nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả đã nêu trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo TS. Trương Văn Chương. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố. Tác giả Nguyễn Văn Thanh Luận văn thạc sỹ với đề tài Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế. Trong suốt thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu, cả về vật chất lẫn tinh thần. Trước hết, tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, các cán bộ, giảng viên của Khoa Vật lý, trực tiếp là Bộ môn Vật lý Chất rắn (Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế) đã tạo mọi điều kiện để luận văn này được hoàn thành. Xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn TS. Trương Văn Chương. Thầy luôn theo dõi sát sao và hướng dẫn giải quyết triệt để những vướng mắc mà tác giả gặp phải. Thầy đã tập cho học trò của mình tư duy và niềm đam mê khoa học. Đồng cảm ơn NCS. Lê Quang Tiến Dũng (Đại học Khoa học Huế), kỹ sư Nguyễn Hoàng Tuấn (Công ty Huetronics) về những hộ trợ tích cực trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin ghi vào đây lời tri ân đến bạn trong gia đình lớp Cao học Vật lý Khóa 2011 (2011 – 2013) về những tình cảm tốt đẹp, sự giúp đỡ vô tư trong những lúc tác giả khó khăn nhất. Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến ba mẹ và những người thân. Công cha, nghĩa mẹ, tình cảm gia đình là động lực to lớn thôi thúc tác giả hoàn thành luận văn này. MỤC LỤC Trang - Trang phụ bìa - Lời cam đoan - Lời cảm ơn - Mục lục - Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt - Danh mục các bảng - Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ SIÊU ÂM 4 1.1. Giới thiệu 4 1.2. Phương pháp liên kết giữa khối điện tử với biến tử áp điện dải rộng có hiệu quả cao 1.3. Mạch điện tử phát xung tạo ra điện áp cao và thu nhận tín hiệu đang được áp dụng cho biến tử áp điện dải tần rộng 1.3.1. Một số mạch cổ điển để điều khiển cảm biến siêu âm 7 1.3.2. Mạch điện tử được phát triển để tạo xung điều khiển cảm biến tần số cao đạt hiệu quả cao 1.3.3. Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu dải tần rộng 13 1.4. Phân tích ảnh hưởng của quá trình hồi tiếp điện trong sự truyền xung điện áp cao của cảm biến áp điện 1.4.1. Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 1 16 1.4.2. Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 2 1.4.3. Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 3 20 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ HỆ VẬT LIỆU GỐM PZT(51/49) – 0.4%kl MnO 2 - 0.15%kl ZnO-2%kl LiBiO 2 21 2.1. Chế tạo gốm 21 2.2. Một số thông số cơ bản của gốm 23 2.2.1. Cấu trúc và vi cấu trúc 23 2.2.2. Phổ phân bố năng lượng EDS 24 2.2.3. Khối lượng riêng và hằng số điện môi 24 2.3. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ 25 2.4. Đặc tính trễ sắt điện của vật liệu 26 2.5. Tính chất áp điện 27 2.6. Chế tạo biến tử gốm áp điện kiểu Langevin 29 2.7. Lắp ráp cụm biến tử 32 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÁY PHÁT SIÊU ÂM CHẾ ĐỘ XUNG 35 3.1. Thiết kế mạch điện tử 35 3.1.1. Phương pháp kích thích biến tử siêu âm 35 3.1.2. Thiết kế mạch phát siêu âm 37 3.1.3. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiểu biến tử siêu âm 38 3.1.3.1. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm liên tục 38 3.1.3.2. Nguyên lý hoạt động 38 3.1.3.3. Đo tần số, biên độ tín hiệu 41 3.1.4. