Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc tính của phần tử áp điện không chì

LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp cao học hoàn thành Đại học Bách Khoa Hà Nội Có luận văn tốt nghiệp này, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học đặc biệt PGS,TS Hoàng Sỹ Hồng TS Đặng Đức Dũng, người trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ với dẫn khoa học quý giá suốt trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc tính phần tử áp điện không chì” Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo – Các nhà khoa học trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành Đo lường hệ thống điều khiển cho thân năm tháng qua Xin ghi nhận công sức đóng góp quý báu nhiệt tình bạn học viên lớp Có thể khẳng định thành công luận văn này, trước hết thuộc công lao tập thể, nhà trường, quan xã hội Đặc biệt quan tâm, động viên, khuyến khích thông cảm sâu sắc gia đình Nhân xin bày tỏ lòng biết ơn sâu đậm Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn đơn vị cá nhân hết lòng quan tâm tới nghiệp đào tạo cán ngành Điện Tôi mong nhận đóng góp phê bình quý Thầy Cô, nhà khoa học, độc giả bạn đồng nghiệp Đề tài hoàn thành hỗ trợ kinh phí thuộc đề tài Bộ giáo Dục Đào tạo, mã số B2013.01.55 Xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2015 Nguyễn Văn Toản MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN .10 1.1 Nguyên lý ứng dụng vật liệu áp điện 10 1.1.1 Nguyên lý tượng áp điện 10 1.1.2 Ứng dụng vật liệu áp điện 12 1.2 Phân loại vật liệu áp điện 15 1.2.1 Vật liệu áp điện chứa chì tác hại 15 1.2.2 Một số vật liệu áp điện không chì 17 1.3 Các phương pháp khảo sát đặc tính vật liệu áp điện 19 1.3.1 Nguyên lý phân tích cấu trúc từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 19 1.3.2 Nguyên lý phân tích hình thái bề mặt kính hiển vi điện tử 21 1.3.3 Phương pháp phổ UV – VIS khảo sát tính chất quang vật liệu 22 Chương THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 26 2.1 Thiết kế tổng thể .26 2.2 Một số phương pháp thiết kế mạch nguồn cung cấp cho phần tử áp điện 27 2.2.1 Mạch dùng IC chuyên dụng MAX 8038 27 2.2.2 Mạch phát xung tam giác dùng tranzitor 28 2.2.3 Mạch phát xung tam giác dùng opam .30 2.3 Thiết kế chi tiết nguồn phương pháp sử dụng opam 30 2.3.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch điện 30 2.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý .31 2.3.3 Một số linh kiện sử dụng mạch 40 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Khảo sát nguồn 47 3.1.1 Sơ đồ đo lường 47 3.1.2 Kết khảo sát 47 3.2 Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT .52 3.2.1 Sơ đồ đo lường 52 3.2.2 Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT 52 KẾT LUẬN CHUNG 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 57 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sự phân cực tượng áp điện 11 Hình 1.2 Các hiệu ứng áp điện thuận nghịch 12 Hình 1.3 Động Piezo truyền sóng siêu âm thẳng 14 Hình 1.4 Một người bị nhiễm độc chì 16 Hình 1.5 Ảnh hưởng kim loại pha tạp tới số áp điện Smax/Emax vật liệu gốm BNKT .19 Hình 1.6 Sự tán xạ tia X bề mặt tinh thể [3] 20 Hình 1.7 Nguyên tắc đo phổ hấp thụ cầu