nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung

Tôi xin cam đoan các kết quả đã nêu trong luận văn này là do tôi thựchiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo TS Trương Văn Chương Cácsố liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai côngbố.

Tác giả

Nguyễn Văn Thanh

học Khoa học, Đại học Huế Trong suốt thời gian thực hiện luậnvăn, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu, cả về vậtchất lẫn tinh thần.

Trước hết, tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, cáccán bộ, giảng viên của Khoa Vật lý, trực tiếp là Bộ môn Vật lýChất rắn (Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế) đã tạo mọiđiều kiện để luận văn này được hoàn thành.

Xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến thầy hướngdẫn TS Trương Văn Chương Thầy luôn theo dõi sátsao và hướng dẫn giải quyết triệt để những vướng mắc mà tácgiả gặp phải Thầy đã tập cho học trò của mình tư duy vàniềm đam mê khoa học.

Đồng cảm ơn NCS Lê Quang Tiến Dũng (Đại học Khoahọc Huế), kỹ sư Nguyễn Hoàng Tuấn (Công ty Huetronics) vềnhững 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 Caohọc Vật lý Khóa 2011 (2011 – 2013) về những tình cảm tốtđẹp, 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 vànhững người thân Công cha, nghĩa mẹ, tình cảm gia đình làđộng lực to lớn thôi thúc tác giả hoàn thành luận văn này.

- Trang phụ bìa- Lời cam đoan- Lời cảm ơn- Mục lục

- Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt- Danh mục các bảng

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 tầnsố cao đạt hiệu quả cao 9

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 xungđiện áp cao của cảm biến áp điện 14

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 18

1.4.3 Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 3 20

CƠ SỞ HỆ VẬT LIỆU GỐM PZT(51/49) – 0.4%kl

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

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 nhiên533.3.2 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

PZT51/49 Pb(Zr0.51Ti0.49)O3

LBO Chất chảy LiBiO2

850(a) Mẫu chế tạo bằng hóa chất Trung quốc

850(b) Mẫu chế tạo sử dụng ZrO2 và TiO2 của Hàn quốc

Bảng 2.1 Khối lượng riêng và hằng số điện môi của hệ gốm PZT51/49 –

0.4%kl MnO2 -0.15%kl ZnO-2%klLiBiO2 25

Bảng 2.2 Các giá trị Ec và Pr của mẫu 850(a) và 850(b) 27

Bảng 2.3 Một số thông số áp điện của gốm phân cực ở nhiệt độ 1300C, thờigian 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 trongđiều kiện phòng thí nghiệm 54

Hình 1.1 Mạch điện tử của máy phát áp điện dạng xung 7

Hình 1.2 Mạch tạo xung dùng để điều khiển cảm biến áp điện dải tần rộng Mạch dựa trên chuyển mạch thyristor 8

Hình 1.3 Mạch phát xung cho điện áp cao để điều khiển bộ cảm biến Kếtnối hai SCRs để có được xung biên độ cao hơn 9

Hình 1.4 Sơ đồ khối của một mạch phát làm tăng đột biến điện áp để điềukhiển 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 MnO2 0.15%klZnO-2%klLiBiO2 được thiêu kết tại 8500C 23

-Hình 2.3 Ảnh SEM của của gốm PZT51/49 - 0,4%kl MnO2 -0.15%kl 2%kl LiBiO2 được thiêu kết tại 8500C 23

ZnO-Hình 2.4 Phổ EDS của gốm nung thiêu kết tại 8500C 24

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ của gốm nungthiêu kết tại 8500C 25

vào điện trường phân cực .28

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 33

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 liêntục dạng 1 41

Hình 3.8 Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát lắp theo mạch liên tục dạng 2 41

Hình 3.9 Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung dạng 1 43

Hình 3.10 Mạch điện tử của siêu âm chế độ xung dạng 2 44

Hình 3.11 Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung dạng 2 45

Hình 3.12 Dạng tín hiệu khi bị sai lệch tần số hay bị nhiễu 46

Hình 3.13 Dạng xung của mạch tạo xung dạng 1 46

Hình 3.14 Dạng xung của khối tạo xung mạch dạng 2 47

Hình 3.15 Dạng tín hiệu ra của toàn mạch 47

Hình 3.16 Thiết bị siêu âm tổng hợp vật liệu 48

Hình 3.17 Máy phát siêu âm diệt tảo 48

Hình 3.19 Sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian dưới tác dụng của

siêu âm 50

Hình 3.20 Tế bào Microcystis sp trước (A) và sau (B) khi xử lý siêu âm 53Hình 3.21 Thí nghiệm xử lý siêu âm ở tần số 47.6 kHz ở phòng thí nghiệm54Hình 3.22 Mẫu tảo nở hoa trước (A) và sau (B) khi xử lý 55Hình 3.23 Số lượng tế bào tảo chết sau khi siêu âm ở các tần số khác nhau.56

MỞ ĐẦU

Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học phát triển khá nhanhtrong thời gian hiện nay Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồnsiêu âm mà chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đờisống, khoa học và công nghệ

Trong nông nghiệp, sóng siêu âm có tác dụng rất hiệu quả đến quá trìnhxử lý giống, kích thích sinh trưởng Dưới tác động của sóng siêu âm, các chấtvi lượng trong đất được giải phóng và năng suất cây trồng được nâng cao, tácdụng cải tạo đất hiệu quả hơn Sóng siêu âm đã được ứng dụng trong việcthăm dò, đánh bắt hải thuỷ sản Trong y học, nhờ những tiến bộ vượt bậc củakỹ thuật điện tử - tin học - tự động hóa, các thiết bị chẩn đoán, thăm dò, điềutrị, phẫu thuật và vi phẫu thuật hiện đại dựa trên nguyên lý sóng siêu âm đãđược đưa vào sử dụng Kỹ thuật điều trị bằng siêu âm cũng ngày càng tỏ rahiệu quả trong việc điều trị nhiều loại bệnh khác nhau Làm sạch bằng siêuâm được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đời sống làmột trong những ví dụ điển hình về tính hiệu quả của siêu âm [12, 13, 14].