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiểu biến tử siêu âm kiểu xung 42 3.1.4.1. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung 42 3.1.4.2. Đo tần số và tín hiệu ra của mạch phát xung 46 3.2. Xác định công suất âm 49 3.3. Ứng dụng sóng siêu âm trong kiểm soát tảo độc tại các hồ nuôi tôm 51 3.3.1. Kết quả xử lý bằng máy siêu âm tần số 26 kHz với mẫu tự nhiên 53 3.3.2. Kết quả kiểm tra sự phục hồi tảo sau khi xử lý siêu âm 54 3.3.3. Kết quả kiểm soát tảo độc tại các hồ nuôi tôm 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 1. Về lý thuyết 61 2. Về thực nghiệm 61 3. Về ứng dụng 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU PZT51/49 Pb(Zr 0.51 Ti 0.49 )O 3 LBO Chất chảy LiBiO 2 850(a) Mẫu chế tạo bằng hóa chất Trung quốc 850(b) Mẫu chế tạo sử dụng ZrO 2 và TiO 2 của Hàn quốc DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT kl Khối lượng Th linh kiện thyristor ns Nano giây μs Micro giây T Transistor T MF Transistor MosFet D Diode V out Điện áp đầu ra DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Khối lượng riêng và hằng số điện môi của hệ gốm PZT51/49 – 0.4%kl MnO 2 -0.15%kl ZnO-2%klLiBiO 2 25 Bảng 2.2. Các giá trị E c và P r của mẫu 850(a) và 850(b) 27 Bảng 2.3 Một số thông số áp điện của gốm phân cực ở nhiệt độ 130 0 C, thời gian 15 phút tại các điện trường khác nhau 28 Bảng 2.4. Khối lượng riêng và vận tốc âm của vật liệu 30 Bảng 2.5. Thông số hình học của các biến tử 31 Bảng 2.6. Các đặc trưng cộng hưởng của mẫu và 32 Bảng 2.7. Các thông số hình học của khối kim loại nhôm và thép 33 Bảng 3.1. Các tham số của đường làm khớp 50 Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của mạch phát siêu âm 51 Bảng 3.3. Kết quả xử lý siêu âm mẫu tảo tự nhiên với tần số khác nhau trong điều kiện phòng thí nghiệm 54 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mạch điện tử của máy phát áp điện dạng xung Hình 1.2. Mạch tạo xung dùng để điều khiển cảm biến áp điện dải tần rộng. Mạch dựa trên chuyển mạch thyristor Hình 1.3. Mạch phát xung cho điện áp cao để điều khiển bộ cảm biến. Kết nối hai SCRs để có được xung biên độ cao hơn Hình 1.4. Sơ đồ khối của một mạch phát làm tăng đột biến điện áp để điều khiển cảm biến tần số cao hoạt động trong dải tần rộng 10 Hình 1.5 Tầng khuếch đại sử dụng transistor công suất 10 Hình 1.6. Bộ chuyển đổi cao áp sử dụng khả năng nạp xả của tụ điện 11 Hình 1.7. Mạch hạ áp và mạch biến đổi điện áp cho biến tử áp điện 11 Hình 1.8 Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu siêu âm dải rộng 13 Hình 1.9. Dạng xung điều khiển hoạt động của bộ áp điện 15 Hình 2.1. Quy trình công nghệ gốm truyền thống 21 Hình 2.2. Phổ nhiễu xạ tia X của gốm PZT51/49 – 0.4%kl MnO 2 -0.15%klZnO-2%klLiBiO 2 được thiêu kết tại 850 0 C 23 Hình 2.3 Ảnh SEM của của gốm PZT51/49 - 0,4%kl MnO 2 -0.15%kl ZnO- 2%kl LiBiO 2 được thiêu kết tại 850 0 C 23 Hình 2.4. Phổ EDS của gốm nung thiêu kết tại 850 0 C 24 Hình 2.5. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ của gốm nung thiêu kết tại 850 0 C 25 Hình 2.6. Sơ đồ mạch Sawyer-Tower 26 Hình 2.7. Đường trễ sắt điện của của gốm PZT51/49 - 0,4%kl MnO 2 -0.15%kl ZnO-2%kl LBO được thiêu kết tại 850 0 C 26 Hình 2.8. Phổ cộng hưởng của gốm áp điện phân cực tại 30kV/cm, nhiệt độ 130 0 C, thời gian 15 phút 27 Hình 2.9. Sự phụ thuộc của hệ số áp điện d 31 (a) và hệ số liên kết điện cơ k p vào điện trường phân cực. Hình 2.10. Biến tử Langevin kép 30 Hình 2.11. Biến tử áp điện sau khi được chế tạo 31 Hình 2.12. