương 2................................................................................................................... 28
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO ...................................................................... 28
2.1. Sơ đồ cấu tạo của từ kế mẫu dịch chuyển.......................................................28
2.2. Khảo sát các thiết bị........................................................................................30
2.2.1. Nam châm điện.........................................................................................30
2.2.2. Nguồn nuôi cho nam châm điện...............................................................32
2.3. Thiết kế, chế tạo các phần tử của hệ đo..........................................................38

2.3.1. Thiết kế, chế tạo cuộn dây cảm ứng.........................................................38
2.3.1.1. Trường hợp sử dụng một cặp cuộn. ...................................................38
2.3.1.2. Trường hợp sử dụng hai cặp cuộn. ....................................................39
2.2.2. Giá đặt mẫu và dịch chuyển mẫu .............................................................42
2.2.3. Bộ phận tạo và đo nhiệt độ.......................................................................44
2.2.4. Đo điện áp cảm ứng và xử lý kết quả đo..................................................47
Chương 3................................................................................................................... 53
KẾT QUẢ ĐO........................................................................................................... 53
3.1. Chuẩn hệ đo ....................................................................................................53
3.2. Xây dựng đường cong từ trễ ...........................................................................59
3.2.1. Cách xây dựng đường cong từ trễ ............................................................59
3.2.2. Đường cong từ trễ của mẫu Ni .................................................................60
3.2.3. Đường cong từ trễ của một số mẫu vật liệu từ khác ................................61
iii
 


3.3. Xây dựng đường từ nhiệt ................................................................................64
3.3.1. Cách xây dựng đường từ nhiệt .................................................................64
3.3.2. Đường từ nhiệt của mẫu Ni ......................................................................64
3.3.3. Đường từ nhiệt của một số mẫu vật liệu từ khác .....................................65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 69
PHỤ LỤC.................................................................................................................. 70

iv
 


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Quan hệ giữa cường độ từ trường H (Gauss) với bán kính cực từ R(mm)
(ví dụ cho trường hợp điện áp I = 1,56 A và I = 3,40 A)..........................................34
Bảng 2.2. Quan hệ H = f(U)......................................................................................37
Bảng 2.3. Dữ liệu thu được dưới dạng bảng số quan hệ điện áp – thời gian...........48
Bảng 2.4. Bảng các thơng số của đường cong hình 2.29 ..........................................51
Bảng 3.1.a. Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có
trọng lượng 0,0602 g .................................................................................................54
Bảng 3.1.b. Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có
trọng lượng 0,1214 g .................................................................................................54
Bảng 3.1.c. Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có
trọng lượng 0,1558 g .................................................................................................55
Bảng 3.1.d. Quan hệ giữa điện áp cảm ứng U và từ trường H đối với mẫu Ni có
trọng lượng 0,2352 g .................................................................................................55
Bảng 3.2. Điện áp trung bình ứng với các mẫu ở từ trường bão hịa........................56
Bảng 3.3. Momen từ của các mẫu khảo sát...............................................................56
Bảng 3.4. Quy đổi điện áp đo được thành momen từ của các mẫu ..........................56
Bảng 3.5: So sánh thông số thu được từ đường từ trễ của mẫu Ni giữa kết quả đã
được công nhận với kết quả đo bằng hệ đo xây dựng được......................................61
Phụ lục 1. Kết quả khảo sát từ trường tại các vị trí trên mặt cực từ ứng với các giá
trị dòng điện (điện áp) khác nhau..............................................................................70
Phụ lục 2: Quan hệ giữa từ trường H với điện áp cảm ứng U và momen từ M sau
khi đã nhân với hệ số máy của các mẫu Ni có trọng lượng khác nhau.....................73

v
 


 

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Xác định momen từ trên một dịng điện kín ...............................................2
Hình 1.2. Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch
từ..................................................................................................................................6
Hình 1.3. Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ, vật liệu từ cứng và vật liệu từ
mềm, và các thông số của vật liệu được xác định trên đường cong từ trễ..................6
Hình 1.4. Cấu hình một cuộn đo tĩnh..........................................................................9
Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo của hệ đo cuộn dây rung. ..............................................12
Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo của một sensor fluxgate. Thế tín hiệu từ cuộn thứ cấp
được xử lý qua khuếch đại lọc lựa, tương tự như đối với các trường hợp tín
hiệu xoay chiều khác. .............................................................................................14
Hình 1.7. Sự từ hóa các lõi theo thời gian và tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp
khi khơng có từ trường và có từ trường................................................................16
Hình 1.8. (a) Ảnh một từ kế lõi xuyến điển hình. (b) Ảnh một từ kế lõi xuyến
nổi trên mặt chất lỏng, chế tạo bởi hãng Autonnic (theo tài liệu của hãng
Autonnic Research Ltd,UK) ..................................................................................16
Hình 1.9. Giản đồ về mối liên hệ giữa từ trường xoay chiều, từ độ của mẫu và các
thành phần của hệ số từ hóa động. ............................................................................18
Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo của từ kế VSM .............................................................19
Hình 1.11. (a) Hệ cuộn cảm ứng bao gồm bốn cuộn dây giống nhau được mắc thành
cặp xung đối. (b) Mặt cắt của hệ các cuộn dây cho thấy kích thước và cấu hình tối
ưu...............................................................................................................................21
Hình 1.12. Sơ đồ khối của một khuếch đại lọc lựa (lock-in amplifier) ....................22
Hình 1.13. Hình ảnh một VSM hiện đại...............................................................24
Hình 1.14. Hệ cuộn cảm ứng. ................................................................................25
Hình 1.15. Sơ đồ cấu tạo của từ kế tích phân. .....................................................26
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ đo từ mẫu dịch chuyển ..................................................29
Hình 2.2. Hình ảnh nam châm điện được đặt trên giá đỡ .........................................30