Như chúng ta đã biết, nhiệt độ cao và áp suất lớn là hai thông số vật lýquan trọng nhất trong bất kỳ một quá trình nào liên quan đến việc chế tạo vậtliệu Có thể nói, ai làm chủ được hai thông số này, người đó có thể chế tạođược bất kỳ một vật liệu nào theo mong muốn Hiện nay, người ta đang quantâm 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 hìnhthành các bọt khí có áp suất nội đến hàng nghìn atmotphe, nhiệt độ biểu kiếnkhoảng 50000K, tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đạt tới 1010K/s Các phản ứnghoá học không thể xảy ra trong điều kiện thường, sẽ dễ dàng thực hiện khi cómặt của sóng siêu âm công suất cao Các dung dịch khác nhau không thể hoà

tan vào nhau sẽ dễ dàng trộn lẫn nhau một cách đồng nhất dễ dàng khi có mặtsiêu âm Trong xử lý chất thải bảo vệ môi trường, siêu âm hiện đang được chútrọng như một tác nhân siêu oxy hoá tiên tiến Siêu âm có thế làm gia tăng tốcđộ, hiệu suất chiết tách các hợp chất quý mà các phương pháp thông thườngkhông thể đạt được Sóng siêu âm còn được sử dụng để kiểm soát sự pháttriển của tảo độc trong các hồ nuôi thủy sản [16, 17].

Về lĩnh vực này, ở nước ta hiện nay, năm 2009 nhóm nghiên cứu gồmtiến sỹ Trương Văn Chương, thạc sỹ Lê Quang Tiến Dũng, thạc sỹ NguyễnĐình Tùng Luận và thạc sỹ Thân Trọng Huy, Khoa Vật lý – ĐH Khoa họcHuế, là nhóm đầu tiên đã chế tạo thành công thiết bị phát siêu âm với tần số33.2 kHz và công suất siêu âm 117w [1, 2, 3, 4].

Năm 2010, thạc sỹ Nguyễn Văn Thông đã nghiên cứu chế tạo thànhcông máy phát siêu âm công suất đa tần [7] Tác giả đã lắp ráp thành côngmáy phát siêu âm công suất đa tần sử dụng hai cụm biến tử ghép được điềukhiển bởi hai mạch điện tử riêng lẻ hoạt động đồng thời trong khay chứa siêuâm trên nguyên lý hiệu ứng tạo phách để tạo ra một dải tần số rộng Từngbiến tử được ghép trong một tổ hợp phản xạ và bức xạ siêu âm để tập trungnăng lượng siêu âm vào trong khay chứa Mạch điện tử được đo đạc chỉnh lýphù hợp với hệ biến tử để khai thác hiệu suất cao nhất Máy phát có công suấttrung bình 156.5w, bồn rửa có kích thước đảm bảo yêu cầu sử dụng trong cácphòng thí nghiệm để tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu điện tử có cấu trúcnano Năm 2011, trên hệ gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3 - 0.4%wt MnO2 – 0.25%wtZnO thạc sỹ Đặng Anh Tuấn đã thành công trong việc chế tạo biến tử, thiết kếmạch 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 phátsiêu âm công suất kiểu hội tụ Lần đầu tiên, bằng cách sử dụng thêm chấtchảy LiBiO2 (LBO), tác giả đã tổng hợp được gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3 - 0.4%kl

MnO2 – 0.15%kl ZnO – 2%kl LBO có tính áp điện tốt nhưng chỉ cần thiêu kếttại 8500C Đây là một kết quả mới, tạo điều kiện thuận lợi trong việc chế tạocác 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 suấtcao vẫn còn hạn chế Để thúc đẩy và góp phần vào lĩnh vực này và trên cơ sởtrang 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 cho Luận văn Thạc sỹ.

Các nội dung chính của luận văn được triển khai trong ba chương.Chương 1 : Tổng quan về điện tử siêu âm

Trong chương này, trình bày các phương pháp nâng cao hiệu quả sựliên kết giữa đầu thu phát siêu âm với phần mạch điện tử Các phản ứng củabiến 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 liệugốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3–0.4%wt MnO2-0.15%wt ZnO – 2%kl LiBiO2

- Chế tạo vật liệu trên cơ sở gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3–0.4%wt MnO2-0.15%wt ZnO – 2%kl LiBiO2.

- Thiết kế biến tử Langevin.

Chương 3: Chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung

- Thiết kế cải tiến mạch điện tử kích thích phát sóng siêuâm chế độ liên tục.

- Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm tổng hợp vật liệuvà dưới nước chế độ xung.

- Xác định các thông số của máy phát siêu âm tổng hợpvật liệu và dưới nước chế độ xung.

- Thử nghiệm ứng dụng.

Trong các thiết bị phân tích, kiểm tra bằng siêu âm, để có thể nhận dạngtốt cấu trúc bên trong và giảm tín hiệu nhiễu, cần thiết phải tạo được mạchsiêu 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 sửdụng 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 đóđòi hỏi quá trình chuyển tiếp kích thích điện của bộ phát áp điện (biến tử ápđiện).

2 Lưu ý tới độ chính xác của bộ phận kích thích đối với xung điện rấtngắn có biên độ đỉnh cao tới hàng ngàn vôn

3 Để hệ thống áp điện đạt hiệu quả cao trong quá trình phát và thu dải tầnrộng thì việc tối ưu hóa giữa mạch điện tử và hệ thống áp điện là cần thiết Rõ ràng là, không thể dễ dàng đạt được cùng một lúc tất cả các yêu cầutrên vì các thông số ảnh hưởng tới biên độ đều có sự chồng chập Việc thiếtlập tối ưu của một thông số nào đó lại phụ thuộc vào thiết lập của một thôngsố khác.