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) mẫu , (b) mẫu 32 Hình 2.13. Mặt cắt của biến tử ghép Hình 2.14. Biến tử ghép đã chế tạo 33 Hình 2.15. Phổ cộng hưởng áp điện của hệ biến tử 34 Hình 3.1. Sơ đồ khối của máy phát siêu âm kiểu hội tụ 35 Hình 3.2. Mô hình biến tử Butterworth- Van Dyke 36 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại công suất đẩy-kéo 38 Hình 3.4. Sơ đồ điện tử của mach phát siêu âm liên tục dạng 1 39 Hình 3.5. Sơ đồ điện tử của mach phát siêu âm liên tục dạng 2 40 Hình 3.6. Mạch điện tử của máy phát siêu âm liên tục dạng 2 40 Hình 3.7. Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát lắp theo mạch liên tục dạng 1 Hình 3.8. Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát lắp theo mạch liên tục dạng 2 Hình 3.9. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung dạng 1 Hình 3.10. Mạch điện tử của siêu âm chế độ xung dạng 2 Hình 3.11. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung dạng 2 Hình 3.12. Dạng tín hiệu khi bị sai lệch tần số hay bị nhiễu Hình 3.13. Dạng xung của mạch tạo xung dạng 1 Hình 3.14. Dạng xung của khối tạo xung mạch dạng 2 Hình 3.15. Dạng tín hiệu ra của toàn mạch Hình 3.16. Thiết bị siêu âm tổng hợp vật liệu Hình 3.17. Máy phát siêu âm diệt tảo Hình 3.18. Mô hình đo công suất siêu âm Hình 3.19. Sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian dưới tác dụng của siêu âm Hình 3.20. Tế bào Microcystis sp. trước (A) và sau (B) khi xử lý siêu âm. Hình 3.21. Thí nghiệm xử lý siêu âm ở tần số 47.6 kHz ở phòng thí nghiệm Hình 3.22. Mẫu tảo nở hoa trước (A) và sau (B) khi xử lý Hình 3.23. Số lượng tế bào tảo chết sau khi siêu âm ở các tần số khác nhau [...]... Chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung - Thiết kế cải tiến mạch điện tử kích thích phát sóng siêu âm chế độ liên tục - Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm tổng hợp vật liệu và dưới nước chế độ xung - Xác định các thông số của máy phát siêu âm tổng hợp vật liệu và dưới nước chế độ xung - Thử nghiệm ứng dụng 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ SIÊU ÂM 1.1 Giới thiệu Hiện nay, các thiết bị thu phát sóng siêu. .. một kết quả mới, tạo điều kiện thuận lợi trong việc chế tạo các biến tử gốm áp điện có chất lượng cao [6] Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng của siêu âm công suất cao vẫn còn hạn chế Để thúc đẩy và góp phần vào lĩnh vực này và trên cơ sở trang thiết bị tại phòng thí nghiệm khoa lý Trường đại học Khoa học Huế, tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung làm đề tài... Văn Thông đã nghiên cứu chế tạo thành công máy phát siêu âm công suất đa tần [7] Tác giả đã lắp ráp thành công máy phát siêu âm công suất đa tần sử dụng hai cụm biến tử ghép được điều khiển bởi hai mạch điện tử riêng lẻ hoạt động đồng thời trong khay chứa siêu âm trên nguyên lý hiệu ứng tạo phách để tạo ra một dải tần số rộng Từng biến tử được ghép trong một tổ hợp phản xạ và bức xạ siêu âm để tập trung... nano Năm 2011, trên hệ gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3 - 0.4%wt MnO2 – 0.25%wt ZnO thạc sỹ Đặng Anh Tuấn đã thành công trong việc chế tạo biến tử, thiết kế mạch phát sóng siêu âm và hoàn thiện máy phát siêu âm dưới nước [5] Năm 2012, thạc sỹ Lê