vi
 

Hình 2.3. Cấu tạo nam châm điện .............................................................................31
Hình 2.4. Kích thước cực từ và không gian giữa hai cực từ .....................................31
Hình 2.5. Đường nước làm mát cho nam châm điện ................................................31
Hình 2.6. Bốn bộ nguồn một chiều mắc nối tiếp ......................................................32
Hình 2.8. Đồ thị quan hệ giữa cường độ từ trường với bán kính mặt cực từ............36
Hình 2.9. Đường quan hệ điện áp đặt vào cuộn dây nam châm và từ trường cực từ
trong vùng đồng nhất ................................................................................................37
Hình 2.10. Cấu tạo và kích thước bộ quấn cuộn cảm ứng (trường hợp một cặp cuộn,
đơn vị mm) ................................................................................................................38
Hình 2.11. Hai cuộn dây được gắn lên hai mặt cực của nam châm..........................39
Hình 2.12. Hai cuộn dây được mắc xung đối ...........................................................39
Hình 2.13. Kích thước hợp lý của hai cuộn dây đặt trên một mặt cực từ .................40
Hình 2.14. Hình dạng và kích thước khn quấn bốn cuộn dây...............................40
Hình 2.15. Hai cặp cuộn được gắn trên hai mặt cực từ.............................................41
Hình 2.16. Hai cặp cuộn dây được mắc xung đối .....................................................41
Hình 2.17. Mẫu được đặt dưới đáy của ống thạnh anh, cũng chính là cần dịch
chuyển mẫu ...............................................................................................................42
Hình 2.18. Đầu trên của cần dịch chuyển mẫu đưa qua bộ phận dẫn hướng và nối
với một xi lanh ..........................................................................................................42
Hình 2.19. Sơ đồ điều khiển xi lanh dịch chuyển mẫu .............................................43
Hình 2.20. Cấu tạo bộ phận tạo nhiệt độ cao ............................................................45
Hình 2.21. Hình ảnh bộ phận tạo nhiệt độ cao..........................................................45
Hình 2.22. Đường hút chân khơng ở bộ phận tạo nhiệt ............................................46
Hình 2.23. Bộ điều khiển nhiệt độ E5CZ.................................................................46
Hình 2.24. Sơ đồ kết nối bộ điều khiển nhiệt độ......................................................47
Hình 2.25. Mini voltmeter đo điện áp cuộn cảm ứng ..............................................48
Hình 2.26. Tín hiệu thu được dưới dạng xung.........................................................49
Hình 2.27. Dạng tín hiệu điện áp đo được vẽ lại bằng phần mềm Origin ................49

vii
 


Hình 2.28. Dùng phần mềm Origin vẽ lại các xung (a) và sau đó làm khớp theo hàm
Gauss (b) ...................................................................................................................50
Hình 2.29. Dạng đường cong và các thơng số ..........................................................50
Hình 2.30. Ví dụ tính tích phân đường cong trên hình 2.29 theo phương trình (2.2)
với các thơng số của một xung điện áp, kết quả tích phân đúng bằng A..................51
Hình 3.1. Đường quan hệ M = f(H) với 4 mẫu Ni có trọng lượng khác nhau ..........57
Hình 3.2. Đường quan hệ M = f(H) với 5 mẫu Ni có trọng lượng khác nhau ..........58
Hình 3.3. Trình tự xây dựng đường từ trễ.................................................................59
Hình 3.4. Đường từ trễ của mẫu Ni (0,2352g)..........................................................60
Hình 3.5. Phóng to đoạn quanh gốc tọa độ hình 3.4 .................................................61
Hình 3.6. Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,9Zn0,1Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h)
có Ir = 2,36 (emu/g), Hc = 109 (gauss) ......................................................................62
Hình 3.7: Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,7Zn0,3Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h)
có Ir = 2,39 (emu/g), Hc = 117 (gauss) ......................................................................62
Hình 3.8: Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h)
có Ir = 2,93 (emu/g), Hc = 122 (gauss) ......................................................................63
Hình 3.9: Đường từ trễ của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 7000C trong 24h)
có Ir = 3,51 (emu/g), Hc = 159 (gauss) ......................................................................63
Hình 3.10. Đường từ nhiệt của mẫu Ni (0.2352g), Tc = 638 K ................................65
Hình 3.11. Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,9Zn0,1Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h),
Tc =858 K ..................................................................................................................66
Hình 3.12. Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,7Zn0,3Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h),
Tc =843 K ..................................................................................................................66
Hình 3.13. Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 6000C trong 2h),
Tc =828 K ..................................................................................................................67