Một ví dụ điển hình là sự tạo ảnh siêu âm sử dụng mảng áp điện dải tầnrộng Mạch điện tử phải hoạt động với độ chính xác cao để điều khiển cácphần tử mảng với các xung điện 300-400V và thời gian bé hơn 30nano giây.

Nói chung, thời gian và tần số của các tín hiệu kiểm tra ảnh hưởng lớn tớichất lượng ảnh thu được.

Nội dung chương này tập trung vào việc, giải thích các giai đoạn cần cóđiện áp cao để điều khiển các bộ chuyển đổi áp điện dải tần rộng Sự phụthuộc của các xung điều khiển kết hợp với mạng tải bên ngoài cũng đượcphân tích Mạch sơ đồ khối đơn giản để kết nối đầu dò với bộ phận tiếp nhậntrong các ứng dụng siêu âm cũng được trình bày Cuối cùng, phân tích chi tiếtcác phản ứng điện trong các xung cao áp điều khiển đầu dò áp điện Xem xétmột số điều kiện làm việc điển hình Với mục đích này, một số đặc tính củacác dạng sóng điều khiển liên quan sẽ được giới thiệu và thảo luận bằng mộtloạt các phương pháp tiếp cận phân tích tuyến tính liên quan đến tình huốngthực tế trong các ứng dụng siêu âm y tế và công nghiệp.

1.2 Phương pháp liên kết giữa khối điện tử với biến tử áp điện dải rộngcó hiệu quả cao [8]

Trong hầu hết các ứng dụng siêu âm dải tần rộng, khi biến tử áp điệnđược ghép với mạch điện và các bộ phận khác thì bộ phận kích thích điện vàbộ phận tiếp nhận kích thích điện đều không tương thích Điều đó dẫn tới việccác đầu dò áp điện không nhận được điện áp kích thích đầy đủ Kết quả là quátrình thu phát siêu âm không thể đạt được hiệu quả tốt nhất Rất khó để đảmbảo được hiệu quả cao trong quá trình chuyển đổi điện cơ đồng thời với cácđặc tính tốt trên toàn bộ dải tần, đặc biệt là dải tần rông với sự thay đổi thấp(gợn sóng thấp) Các yêu cầu về tần số liên quan tới việc tạo ra các xung siêuâm ngắn Có một số chương trình phù hợp với các ứng dụng đặc biệt, nhưngkhông thể áp dụng trong điều kiện dải tần rộng, vì đặc trưng truyền của quátrình xung được sử dụng để điều khiển biến tử Hơn nữa, trong một số trườnghợp trở kháng trong các mạch phát xung được sử dụng để điều khiển là biến

thiên theo thời gian Đây là hai điều phức tạp trong việc phân tích các vấn đềliên quan tới phối hợp trở kháng tại thời điểm phát.

Điều khiển các giai đoạn trong ứng dụng dải tần rộng thường bao gồmcác bộ phận điều kiển tốc độ tăng thế cao áp (giá trị trở kháng thấp) phải đượcmắc phù hợp với bộ cảm biến Giả sử điều kiện làm việc là tuyến tính, khi đócác hàm lối ra được coi là một hàm mũ của các xung trong mạch ghép IRCC: Điều khiển đầu ra (t) = IRcc(t)*V0exp(-t/τ) (1.1) Với V0 và τ là biên độ và thời gian giảm của hàm thực tế

Hình 1.1 là sơ đồ chung của khối phát Nó bao gồm hàng loạt các bộphận mạng kết nối song song Trong một số ứng dụng, một trong hai mạngkết nối có thể không cần thiết (không có) Trở kháng của các mạng này có thểthay đổi theo thời gian trong một số giai đoạn của quá trình chuyển tiếp.

Trở kháng ZS thường có giá trị điện trở thấp và khối ZG thường là tụđiện khá lớn so với điện dung của phần tử áp điện trong các bộ phận chuyểnđổi Mạch nối song song được tạo thành bởi một điện trở RD hồi tiếp, mộtcuộn dây LO và một khối chỉnh lưu.

Các mạch tiếp nhận kết hợp thường có cấu trúc đơn giản, bởi vì chúngthường được tạo ra bởi sự kết hợp của các thành phần điện trở và dẫn nạp.Trong trường hợp này, hiệu quả của việc kết nối những yếu tố này sử dụngchỉ dùng để điều chỉnh và hồi tiếp Trong các loại xung phổ biến, chỉ với mộtbộ chuyển đổi áp điện làm việc liên tục như một máy phát và máy thu, cácyếu tố hồi tiếp và điều chỉnh trong các giai đoạn tiếp nhận thường được sửdụng chung với các giai đoạn phát.

Hình 1.1 Mạch điện tử của máy phát áp điện dạng xung.

Các giải pháp kết hợp các mạch chuyển đổi cũng đã được đề xuất đểnâng cao hiệu quả của bộ chuyển đổi.

1.3 Mạch điện tử phát xung tạo ra điện áp cao và thu nhận tín hiệu đangđược áp dụng cho biến tử áp điện dải tần rộng [9].

Hầu hết các ứng dụng đầu dò áp điện dải tần rộng hoạt động trong dảitần số từ 0,5 MHz và 10 MHz Sự kích thích các đầu dò áp điện đã được thựchiện với xung điện áp cao trong khoảng thời gian cực ngắn Trong các ứngdụng đặc biệt của các thiết bị siêu âm với độ chính xác cao (sử dụng đầu dò20MHz), việc tăng khoảng thời gian kích thích là cần thiết.

Trong nhiều trường hợp, để hạn chế sự suy giảm của sóng siêu âm, tacần tăng mạnh tần số phát Vì lý do này, các bộ chuyển đổi áp điện phải cóbiên độ điện áp rất lớn ,có thể lên đến 500V.