tích phân [3] .23 Hình 1.8 Sự hấp thụ ánh sáng mẫu đồng [3] 24 Hình 2.1 Sơ đồ khối khảo sát tính chất phát siêu âm BNKT 26 Hình 2.2 Mạch phát sóng sin điều khiển tần số điện áp 27 dùng IC MAX 8038 [5] 27 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối công suất [12] .28 Hình 2.4 Mạch tạo xung vuông xung tam giác dùng transistor [12] 29 Hình 2.5 Mạch tạo xung tam giác dùng opam 30 Hình 2.6 Sơ đồ khối tổng quát mạch điện 31 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng .31 Hình 2.8.Mạch tích phân sử dụng khuếch đại thuật toán [13] 32 Hình 2.9.Mạch tích phân với đầu vào không [14] 32 Hình 2.10 Mạch tích phân với đầu vào tích cực 33 Hình 2.11 Mạch tích phân vào đầu cao tiêu cực 33 Hình 2.12 Tín hiệu điện áp đầu đầu vào tiêu cực .34 Hình 2.13 Tín hiệu điện áp đầu đầu vào tích cực 34 Hình 2.14 Sơ đồ mạch trigger Schmitt 35 Hình 2.15 Tín hiệu đầu trigger Schmitt đầu mạch tích hợp 35 Hình 2.16 Mạch trigger Schmitt thêm chiết áp [13] 36 Hình 2.17 Nguyên lý mạch tạo xung tam giác 37 Hình 2.18 Nguyên lý mạch nguồn 5VDC 38 Hình 2.19 Sơ đồ khối vi xử lý hiển thị 38 Hình 2.20 Sơ đồ mạch khuếch đại công suất 39 Hình 2.21 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể nguồn 40 Hình 2.22 IC LM318 40 Hình 2.23 Sơ đồ chân LM318 .41 Hình 2.24 Vi điều khiển atmga8 42 Hình 2.25 Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển 43 Hình 2.26 Sơ đồ mạch in nguồn 44 Hình 2.27 Bộ nguồn hoàn thành 45 Hình 2.28 Mặt sau nguồn .45 Hình 2.28 mô tả mặt sau nguồn Ở mặt sau, nguồn có ổ cung cấp điện đầu nguồn chưa qua biến áp 45 Hình 2.29 Bên nguồn .46 Hình 3.1.Sơ đồ kiểm tra nguồn .47 Hình 3.2 f = 716 Hz, A = 10 V .48 Hình 3.3 f=58 Khz, A=11 V 48 Hình 3.4 f=715 Hz, A=80 V 49 Hình 3.5 f=60 KHz, A=42 V .49 Hình 3.6 f=18 Khz, A=98V .50 Hình 3.7 A=108 V, f=62 khz 50 Hình 3.8 f=35 Khz, Amax = 131 V 51 Hình 3.9 LCD hiển thị giá trị điện áp tần số 51 Hình 3.10 Sơ đồ mạch khảo sát BNKT .52 Hình 3.11 Khi chưa lắp vào mạch nguồn, cường độ âm 51,2 dB 53 Hình 3.12 Khi mạch nguồn sử dụng biến áp thường, cường độ âm 58.4 dB .53 Hình 3.13 Khi mạch nguồn sử dụng biến áp xung, cường độ âm 59,0 dB .53 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 3.1 Bảng giá trị cường độ âm vật liệu BNKT .52 DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT PZT : Pb(Zr,Ti)O3 PMN-PT : Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 BNKT : Bi0.5(Na,K)0.5TiO3 KNN : KxNa1-xNbO3 XRD : giản đồ nhiễu xạ tia X SEM :Kính hiển vi điện tử quét TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua MỞ ĐẦU Vật liệu gốm áp điện có thành phần chì Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) hay Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) sử dụng rộng rãi linh điện cảm biến phận chấp hành [10] Tuy nhiên, nguyên tố chì ảnh hưởng tới môi trường sức khỏe người chúng bay trình chế tạo trình xử lý linh kiện điện tử rác thải [18] Mặc dù độc hại nguyên tố chì nghiên cứu thừa nhận, nhiên, vật liệu sử dụng rộng rãi đặc tính ưu việt mang lại tính độ phân cực điện môi cao, biến dạng mạnh tác dụng điện trường, số điện môi lớn v.v., mà chưa có vật liệu thân thiện với môi trường có Gần đây, việc phát số vật liệu áp điện không