Hình 3.14. Đường từ nhiệt của mẫu spinel Ni0,5Zn0,5Fe2O4 (ủ ở 7000C trong 24h),
Tc =843 K ..................................................................................................................67

viii
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Mở đầu
Từ học và vật liệu từ là các ngành khoa học đang có ý nghĩa hết sức to lớn
trong công nghiệp và trong đời sống. Trong công nghiệp, vật liệu từ được sử dụng
hết sức rộng rãi. Ví dụ như: trong các loại máy điện (máy phát, động cơ, máy biến
áp), vật liệu từ được dùng để chế tạo mạch từ và là một bộ phận quan trọng trong
kết cấu của chúng để tạo nên từ trường; trong kỹ thuật đo cơ điện, vật liệu từ cũng
được dùng làm mạch từ của cơ cấu đo; trong lĩnh vực lưu trữ thông tin, các ổ cứng,
đĩa từ ngày càng trở nên quan trọng; trong y học ngày nay, người ta sử dụng các hạt
nano từ để chuẩn đoán và điều trị bệnh, … Trong cuộc sống, vật liệu từ cũng được
sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị như loa đài, chng điện, ….
Chính vì những ứng dụng rộng rãi và quan trọng đó, nên hàng năm, trong
nước cũng như trên thế giới diễn ra rất nhiều hội nghị khoa học về lĩnh vực này.
Trong các Viện nghiên cứu về vật liệu vẫn không ngừng nghiên cứu, tổng hợp ra
các các vật liệu từ có những tính chất phù hợp nhằm tạo ra những ứng dụng mới
cũng như cải thiện những ứng dụng đã có. Ví dụ như: giảm kích thước của mạch từ
máy điện nhưng vẫn giữ được công suất như cũ, hay tăng cơng suất của loa đài
nhưng lại giảm được kích thước của mạch từ.
Cùng với phát triển vật liệu từ, một lĩnh vực cũng rất quan trọng là phát triển
kỹ thuật đo để xác định các thơng số cũng như tính chất từ của vật liệu tạo ra. Trên

thực tế, để đo các thông số từ (đo từ trường và đo momen từ) vẫn dựa trên một
nguyên tắc đo là nguyên tắc cảm ứng điện từ hay sau này gọi là phương pháp đo
cảm ứng. Tuy vậy, việc đo các thông số từ là khá phức tạp và về cơ bản nó khơng
giống với phương pháp đo các thơng số điện (điện áp, dịng điện) mặc dù chúng có
cùng ngun tắc. Trước khi nghiên cứu về các phép đo từ, ta sẽ tìm hiểu khái niệm
một số thơng số từ và ứng dụng của vật liệu từ.

1
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng

1.2. Các thông số từ quan trọng [3]
1.2.1. Momen từ
Mômen từ, hay mômen lưỡng cực
từ (magnetic dipole moment) là đại
lượng vật lý, đặc trưng cho độ mạnh yếu
của nguồn từ. Trong trường hợp đơn
giản là một dịng điện kín (hình 1.1),
mơmen lưỡng cực từ được định nghĩa

Hình 1.1. Xác định momen từ trên một dịng

bởi:

điện kín

M = j ∫ da

(1.1)

với a là véctơ diện tích (có độ lớn là diện tích, chiều là véctơ pháp tuyến của mặt đó,
xác định từ quy tắc bàn tay phải), j là cường độ dòng điện.
1.2.2. Cảm ứng từ
Cảm ứng từ (magnetic induction) là một đại lượng vector, thường được ký
hiệu bằng chữ B, đặc trưng cho khả năng tương tác lực của từ trường lên điện tích
chuyển động.
Trong hệ CGS (centimet, gam, giây) B được đo bằng Gauss (G):
B = H + 4πI
(1.2)
Trong hệ SI (mét, kilogram, giây), B được đo bằng Tesla (T)
B = µ0(H + I)

(1.3)

với µ 0 là độ từ thẩm chân khơng:
µ 0 = 4π .10 − 7 (H/m hay Wb/A.m);

(1.4)

H là cường độ từ trường (A/m); I là từ độ hay độ từ hóa (emu/cm3 hoặc emu/g).
1.2.3. Cường độ từ trường
Cường độ từ trường là đại lượng véctơ, được ký hiệu bằng chữ H, cùng phương với
B trong chân khơng (trong hệ đo lường SI):

H = B/µ0 

 

 

 

2
 

 

(1.5)