1.3.1 Một số mạch cổ điển để điều khiển cảm biến siêu âm

Để phát ra được xung điện áp cao trong thời gian ngắn, rất nhiều mạchđiện tử đã được sử dụng Phương trinh 1.2 và 1.3 thể hiện điện áp đầu ra vớiđỉnh lớn hơn 220V Một cấu hình thông thường được trình bày chi tiết trong

hình 1.2 Nó sử dụng một linh kiện thyristor (Th) để chuyển đổi điện áp cao

và xả nhanh của tụ điện C thông qua điện trở RD và bộ chuyển đổi Tần số xảlặp lại này thường dao động tử 0.5 đến 5kHz Thời gian xung tạo ra trên RD

khi đầu dò không tải, trong quá trình chuyển đổi các giai đoạn trong Th, cóthể tính theo biểu thức:

(1.2)ton là thời gian cần thiết để thyristor đạt đến trạng thái bão hòa.

Hình 1.2 Mạch tạo xung dùng để điều khiển cảm biến áp điện dải tần rộng Mạch

dựa trên chuyển mạch thyristor.

Các mạch đặc biệt trong đưa ra thời gian điện áp tăng từ 150-250nanogiây (ns) Các nội dung liên quan đến tần số không đủ để sử dụng cho các ứngdụng trên 2MHz Hạn chế của mạch, tùy thuộc vào hiệu quả ton, có thể khắcphục bằng cách sử dụng một thyristor nhanh hơn, nhưng các thiết bị có loạinhư vậy chỉ sử dụng trong phạm vi điện áp thấp Việc lựa chọn này thể hiệntrong hình 1.3, với một loạt các kết nối thyristor giảm áp, một xung có độ lớnđỉnh (giá trị điện áp của xung) cao hơn sẽ được tạo ra Bằng cách lặp lạichương trình này trong một loạt các giai đoạn, có thể tạo ra các xung có điệnáp cao cần thiết Tuy nhiên, sai số thời gian trong quá trình các thyristor tạo raxung sẽ mang tới tác hại, có thể làm sai lệch tín hiệu siêu âm nhận được Mộtbất lợi của các thiết bị này là tổn thất rất cao trong trạng thái tắt.

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.

Với những lý do này, nó tạo ra sự lựa chọn tốt hơn cho việc chuyển đổiđiện áp cao Công suất của transistor MosFet (TMF) đáp ứng tất cả các yêu cầuvà không có những hạn chế trên Loại mạch này dựa trên các linh kiện đãđược đề xuất trong nhiều tài liệu Mạch này có thể tạo ra xung có độ lớn đỉnh240V và độ giảm trở kháng 300 Ω Sự gia tăng thời gian liên quan tới xungđầu ra là 100ns và do đó nó có thể dùng để điều khiển đầu dò có tần số cộnghưởng dưới 3MHz Một linh kiện chuyển mạch nhanh hơn sẽ cần thiết để kíchthích thích hợp cảm biến dải tần rộng trong hầu hết các ứng dụng.

1.3.2 Mạch điện tử được phát triển để tạo xung điều khiển cảm biến tần

số cao đạt hiệu quả cao.

Hình 1.4 là sơ đồ khối của một bộ phát xung, được phát triển đặc biệtđể kích thích hiệu quả cho đầu dò dải tần rộng từ tần số 30MHz Mạch phátxung được thiết kết như hình 1.1.

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.

Sự chuyển đổi MosFet sử dụng như một máy phát điện, nó được điềukhiển bởi một chu trình chi tiết tại hình 1.5, dòng mà các transistor bổ sung T2

và T3 cung cấp cần thiết để chuyển đổi nhanh chóng của transistor TMF (xemmạch máy phát hình 1.6) Cần lưu ý rằng một cổng của transistor có điệndung cao khoảng 1500pF Kết quả là, việc kiểm soát tại cửa ra phải được thựchiện thông qua các mạch trở kháng rất thấp để tối ưu hóa thời gian chuyểntiếp như mong muốn.

Hình 1.5 Tầng khuếch đại sử dụng transistor công suất.

Hình 1.6 Bộ chuyển đổi cao áp sử dụng khả năng nạp xả của tụ điện.

Trong mạch điện hình 1.6, một diot Zener Z đặt giữa cực D của TMF vàtụ C, tạo ra thay đổi điện áp qua TMF và bộ chuyển đổi Trong quá trình nhưvậy, khi TMF bắt đầu xả sẽ gần bằng với trường hợp bão hòa khi không có mặtcủa diode Z

Hình 1.7 Mạch hạ áp và mạch biến đổi điện áp cho biến tử áp điện.

Một ảnh hưởng quan trọng của linh kiện này là tránh sự biến dạng củaxung trong nửa chu kỳ hoạt động khi thu được tín hiệu sóng siêu âm Nếukhông có diode zener này, nửa chu kỳ hoạt động sẽ được nối đất qua diot D1

(xem hình 1.7) tụ C và TMF, tạo ra sự bóp méo tín hiệu.

Khối thứ 3 này bao gồm 1 cuộn dây LO có thể điều chỉnh mắc songsong với điện trở RD Mắc cuộn dây cho phép điều khiển dạng xung ra phụthuộc thời gian D1 và D2 ngăn chặn các tín hiệu dao động từ mạch cộnghưởng C - LO truyền về, nó chỉ cho phép cảm biến hoạt động ở nửa chu kỳ âmđầu tiên, và xung sẽ quay về sẽ bị triệt tiêu khi đi qua RL và D1 Sử dụng nhiềudiode tín hiệu, cho phép điện áp đỉnh (thông qua D1) và dòng phân cực ngượcgần 500V (thông qua D2).