Quang Quý Tú đã chế tạo thành công máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ Lần đầu tiên, bằng cách sử dụng thêm chất chảy LiBiO2 (LBO), tác giả đã tổng hợp được gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3... mạch này, với L0 kết nối, tín hiệu xung điện áp cao được tạo ra bởi các mạch điện sẽ là một xung khá dài với dao động mạnh Tuy nhiên, nếu các diode được tính đến trong sơ đồ phát xung, dạng sóng xung sẽ tương ứng với các phản ứng thực sự của mạch phát xung điện áp cao, bởi vì chúng sẽ loại bỏ các dao động xuất hiện sau khi xung đầu tiên không qua CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ HỆ... siêu âm phát xung với độ chính xác cao Những đòi hỏi trên đã đặt ra một số yêu cầu riêng cho hệ thống điện tử sử dụng cho các ứng dụng siêu âm dải tần rộng: 1 Việc sử dụng chế độ phát xung cho hệ thống kiểm tra siêu âm Điều đó đòi hỏi quá trình chuyển tiếp kích thích điện của bộ phát áp điện (biến tử áp điện) 2 Lưu ý tới độ chính xác của bộ phận kích thích đối với xung điện rất ngắn có biên độ đỉnh cao... theo mong muốn Hiện nay, người ta đang quan tâm nghiên cứu ứng dụng siêu âm công suất cao để chế tạo các vật liệu vô cơ, hữu cơ, vật liệu điện tử có cấu trúc nanô [10, 11, 15] Với một nguồn phát siêu âm công suất lớn, hiệu ứng cavitacy hình thành các bọt khí có áp suất nội đến hàng nghìn atmotphe, nhiệt độ biểu kiến khoảng 50000K, tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đạt tới 10 10K/s Các phản ứng hoá học không... siêu âm chủ yếu sử dụng biến tử gốm áp điện Một thiết bị siêu âm gồm hai bộ phận chính là biến tử và mạch điện tử Để thiết bị này hoạt động tốt, ngoài việc lựa chọn biến tử gốm áp điện phù hợp, chúng đòi hỏi phải chế tạo các mạch điện tử đặc thù Trong các thiết bị phân tích, kiểm tra bằng siêu âm, để có thể nhận dạng tốt cấu trúc bên trong và giảm tín hiệu nhiễu, cần thiết phải tạo được mạch siêu âm phát. .. 1 : Tổng quan về điện tử siêu âm Trong chương này, trình bày các phương pháp nâng cao hiệu quả sự liên kết giữa đầu thu phát siêu âm với phần mạch điện tử Các phản ứng của biến tử áp điện với các xung cao áp điều khiển được phân tích chi tiết Chương 2: Nghiên cứu chế tạo biến tử áp điện trên cơ sở hệ vật liệu gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3–0.4%wt MnO2-0.15%wt ZnO – 2%kl LiBiO2 - Chế tạo vật liệu trên cơ sở... sóng siêu âm công suất cao Các dung dịch khác nhau không thể hoà 2 tan vào nhau sẽ dễ dàng trộn lẫn nhau một cách đồng nhất dễ dàng khi có mặt siêu âm Trong xử lý chất thải bảo vệ môi trường, siêu âm hiện đang được chú trọng như một tác nhân siêu oxy hoá tiên tiến Siêu âm có thế làm gia tăng tốc độ, hiệu suất chiết tách các hợp chất quý mà các phương pháp thông thường không thể đạt được Sóng siêu âm . điện tử kích thích phát sóng siêu âm chế độ liên tục. - Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm tổng hợp vật liệu và dưới nước chế độ xung. - Xác định các thông số của máy phát siêu âm tổng hợp vật. công trong việc chế tạo biến tử, thiết kế mạch phát sóng siêu âm và hoàn thiện máy phát siêu âm dưới nước [5]. Năm 2012, thạc sỹ Lê Quang Quý Tú đã chế tạo thành công máy phát siêu âm công suất. tiên đã chế tạo thành công thiết bị phát siêu âm với tần số 33.2 kHz và công suất siêu âm 117w [1, 2, 3, 4]. Năm 2010, thạc sỹ Nguyễn Văn Thông đã nghiên cứu chế tạo thành công máy phát siêu âm công