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Trong mơi trường vật chất có độ từ hóa I, véc tơ H được xây dựng để đóng
vai trị tương tự như cường độ điện trường E của điện trường trong các phương trình
Maxwell, thơng qua mối liên liên hệ với cảm ứng từ B, và độ từ hóa I (biểu thức
(1.2); (1.3)).
1.2.4. Độ từ thẩm
Độ từ thẩm (Magnetic permeability) được ký hiệu là µ là một đại lượng vật
lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay nói lên khả năng
phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Khái niệm từ thẩm thường
mang tính chất kỹ thuật của vật liệu, nói lên quan hệ giữa cảm ứng từ và từ trường
ngoài. Độ từ thẩm thực chất chỉ đáng kể ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ và feri từ).
1.2.5. Độ cảm từ hay hệ số từ hóa
Độ cảm từ là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu, hay
nói lên khả năng phản ứng của chất dưới tác dụng của từ trường ngồi. Độ cảm từ
cịn có tên gọi khác là hệ số từ hóa (khơng nhầm với độ từ hóa). Độ cảm từ thể hiện
mối quan hệ giữa từ độ (là đại lượng nội tại) và từ trường ngoài, nên thường mang
nhiều ý nghĩa vật lý gắn với các tính chất nội tại của vật liệu.
Độ cảm từ, thường được ký hiệu là χ, hay χm (để phân biệt với χe - độ cảm

điện) được định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa và độ lớn của từ trường:
χ =

I
H

(1.6)

Mối quan hệ giữa độ từ thẩm và độ cảm từ:
Từ (1.3) và (1.6) ta có:
B = µ0(1 + χ).H = µ.H

(1.7)

Như vậy, đại lượng độ từ thẩm và độ cảm từ quan hệ với nhau qua biểu thức:
µ = µ0(1 + χ)

(1.8)

Đại lượng µ = µ0(1 + χ) được gọi là độ từ thẩm. Độ từ thẩm có cùng ý nghĩa
với độ cảm từ, đều nói lên khả năng phản ứng của các vật liệu dưới tác dụng của từ
trường ngoài.

3
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Trong kỹ thuật, người ta thường quan tâm đến giá trị độ từ thẩm hiệu dụng
được định nghĩa bởi:

µr = µ/µ0 = (1 + χ).

(1.9)

Khi nói độ từ thẩm thì người ta thường ngầm hiểu là là độ từ thẩm tương đối,
và đại lượng này là đại lượng không có thứ nguyên.
1.2.6. Từ độ
Độ từ hóa hay từ độ (magnetization) ký hiệu là I là một đại lượng sử dụng
trong từ học được xác định bằng tổng mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích
của vật từ. Đơi khi, từ độ cịn được định nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị
khối lượng. Từ độ là một đại lượng véctơ.
Về mặt tốn học, nó được cho bởi công thức:
I = lim

∆V → 0

∑M

(1.10)

∆V

với M là mômen từ ngun tử, ∆V là thể tích.
Từ độ có cùng thứ nguyên với cường độ từ trường, được liên hệ với từ
trường qua hệ số từ hóa χ của vật liệu:
I = χH

(1.11)

Do có cùng thứ nguyên với cường độ từ trường nên từ độ mang đơn vị của từ

trường, đơn vị trong SI là A/m. Trong từ học, người ta còn sử dụng đơn vị khác cho
từ độ được ký hiệu là emu/cm3 = 1000 A/m. emu là chữ viết tắt của electromagnetic
unit - đơn vị điện từ. Đơn vị này được dùng phổ biến trong từ học, xuất phát từ hệ
đơn vị CGS.
1.2.7. Lực kháng từ
Lực kháng từ, đơi khi cịn được gọi là trường kháng từ, hoặc trường đảo từ,
được định nghĩa bằng giá trị của từ trường cần đặt vào để triệt tiêu từ độ hoặc cảm
ứng từ của vật từ. Khi gọi là trường đảo từ, đại lượng này được định nghĩa là từ
trường cần đặt để đảo chiều từ độ của vật từ.

4
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Lực kháng từ thực tế là một đại lượng ngoại của mỗi vật từ và vật liệu từ.
Thực tế, lực kháng từ chỉ tồn tại ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ, feri từ,...). Thơng
thường, lực kháng từ thường được xác định từ đường cong từ trễ của vật liệu từ.
Nhờ khái niệm lực kháng từ, người ta phân loại được 2 loại vật liệu sắt từ là vật liệu
sắt từ cứng (có lực kháng từ lớn) và vật liệu sắt từ mềm (có lực kháng từ nhỏ). Do
sự liên quan giữa từ trường (H), cảm ứng từ (B), và từ độ I bởi công thức:
B = µ0 (H + I )

(1.12)

Do đó, sẽ xuất hiện 2 loại giá trị lực kháng từ:
•

Lực kháng từ liên quan đến từ độ ( I H c )
Là giá trị của lực kháng từ, cho phép triệt tiêu độ từ hóa của mẫu. Giá trị này

mang tính chất chung, khơng phụ thuộc vào hình dạng vật liệu từ, và trong kỹ thuật
thường được ký hiệu là I H c . Thơng thường, nếu chỉ nói đến khái niệm lực kháng
từ thường để chỉ khái niệm này.
•