Các mạch hình thành bởi LO, D1 và D2 trong mạng hạ áp, cải thiện biênđộ và hình dạng trong các nhánh ra vì hai lý do:

1 Nó có hiệu quả có thể thay thế hiệu quả hạ áp của một RD điện trở cógiá trị thấp để giảm đi sự biến đổi của biên độ

2 Nó có thể làm cho sự truyền xung là diễn ra độc lập khi transistor TMF

đạt đến ngưỡng giới han.Việc này rất liên quan đến khả năng tồn tại của cácthiết bị trong mạch

Các điện trở có giá trị thấp (RL << RD) có tác dụng bảo vệ các thiết bịđiện tử khi có trường hợp ngắn mạch ở đầu ra, và làm giảm sự biến dạng tínhiệu ở đầu ra Nếu không có RL, thì điện áp ở nửa chu kỳ sau sẽ truyền xuốngđất thông qua D1 và D2.

Một số mạch trước biểu diễn sự điều khiển điện áp cao trong các thiếtbị siêu âm dải tần rộng, do các thiết bị bán dẫn liên quan (TMF, D1, D2) Vì lýdo này, rất khó để tính được chúng bằng các biểu thức phân tích đơn giản.Tuynhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, ví dụ như khi trở kháng của cuộn dây

LO trong hình 1.7 là tương đối cao, ωLO >> RD, sau đó sự tăng vọt điện áp Vout

trên các thiết bị đầu cuối đầu dò có thể được dự đoán bằng các biểu thức sau : (1.3)

Tuy nhiên, phương trình (1.3) chỉ có thể sử dụng đầy đủ cho bố trí đặcbiệt trong điều kiện tải điện tại các thiết bị đầu cuối điện đầu ra của mạch phátxung điện áp cao, và trong các mạch giao diện khác thường được sử dụngtrong hầu hết các ứng dụng băng thông rộng

1.3.3 Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu dải tần rộng.

Có một số mạch điện tử có thể sử dụng để bộ cảm biến áp điện hoạtđộng như một máy thu - phát sóng siêu âm đã được số hóa.

Hình 1.8 Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu siêu âm dải rộng.

Hình 1.8 biểu diễn một mạch điện tiêu biểu, với mục đích thu nhận tínhiệu Mạch này tương ứng với một chương trình đơn giản cho việc thu nhậnvà khử các tín hiệu phản hồi có dải tần rộng tại các thiết bi cảm biến trong

ứng dụng siêu âm hoặc nhận xung phản hồi trong hoạt động kiểm tra bằngsiêu âm.

Tại đầu ra của T1 và T2, mạch song song thường hoạt động để nhận hồitiếp và giảm điện áp Giới hạn tại hai cực của gia đoạn thứ hai lớn nhất ≈ ± 5V của ba nhánh để bảo vệ các thiết bị điện tử tiếp nhận xung điện áp cao đượcđưa ra từ đầu ra của đầu dò trong quá trình điều khiển Mạch này được tạo rabởi ba nhánh song song liên tiếp chỉ co dòng chạy theo một đường của mỗidiot zener và diode tín hiệu Cần thêm hai nhánh vì giá trị của dòng tạo ra rấtlớn khi đi qua nhánh đầu tiên, dòng điện lớn này được tạo ra vì các điện ápngưỡng trong các transistor.

Các tín hiệu xung hạn chế được đưa vào đầu vào của bộ khuếch đại tínhiệu dải tần rộng, thông qua một bước suy hao tùy chọn Hình 6.8 là một quátrình khuếch đại đơn giản với hai bước riêng biệt Bước đầu tiên được thựchiện thông qua một trở kháng kết hợp giữa các giá trị trở kháng tương đối caotrong đầu ra của đầu dò và trở kháng đầu vào thường thấp để làm giảm độnhiễu của mạch khuếch đại.

1.4 Phân tích ảnh hưởng của quá trinh hồi tiếp điện trong sự truyền xungđiện áp cao của cảm biến áp điện [8,9].

Trong phần này, dạng xung đưa vào được tạo ra bởi hệ thống phát xungđiện áp cao đã mô tả trong phần trước Phân tích các chức năng của các thôngsố phát và công suất điện đưa vào cũng như điện cực dò trong các mạch thôngthường.

Trong hình 1.9 là một xung điển hình (biên độ cho sẵn), nó được tạo rabởi một mạch điện có cấu trúc sơ đồ như đã mô tả trong hình 1.4 - 1.7 Xungnày được đo khi mạch phát xung không liên kết với bộ chuyển đổi áp điện.Trong các xung điều khiển thực tế, dưới điện áp tải, các dạng sóng bao gồmcả các điều kiện không lý tưởng khác tùy thuộc vào hàng loạt các yếu tố,

trong đó phải được đưa vào hệ thống phân tích chính xác quá trình kích thíchxung.

Hình 1.9 Dạng xung điều khiển hoạt động của bộ áp điện.

Trong hầu hết các ứng dụng, đỉnh xung đầu ra bình thường không cógiá trị biên độ tối ưu (trùng với điện áp đã cung cấp V0 trong các máy phátxung), trong đó sử dụng dao động tử 200 đến 500V Trong thực tế, nếu đầu dòcó trở kháng thấp và đặc biệt là đầu dò có điện dung rất cao, thì giá trị tối ưucủa đỉnh xung thường đạt được rất khác, nó làm giảm phạm vi hoạt động củacác tín hiệu trong một khoảng lớn Tuy nhiên, bằng các linh kiện phù hợp, cácthông số RC, C, RL và RD trong các mạch ở hình 1.6 và 1.7, những vấn đề nàyđược giảm thiểu.

Trong điều kiện tối ưu hóa của xung điều khiển, việc đưa ra một sốbiểu thức gần dúng cho việc phân tích dạng xung đầu ra theo thời gian sẽ trởnên hữu ích, vì chúng có thể được sử dụng như một công cụ thiết thực đểnâng cao hiệu suất của toàn bộ quá trình phát sóng siêu âm hoạt động trongdải băng thông rộng.