Lực kháng từ liên quan đến cảm ứng từ ( B H c )
Là giá trị của lực kháng từ cho phép triệt tiêu cảm ứng từ của vật liệu từ. Giá

trị này mang tính chất kỹ thuật, phụ thuộc vào hình dạng vật từ (do được bổ sung
yếu tố dị hướng hình dạng của vật từ khi đo), và thường được ký hiệu là B H c .
Đối với các vật liệu có lực kháng từ nhỏ, sự sai khác giữa hai đại lượng này
rất nhỏ, và đôi khi thường bị nhầm lẫn với nhau. Sự sai khác này chỉ trở nên đáng
kể đối với các vật liệu từ cứng.
1.2.8. Đường cong từ hóa
Đường cong từ hóa (hay đầy đủ là đường cong từ hóa ban đầu) là đồ thị mơ
tả q trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà
thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất từ (thơng qua giá trị của từ độ, cảm
ứng từ...) theo giá trị của từ trường ngồi (hình 1.2). Ở phạm vi cấu trúc vi mơ, q
trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc đômen) thông qua các cơ
chế khác nhau.

5
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng

Hình 1.2. Đường cong từ hóa có dạng tuyến tính trong các chất thuận từ và nghịch từ

1.2.9. Đường cong từ trễ
Từ trễ (Magnetic hysteresis) là
hiện tượng bất thuận nghịch giữa q
trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt
từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật
liệu sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một đặc
trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các
chất sắt từ.
Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua
đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường,
M(H) hay Cảm ứng từ - Từ trường, B(H)),

được mô tả như sau: sau khi từ hóa một
vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu
ta giảm dần từ trường và quay lại theo
chiều ngược, thì nó khơng quay trở về

Hình 1.3. Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu
sắt từ, vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm, và
các thông số của vật liệu được xác định trên
đường cong từ trễ.

đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác. Và nếu ta đảo từ theo một
chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là
đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ (hình 1.3). Tính chất từ trễ là một tính chất
nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính
của của các chất sắt từ.

6
 

Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
1.2.10. Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie (Tc) là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T >
TC, chất trở thành thuận từ và khi T < TC, chất là sắt từ. Nhiệt độ TC được gọi là
nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. TC là một thông số đặc trưng cho chất (thông số
nội tại). Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie như: Fe là 1.043K; Co là 1.388 K;
Gd là 292,5 K; Ni là 627 K.

1.3. Các vật liệu từ ứng dụng [1]
Về mặt ứng dụng, trong công nghiệp và đời sống hàng ngày, người ta chia
vật liệu từ thành ba loại chính. Đó là, vật liệu từ cứng, vật liệu từ mền và vật liệu
ghi từ. Các loại vật liệu này được sản xuất vơi quy mô lớn.
1.3.1. Vật liệu từ cứng
Vật liệu này dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Vật liệu có các đặc tính sau:
-

Cảm ứng từ bão hịa cao (0,3 ÷ 1,6T)

-

Lực kháng từ Hc lớn (HC > 300kA/m)

-

Dị hướng tinh thể cao,

-

Nhiệt độ Curie cao

-

Năng lượng từ do nam châm tạo ra trong khơng gian đặc trưng bằng tích

năng lượng (BH)max là lớn,
-

Vật liệu bền vững trong môi trường (không bị oxy hóa )

1.3.2. Vật liệu từ mềm
Các đặc trưng của vật liệu từ mềm là :
-

Từ độ bão hòa MS cao,

-

Lực kháng từ Hc nhỏ (< 1kA/m)

-

Độ từ thẩm cao

-

Dị hướng thấp (vật liệu dễ từ hóa hơn )

-

Nhiệt độ Curie cao

7
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
-

Độ tổn hao năng lượng ở từ trường xoay chiều là thấp (khi điện trở vật liệu là

cao).
1.3.3. Vật liệu ghi từ
Các tính chất từ của vật liệu này nằm trong khoảng trung gian giữa vật liệu
từ mềm và vật liệu từ cứng (1kA/m < Hc < 300kA/m). Điều này đảm bảo cho việc
lưu giữ các tín hiệu được ghi (Hc lớn để lưu giữ thông tin), đồng thời phải là vật
liệu có thể dễ dàng ghi được các tín hiệu cần ghi (HC nhỏ, là vật liệu dùng làm đầu
ghi từ).
1.3.4. Các loại vật liệu từ ứng dụng khác
-

Vật liệu từ dùng trong lĩnh vực siêu cao tần

-

Vật liệu dùng trong lĩnh vưc quang từ

-

Vật liệu từ giảo
Những năm gần đây, một số loại vật liệu từ mới được nghiên cứu đưa vào

ứng dụng với tính năng nổi trội đó là:
-

Vật liệu từ là tác nhân làm lạnh trong thiết bị làm lạnh theo kiểu mới thân

thiện với môi trường
-

Vật liệu spin từ dùng trong công nghệ ghi từ mật độ cao

-

Vật liệu có cấu trúc nanomet, ứng dụng trong lĩnh vực y - sinh để điều trị

bệnh.

1.4. Các phương pháp cảm ứng (induction methods) [2]
Các phương pháp cảm ứng đều dựa trên định luật Faraday. Nguyên nhân
sinh ra suất điện động cảm ứng trong các cuộn dây cảm ứng là do sự dịch chuyển
tương đối của mẫu so với các cuộn dây này hoặc ngược lại (sự dịch chuyển này gây
ra sự biến thiên từ thông qua các cuộn dây), và suất điện động cảm ứng này bằng
tốc độ biến thiên từ thông qua các cuộn:
V = −N

dφ
dt

(1.13)

(V: induction electromotive force (e.m.f): suất điện động cảm ứng)
8
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Nếu A là tiết diện cuộn dây và N là số vịng dây thì ta có:
V = − N.A

dB
φ
với B =
dt
A

(1.14)

Trong khơng gian, B = µ 0 .H và do vậy V = − µ0 .N . A

dH
dt

Nếu vịng dây được quấn xung quanh một lõi có độ từ thẩm µ thì:
B = µ .µ 0 .H và V = − µ.µ 0 .N . A

dH
dt

(1.15)

1.4.1. Phương pháp cuộn đo tĩnh
Một cuộn dây đo tĩnh còn được
gọi là một ăngten vòng, thường được
dùng để đo từ trường biến thiên tuần
hồn. Cấu hình của một cuộn dây được
trình bày trong hình 1.4. Suất điện động
cảm ứng (e.m.f) được tạo ra trong một
cuộn dây đo tĩnh

bởi biến thiên từ

trường:
V = − N.A

hay

Hình 1.4. Cấu hình một cuộn đo tĩnh

dB
dt

V = − µ 0 .N . A

dH
dt

Giả sử từ trường B cần đo biến thiên tuần hồn với chu kì T =

1
. Sau khi
f

tích phân giữa hai điểm cực trị của B là t1 và t2:
t2

∫ V (t )dt = N . A.∆B = N .A.( B

max

i

− Bmin )

(1.16)

t1

Giá trị trung bình số học của suất điện động cảm ứng sẽ là:
t

Vmean

2 2
= ∫ Vi (t )dt = 2 f .N . A.∆B = 2 f .N . A.( Bmax − Bmin )
T t1

9
 

(1.17)


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Thông thường Bmax = -Bmin và nếu cuộn dây là hình trụ với đường kính trung
bình là dm thì:
Vmean = 4. f .N . A.Bmax = f .N .π .d m2 .Bmax .

(1.18)

Nhận thấy rằng độ nhậy của cuộn đo tỉ lệ với diện tích của cuộn và với
tần số từ trường. Tuy nhiên nhược điểm của cuộn dây có đường kính lớn là độ
cảm của chúng dễ bị thăng giáng, gây nên sự thay đổi của diện tích hiệu dụng.
Yêu cầu đặt ra là cuộn dây phải được chế tạo và lắp đặt chắc chắn về mặt cơ
khí. Ở tần số cao, hiện tượng điện dung kí sinh có thể ảnh hưởng tín hiệu thu
được. Để thu được giá trị cực đại của từ trường biến thiên không phải hàm sin,
thế hiệu cảm ứng phải được đo bằng loại vơn kế có thể đo giá trị trung bình đã
chỉnh lưu. Nếu từ trường có dạng sóng bất kì thì suất điện động cảm ứng phải
được tích phân bởi một tích phân tương tự (analog intergrator) hoặc số hóa
qua ADC rồi tích phân số.
Nếu B là hàm sin ta có giá trị cực đại của suất điện động cảm ứng:
V p = 2π . f .N . A.Bmax =

N .d m2 . f .Bmax .π 2
2

(1.19)

Hay công thức quen thuộc cho giá trị của suất điện động cảm ứng:

V = 4,44.N . A. f .Bmax = 1,11.N .π .d m2 . f .Bmax

(1.20)

1.4.2. Phương pháp cuộn dây dịch chuyển
Phương pháp này xác định cảm ứng từ khi một cuộn dây dịch chuyển từ
vùng có từ trường ra ngồi vùng khơng có từ trường. Khi đó, độ biến thiên từ
thơng qua cuộn dây sẽ là: ∆B = B f − Bi , với Bi là cảm ứng từ tại vị trí ban đầu
và Bf là cảm ứng từ tại vị trí sau.
Theo định luật Faraday, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một suất điện động
cảm ứng:
V = − N.A

dB
dt

Tích phân phương trình này ta được:

10
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng

∫ Vdt = − N . A.∆B

(1.21)

Như vậy, nếu một cuộn dây đo được dịch chuyển từ vùng có từ trường
tới vùng từ trường bằng khơng thì thế thu được U ≈ ∫ Vdt sẽ tỷ lệ với cảm ứng

từ B.
Ta có thể sử dụng một điện kế xung kích để xác định cảm ứng từ qua
góc lệch φ của điện kế, góc lệch này tỉ lệ với ∫ Vdt . Điều quan trọng là cần
chuẩn hệ đo để xác định hệ số tỷ lệ.
φ = const.∫ Vdt = const.N . A.( B f − Bi )

(1.22)