Các mạch phát cao áp tạo ra xung đầu ra được xem xét ở phần này Cácgiá trị tương ứng với V0, C, RD, L0 cũng như các giá trị của bộ chuyển đổi trởkháng đầu vào được đánh giá tại tần số gần với điều kiện cộng hưởng [ZXT

(fs)] Với mục đích này, hoạt động của các mạch phát xung sẽ ứng với ba giảđịnh liên quan tới ba điều kiện tải thực tế khác nhau:

1 Cuộn dây L0 không được nối với đầu ra của đầu dò và bộ chuyểnđổi trở kháng coi như là một điện trở tải thuần túy (RXT) trong khoảng thờigian điều khiển

2 Cuộn dây L0 không được nối với đầu ra của đầu dò và bộ chuyểnđổi trở kháng gần như là một mạch song song tương đương RXT//CXT có dạngnhư một điện dung bình thường.

3 Cuộn dây L0 được nối với đầu ra của đầu dò và bộ chuyển đổi cómô hình như một mạch song song RXT//CXT.

1.4.1 Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 1 Khi chúng ta cho rằng, trong quá trình chuyển tử điện áp cao [V = V0]trong thời gian t = 0 đến (V = 0) trong t = ton, điện áp cổng trong transistorMos-Fet TMF giảm tuyến tính theo thời gian, mạch phát có thể được mô tả bởimột mạch tương đương đã được đơn giản hóa.

Mạch tương đương này bao gồm: một nguồn lý tưởng VD mắc nối tiếpvới tụ C ban đầu có điện áp V0, và một mạch song song tương đương với batrở kháng điện trở, điện trở hồi tiếp điện (RD), điện trở bộ chuyển đổi trong

điều kiện cộng hưởng (RXT) và một trở kháng đầu vào đơn giản hóa (RSR) củamạch điện tử được sử dụng để thu nhận tín hiệu (ví dụ mạch trong phần 1.3.3)

Phần mạch nối VD có thể được thể hiện thông qua biểu thức sau: (1.4)

Điện áp nguồn phụ thuộc vào thời gian, việc chuyển đổi của TMF

transistor đến trạng thái bão hòa có thể được xấp xỉ như trong mô hình Các tụđiện C, tại t=0 có điện áp cao do nguồn cung cấp V0.

Đối với cách phân tích này, các hiệu ứng được tạo ra bởi RL, (RL<<RXT), và mạng lưới diot trong hình 1.7 có thể được bỏ qua do ảnh hưởng rấtnhỏ của chúng đối với việc điều khiển điện áp đầu ra Vout(t).

Hạn chế quan trọng của mạch này là phần mạch tương đương rất đơngiản, chúng ta phải lưu ý tới phạm vi hoạt động của nó chỉ có giá trị tử đầucủa quá trình chuyển đổi trong các transistor TMF (t = 0) để ngay lập tức có(t = ton).

Từ cách tiếp cận tuyến tính đơn giản này, chúng ta có thể thiết lập racác phương trình vi phân tương ứng, chúng ta có thể giải chúng thông quatrường Laplace và biến đổi Laplace ngược, sau đó đưa ra một biểu thức rõhơn trong thời gian điều khiển cao áp:

(1.5)Với (1.6) Giá trị của Vout(t) thu được từ việc áp dụng phương trình (1.5) chỉ đượccoi là chính xác với thời gian ngắn, trong đó có sự giảm quá trình chuyển đổitrong TMF xảy ra và điều này sẽ tạo ra sự hoàn toàn không phù hợp với suyluận, bắt đầu từ biểu thức 1.5 khi hoạt động của xung vượt quá thời gian.

Một cách khác để khắc phục điều hạn chế này là chúng ta ước tính biểuthức chuyển đổi tín hiệu trong TMF bằng một hàm mũ giảm, với mức giảm

thời gian τ liên hệ chặt chẽ với ton Việc chọn lựa này sẽ gần giống với hoạtđộng thực tế của transistor và mức độ bão hòa, ngoài ra các kết quả tính toáncác giá trị sẽ có thể sử dụng trong các thời gian tiếp theo, nghĩa là trong tất cảcác thời gian hoạt động (t > 0).

Khi một chức năng cải tiến của loại này được sử dụng để mô hình hóasự chuyển đổi của các thiết bị bán dẫn, một bảng phân tích có thể thu đượcbằng cách sử dụng một quá trình tương tự như sử dụng để tạo ra các biểu hiệntrong phương trình (1.5), cho các dạng sóng của xung đầu ra, Vout:

(1.7)

Nó có thể được quan sát thấy rằng Vout (t) bao gồm hai chức năng giảmtheo cấp số nhân, cả hai đều có biên độ ban đầu tương tự nhưng với dấu hiệungược lại Hàm mũ tích cực giảm theo một thời gian liên tục τ, trong khi tiêucực giảm với một CRP liên tục Do đó, các dạng sóng điện của Vout (t) bắt đầuvới một giá trị bằng không, tại t = 0, và sau đó nhanh chóng giảm theo mộtthời gian liên tục gần τ nếu C tụ được chọn với một giá trị như vậy mà CRP

>> τ.

Các kết quả xung Vout (t) sẽ nhận được một giá trị đỉnh tiêu cực (luônluôn nhỏ hơn một môđun trong Vo) sẽ gần với Vo nếu như CRP tăng giá trị đạthơn nhiều mà τ Mặt khác, nếu một xung khá hẹp được tạo ra, bằng cách sửdụng một ít giá trị cho các tụ điện C, trong một cách mà CRP << τ, biên độđỉnh trong xung đầu ra sẽ giảm một cách mạnh mẽ Một tác động tiêu cựctương tự có thể được quan sát thấy khi một sức đề kháng giảm xóc song songrất thấp được chọn, vì ảnh hưởng trực tiếp trên giá trị tham số RP.