Do vậy góc lệch của điện kế sẽ tỷ lệ với độ biến thiên của cảm ứng từ
B.
Hiện nay phương pháp phổ biến là nối cuộn dây với một tích phân điện
tử. Sự dịch chuyển của cuộn dây được điều khiển bằng máy tính, sau mỗi dịch
chuyển, cuộn dây trở về vị trí “khơng” để kiểm tra độ trơi tích phân. Một cuộn
dây có cấu hình giống hệt cuộn dây đo có thể được gắn cố định ở vị trí cần đo,
mắc xung đối với cuộn đo để khử những sai lệch do ảnh hưởng của thăng
giáng nguồn. Độ trơi tuyến tính gây bởi thế nhiệt điện khơng đổi có thể được
hiệu chỉnh. Độ trơi sẽ là tuyến tính trong giới hạn vài phút sau q trình bù trừ
thích hợp, vì vậy tích phân cần được chuẩn “không” và bù trừ trôi một cách
đều đặn.
1.4.3. Phương pháp cuộn dây quay
Để đo được cảm ứng từ B0 ta có thể sử dụng một loại thiết bị ứng dụng
phương pháp cuộn dây quay với một tần số góc ω xác định. Từ thơng gửi qua
cuộn dây là:
φ (t ) = N . A.B0 . cos ωt

(1.23)

Và suất điện động là:
V = −N.

dφ
= − N . A.ω.B0 . sin ωt
dt

11
 

(1.24)


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Như vậy, độ lớn của suất điện động sinh ra do cuộn dây quay tỷ lệ với
cảm ứng từ và ta có thể dùng độ lớn của suất điện động này để xác định cảm
ứng từ B0 hay từ trường H0. Tín hiệu lấy ra là một thế hiệu xoay chiều. Tín
hiệu này sẽ được xử lý bằng khuếch đại lọc lựa. Một cuộn dây đường kính 20
mm quay với tốc độ 20.000 vịng trên phút có thể có độ phân giải 10 pT. Vòng
đệm trục quay thường là khơng khí và tiếp xúc điện là thủy ngân.
1.4.4. Phương pháp cuộn dây rung
Từ kế cuộn dây rung dường như chỉ cịn ý nghĩa lịch sử vì từ lâu nó
khơng còn được sử dụng rộng rãi nữa mà được thay thế bằng từ kế mẫu rung.
Phương pháp này dựa trên cùng một nguyên lý như các phương pháp cảm ứng
khác, nhưng nó được dùng để đo mơmen từ của mẫu. Sơ đồ nguyên lý của hệ
đo được đưa ra trên hình 1.5.

Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo của hệ đo cuộn dây rung.

12
 

Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Một mẫu vật liệu từ có từ độ M được đặt trong môi trường đồng nhất sẽ
tạo ra trong khơng gian bên ngồi mẫu cảm ứng từ Bn tỷ lệ với mômen từ của
mẫu:
Bn = g.M

(1.25)

với g là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào vị trí trường trong không gian.
Cảm ứng từ tổng cộng tại một điểm bất kỳ trong không gian là:
Bspace = Be + Bn

(1.26)

với Be là cảm ứng từ do từ trường H gây ra.
Khi một cuộn dây có trục trùng với phương từ trường ngồi dịch chuyển
trong khơng gian có cảm ứng từ Bspace theo phương của trục, từ thông qua
cuộn dây sẽ biến đổi do vị trí tương đối giữa cuộn dây và mẫu, kết quả là trong
cuộn dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng V:
V = − N .S .

d
d
( Bspace ) = − N .S . ( Be + g .M )
dt
dt

(1.27)

Nếu từ trường ngồi H và mơmen từ của mẫu M khơng đổi thì chỉ có g

là đại lượng biến đổi theo thời gian, ta có:
V = − N .S .

dg
.M
dt

(1.28)

với N là số vòng của dây và S là tiết diện của cuộn dây.
Nếu cuộn dây dao động điều hịa thì suất điện động là một hàm sin:
de jωt
.M
dt

(1.29)

V = − N .S .h. A.ω.e jωt .M = k . A.ω.e jωt .M

(1.30)

V = − N .S .h. A

hay

với h là hệ số tỷ lệ và A là biên độ rung của mẫu, còn k = − N .S .h
Ta cũng có thể viết:
V = k .M

(1.31)

với k = k .ω. A.e jωt
Như vậy, suất điện động cảm ứng dao động điều hòa cùng tần số với tần
số rung của cuộn dây và biên độ của nó phụ thuộc vào cấu hình cuộn dây cảm

13
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
ứng, tần số, biên độ rung của cuộn dây và mômen từ của mẫu. Dựa vào mối
liên hệ này ta có thể xác định được mơmen từ của mẫu M thông qua suất điện
động cảm ứng kết hợp với một phép chuẩn. Việc chuyển đổi tín hiệu suất điện
động xoay chiều thành tín hiệu một chiều thường được thực hiện bằng một
khuếch đại lọc lựa.
Phương pháp này có nhiễu lớn vì ta khó đảm bảo việc từ trường ngồi
hồn tồn khơng gây biến thiên từ thơng qua cuộn dây hoặc tại những vị trí
“khơng mẫu” vẫn có ảnh hưởng của mômen từ M. Hiện nay phương pháp này
chỉ được dùng trong trường hợp không thể dùng từ kế mẫu rung (VSM).
1.4.5. Từ kế fluxgate
Từ kế fluxgate là thiết bị đo từ trường có độ nhậy cao. Nó ra đời từ
những năm Đại chiến thế giới lần thứ hai như là các thiết bị phát hiện tầu
ngầm gắn trên máy bay. Ngày nay fluxgate có ứng dụng trong rất nhiều trong
các ngành khoa học kĩ thuật như thiên văn, khí tượng thủy văn, hàng khơng,
hàng hải, thăm dị địa chất.
Ngun lý làm việc của fluxgate dựa trên hiện tượng từ hóa bão hịa. Sơ
đồ ngun lý của một fluxgate được trình bày trong hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo của một sensor fluxgate. Thế tín hiệu từ cuộn thứ cấp được xử lý qua
khuếch đại lọc lựa, tương tự như đối với các trường hợp tín hiệu xoay chiều khác.

14
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
Hai thanh làm bằng vật liệu sắt từ hoàn toàn giống nhau, được đặt song
song cạnh nhau. Vật liệu làm hai thanh có hệ số từ hóa rất lớn sao cho một từ
trường rất nhỏ cỡ từ trường trái đất cũng đủ để từ hóa hai thanh gần đến trạng
thái bão hòa. Mỗi thanh được quấn quanh bởi một cuộn dây sơ cấp giống nhau
nhưng theo chiều ngược nhau. Một dòng xoay chiều chạy qua cuộn thứ cấp sẽ
tạo nên một từ trường biến đổi ở mỗi cuộn dây. Từ trường này tạo nên cảm
ứng từ trong hai thanh lõi với độ lớn như nhau nhưng theo chiều ngược nhau
tại bất cứ thời điểm nào của chu kì. Chú ý rằng mật độ đường sức từ đi vào
mỗi lõi sẽ giảm đột ngột khi các lõi chuyển từ trạng thái chưa bão hòa sang
bão hòa (hệ số từ thẩm µ giảm từ giá trị hàng nghìn xuống giá trị 1). Cũng vì
lẽ đó mà thiết bị có tên là fluxgate.
Nếu các lõi được đặt trong từ trường ngoài, một thành phần của từ
trường ngoài sẽ song song với trục của thanh lõi và làm tăng cường cảm ứng
từ trong một lõi, đồng thời làm giảm cảm ứng từ trong lõi kia. Ở một lõi, khi
dịng kích thích tăng, hiện tượng bão hòa từ sẽ xẩy ra sớm hơn và khi dịng
kích thích giảm cũng thốt khỏi trạng thái bão hòa chậm hơn so với lõi kia. Sự
khác nhau này tạo ra một thế hiệu trong một cuộn dây thứ cấp, thế hiệu này
hồn tồn có thể đo được và nó tỉ lệ với từ trường ngồi song song với lõi.
Cuộn dây thứ cấp quấn quanh các lõi và cuộn sơ cấp. Biến thiên của
cảm ứng từ trong các lõi gây bởi cuộn sơ cấp tạo ra một thế trong cuộn thứ
cấp. Khi khơng có từ trường, thế tín hiệu sẽ bằng khơng vì cảm ứng từ trong
hai cuộn bằng nhau nhưng ngược nhau. Trên thực tế, ngoài các cuộn dây sơ
cấp và thứ cấp, fluxgate có thêm một cuộn dây có dịng một chiều chạy qua để
hiệu chỉnh tín hiệu thực sự bằng khơng khi khơng có từ trường. Hình 1.7 mơ tả

sự từ hóa các lõi theo thời gian và tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp trong hai
trường hợp khơng có từ trường và có từ trường.
Như vậy về mặt nguyên tắc, một fluxgate có cấu tạo như trên có thể đo
được bất kì thành phần nào của từ trường trái đất bằng cách đơn giản là định
hướng trục của lõi song song với phương cần đo. Tuy nhiên, trên thực tế người
15
 


Nghiên cứu xây dựng hệ đo từ bằng phương pháp cảm ứng
ta có thể thiết kế chế tạo các fluxgate có thể đo được hai thành phần từ trường
trên một mặt phẳng (fluxgate hai chiều) hoặc thậm chí ba thành phần của từ
trường trong khơng gian (fluxgate ba chiều).

Hình 1.7. Sự từ hóa các lõi theo thời gian và tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp khi khơng có
từ trường và có từ trường.

a)

b)

Hình 1.8. (a) Ảnh một từ kế lõi xuyến điển hình. (b) Ảnh một từ kế lõi xuyến nổi trên mặt chất
lỏng, chế tạo bởi hãng Autonnic (theo tài liệu của hãng Autonnic Research Ltd,UK)

Một số hạn chế của loại fluxgate với các thanh lõi đặt song song với
nhau là ảnh hưởng của sự bất đối xứng và hiện tượng dịng kích thích trực tiếp

16