1.4.2 Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 2 Trong trường hợp của các giả thuyết về một loại chức năng theo cấp sốnhân cho chuyển đổi TMF được duy trì, nhưng việc cải thiện sự tương ứng của

các mô hình của bộ chuyển đổi với các tải áp điện thực tế, bởi cũng kết hợpvới các bộ chuyển đổi công suất CXT kẹp vào mạch tương đương xấp xỉ sửdụng cho chúng tôi phân tích, một biểu hiện chính xác hơn có thể thu đượccho Vout (t).

Trong thực tế, điện dung của các đầu dò trong nhiều ứng dụng ảnhhưởng trực tiếp đến sóng của Vout (t), bởi sự kích thích điện do đặc điểm củađiện dung mà không phụ thuộc vào trạng thái cộng hưởng và do đó luôn luônthể hiện trên thiết bị nối với đầu ra của mạch phát xung.

Các biểu hiện có thể đạt được cho Vout (t) trong trường hợp này nhưmột hàm của thời gian như sau:

(1.8)

Trong biểu thức này, giá trị cao nhất dự kiến cho Vout (t) xung ra [giả sửđiều kiện lý tưởng: (C + CXT) RP >> τ] phụ thuộc rất nhiều vào các bộ chuyểnđổi điện dung CXT, nó chỉ đạt giá trị tối ưu (gần với điện áp V0) khi CXT << C,và giảm khi CXT tăng.

Sau đó, để tối ưu hóa biên độ điện áp trong sự truyền xung cao áp, mộttụ điện C có điện dung lớn hơn so với điên dung của bộ cảm biến được sửdụng trong tất cả các trường hợp này là có thể Tuy nhiên, có một hạn chếquan trọng trong khía cạnh này Vấn đề phát sinh khi chuyển đổi áp điện vớiđiện dung phải được kích thích rất cao, bởi vì thời gian cần thiết để sạc tụđiện C có thể là lâu hơn khoảng thời gian giữa hai lần nhảy liên tiếp (trong đósử dụng được dao động từ 100 đến 500 μs cho các ứng dụng trong y tế vàcông nghiệp) Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách giảm phù hợp vớiCRc bằng cách hạ thấp giá trị của điện trở Rc, như một hệ quả gián tiếp củaviệc này, nó sẽ là cần thiết việc sử dụng một nguồn điện áp cao Vo khả năng

cung cấp các dòng cao điểm cần thiết khi các giá trị thấp của Rc được lựachọn, có thể trở nên rất đắt tiền trong nhiều mạch chuyển đổi ứng dụng.

1.4.3 Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 3 Mạch tương đương đơn giản, tương ứng với giả định phức tạp hơn thứ banày, bao gồm một cuộn dây L0 song song trong các thiết bị đầu cuối đầu racủa mạch phát xung (mà thường được sử dụng để điều chỉnh hoặc định hìnhxung) Ngoài ra, các tác động của các diode Di (mô tả trong hình 1.7) phảiđược xem xét trong trường hợp cụ thể này, bởi vì chúng được kết nối songsong với những thiết bị đầu cuối đầu ra Khía cạnh cuối cùng này là hợp lýbởi vì, nếu những ảnh hưởng của các diode được bỏ qua trong mạch này, vớiL0 kết nối, tín hiệu xung điện áp cao được tạo ra bởi các mạch điện sẽ là mộtxung khá dài với dao động mạnh Tuy nhiên, nếu các diode được tính đếntrong sơ đồ phát xung, dạng sóng xung sẽ tương ứng với các phản ứng thực sựcủa mạch phát xung điện áp cao, bởi vì chúng sẽ loại bỏ các dao động xuấthiện sau khi xung đầu tiên không qua.

Hình 2.1 Quy trình công nghệ gốm truyền thống

Gốm được chế tạo bằng phương pháp truyền thống theo sơ đồ hình 2.1gồm các bước sau đây:

Bước 1: Chuẩn bị vật liệu

Các hợp chất phối liệu PbO, ZrO2, TiO2, MnO2 và ZnO đều có độ sạchcao Trong đó, ZrO2 và TiO2 là của hãng Daejung – Hàn Quốc Với TiO2

thuần anatat của Daejung – Hàn Quốc, kích thước hạt trung bình khoảng

100nm Lượng PbO bổ sung được chọn là 5% khối lượng Nguyên liệu banđầu được cân theo các thành phần hợp thức hoá học Pb(Zr0.51Ti0.49)O3 -0.4%klt MnO2 - 0.15%kl ZnO

Bước 2: Nghiền trộn lần 1

Quá trình nghiền trộn được tiến hành bằng máy nghiền hành tinhPM400/2 –MA-Type sử dụng bi zirconia Sử dụng chế độ đảo, tốc độ100v/ph, thời gian nghiền 20 giờ.

Bước 3: Ép nung sơ bộ

Sau khi nghiền trộn lần 1, hợp chất được sấy khô vàc ép trong khuôn cóđường kính 5cm, với lực ép khoảng 300kg/cm2 và nung sơ bộ ở nhiệt độ8500C, thời gian 2 giờ

Bước 4: Nghiền lần 2

Sau khi nung sơ bộ, mẫu được đập vỡ và trộn với 2% kl LBO Tiến hànhnghiền lần 2 bằng máy nghiền hành tinh trong thời gian 16 giờ Mục đích củanghiền trộn lần này nhằm tạo ra sự đồng nhất hợp chất và giảm kích thước hạt,giúp các chất tham gia các phản ứng hoàn toàn ở giai đoạn thiêu kết Độ mịn vàđộ đồng đều của các hạt ảnh hưởng lớn đến chất lượng của gốm sau khi thiêukết Chất chảy được chế tạo từ Li2CO3 và Bi2O3 Cân phối liệu theo tính toánđể tạo ra lượng LiBiO2(LBO) cần thiết Cho vật liệu vào cối nghiền 1h sau đóép nung tại nhiệt độ 6000C trong 1h và nghiền lại 1h.

Bước 5: Ép và nung thiêu kết

Mẫu được ép định hình ở áp lực thấp (1500kg/cm2), và được nung thiêukết trong thời gian 2 giờ ở tại nhiệt độ 8500C, tốc độ gia nhiệt 50C/phút Mẫusau khi nung thiêu kết được xử lý và phủ điện cực bạc.

2.2 Một số thông số cơ bản của gốm

2.2.1 Cấu trúc và vi cấu trúc

Cấu trúc và thành phần pha của hệ gốm được phân tích bằng phươngpháp nhiễu xạ tia X tại Khoa Hóa – Đại học Quốc gia Hà Nội Hình 2.2 là phổnhiễu xạ của các mẫu gốm PZT51/49 – 0.4%kl MnO2 -0.15%kl ZnO-2%kl

LiBiO2 được thiêu kết ở 8500C Kết quả phân tích cho thấy vật liệu có cấutrúc perovskite điển hình, hoàn chỉnh và không có pha lạ Để thuận lợi trongso sánh, chúng tôi ký hiệu vật liệu gốm nung tại 8500C do tác giả Lê QuangQuý Tú [6] chế tạo là 850(a) và mẫu do chúng tôi chế tạo là 850(b).

Faculty of Chemistry, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau2

00-050-0346 (*) - Lead Titanium Zirconium Oxide - Pb(Zr0.44Ti0.56)O3 - Y: 65.54 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.01720 - b 4.01720 - c 4.13910 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - File: VienHue Mau2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 60.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° -

Hình 2.3 là ảnh SEM của gốm PZT51/49 - 0,4%kl MnO2 -0.15%kl 2%kl LiBiO2 được thiêu kết tại 8500C Cỡ hạt trung bình khoảng 1.7m, sựphân bố hạt khá đều và mức độ xếp chặt cao

2.2.2 Phổ phân bố năng lượng EDS

Kết quả phân tích thu được từ phổ EDS (hình 2.4) cho thấy:

Tỷ lệ phần trăm khối lượng của các nguyên tố có mặt trong mẫu là Pb =55.48%, Zr = 15.89%, Ti = 6.67%, O = 21.95% và tỷ lệ phần trăm nguyên tửPb = 13.7%, Zr = 8.13%, Ti = 8.4%, O = 69.77% Trong phổ EDS không pháthiện sự có mặt của nguyên tố Mn và Zn, điều này có thể do nồng độ củachúng khá thấp Đối với gốm PZT49/51, tỷ lệ Zr/Ti = 49/51 = 0.96 Trên cơsở số liệu EDS, tỷ lệ Zr/Ti = 8.13/8.4 = 0.97 (theo phần trăm nguyên tử) Kếtquả thu được cho thấy các nguyên tố chính có mặt trong thành phần của gốmsau khi thiêu kết là khá ổn định.

2.2.3 Khối lượng riêng và hằng số điện môi

Hằng số điện môi, tổn hao điện môi, được đo ở nhiệt độ phòng, tại1kHz trên hệ đo LCR 3532-Hioki Khối lượng riêng của vật liệu được đobằng phương pháp Archimedes, sử dụng cân điện tử HR-200 có độ chính xác0.0001gam Kết quả được cho ở bảng sau:

Bảng 2.1 Khối lượng riờng và hằng số điện mụi của hệ gốm

PZT51/49 – 0.4%kl MnO2 -0.15%kl ZnO-2%klLiBiO2

2.3 Sự phụ thuộc của hằng số điện mụi vào nhiệt độ

Hằng số điện mụi được xỏc định từ cụng thức của tụ điện phẳng: (2.1)

Nhiệt độ (0C)

Hỡnh 2.5 Sự phụ thuộc của hằng số điện mụi vào nhiệt

  M850-2

Nhiệt độ T(0

C)(298;1681)

Chúng ta nhận thấy rằng, sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo nhiệtđộ có đặc trưng chuyển pha sắt điện - thuận điện điển hình Nhiệt độ Curiecủa gốm 850(b) đạt 3640C cao hơn so với 850(a).

2.4 Đặc tính trễ sắt điện của vật liệu

Đường trễ sắt điện thường được quan sát bằng phương pháp mạchSawyer - Tower, sử dụng dao động ký số TDS 1012B Điện trường ngoài Váp đặt lên mẫu sắt điện Cx được đưa vào trục X của dao động ký Như vậy, độlớn của trục X tỷ lệ với thế rơi trên mẫu Một tụ C0 thuần có giá trị lớn hơn Cx

được mắc nối tiếp với Cx

Hình 2.6 Sơ đồ mạch Sawyer-Tower.

-30-25-20-15-10-5051015202530

Bảng 2.2 Các giá trị Ec và Pr của mẫu 850(a) và 850(b)

2.5 Tính chất áp điện

Để chọn được các thông số cho chế độ phân cực tối ưu, chúng tôi khảosát các thông số áp điện theo điện trường trong quá trình phân cực với bảngốm hình đĩa có đường kính d = 10.8mm, chiều dày 1.3mm Nhiệt độ phâncực cố định tại 1300C, thời gian phân cực 15 phút.

Hình 2.8 là phổ cộng hưởng của gốm áp điện phân cực tại 30kV/cm,nhiệt độ 1300C, thời gian 15 phút Phổ cộng hưởng của các chế độ phân cựckhác cũng có dạng tương tự Từ phổ cộng hưởng của gốm phân cực tại các

180000200000220000240000260000280000 -100-50050100150

lnz

TÇn sè (Hz)

Hình 2.8 Phổ cộng hưởng của gốm áp điện phân cực tại