chứa chì, thân thiện với môi trường người công bố, số vật liệu vật liệu Bi0.5Na0.5TiO3 trọng quan tâm nghiên cứu [18,9] Trong số vật liệu gốm áp điện không chì vật liệu quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ có đặc trưng áp điện so sánh với họ vật liệu PZT Vì lý với trang thiết bị có, chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn Thạc sĩ là: “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc tính phần từ áp điện không chì” Mục đích đề tài Chế tạo hệ đo để khảo sát phần tử áp điện không chì Theo yêu cầu đặt hàng bên Vật lý, hệ đo nguồn đạt tiêu chuẩn sau: - Tiêu chuẩn 1: Bộ nguồn xoay chiều phát xung tam giác - Tiêu chuẩn 2: Điện áp từ V đến 130 V thay đổi - Tiêu chuẩn 3: Tần số từ KHz đến 60 KHz thay đổi - Tiêu chuẩn 4: Bộ nguồn có lựa chọn loại biến áp tăng áp: + Biến áp thường lõi sắt từ + Biến áp xung lõi Ferit - Tiêu chuẩn 5: Bộ nguồn phải có LCD hiển thị giá trị điện áp tần số Khảo sát đặc tính phần tử áp điện không chì BNKT Phương pháp thực luận văn Luận văn thực phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết - Nguyên lý tượng áp điện, ứng dụng ảnh hướng vật liệu áp điện chứa chì - Vật liệu áp điện không chì BNKT phương pháp khảo sát đặc tính vật liệu áp điện - Các phương pháp chế tạo nguồn Thực nghiệm - Chế tạo nguồn phương pháp sử dụng Opam khảo sát đặc tính phần từ áp điện không chì BNKT Phạm vi triển khai Khảo sát mặt định tính hiệu ứng áp điện nghịch, đặc tính dao động, phát sóng âm phần tử áp điện không chì BNKT Luận văn chia làm chương: Chương Tổng quan - Nguyên lý tượng áp điện, ứng dụng vật liệu áp điện - Ảnh hưởng vật liệu áp điện chứa chì tới sức khỏe người môi trường - Một số vật liệu áp điện không chứa chì - Các phương pháp khảo sát đặc tính vật liệu áp điện Chương Thiết kế chế tạo - Sơ đồ khối hệ đo - Các phương pháp chế tạo nguồn - Chế tạo nguồn phương pháp sử dụng Opam Chương Kết thảo luận - Khảo sát, đánh giá nguồn - Khảo sát đặc tính phát sóng âm phần tử áp điện không chì BNKT Chương TỔNG QUAN Vật liệu áp điện ngày trở nên phổ biến ứng dụng rộng rãi thực tế Đa số vật liệu áp điện chứa nguyên tố Chì, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người môi trường Vấn đề cấp thiết đặt phải nghiên cứu, chế tạo loại vật liệu áp điện không chì, thân thiện với môi trường mà có đặc tính tương tự vật liệu chứa chì 1.1 Nguyên lý ứng dụng vật liệu áp điện 1.1.1 Nguyên lý tượng áp điện Hiện tượng áp điện đề cập vào năm 1817, sau Pierre Curie Jacques Curie chứng minh nghiên cứu thêm vào năm 1880 Hiện tượng xảy sau: người ta khảo sát loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) Khi áp vào điện trường biến đổi hình dạng ngược lại dùng lực học tác động vào hai bề mặt vật liệu có xuất chênh lệch điện áp Nếu nối hai mặt vật liệu với mạch điện thấy có dòng điện chạy mạch Nó máy biến đổi trực tiếp điện thành ngược lại Theo chiều hướng thuận tác dụng lực lên vật sinh điện theo chiều hướng nghịch tác động hiệu điện vào vật sinh công làm biến dạng vật Một vật cấu tạo ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi Zr, titan Ti) có tính chất áp điện Sự phân cực vật liệu áp điện minh họa hình 1.1 10 - Khi nguồn chưa sử dụng biến áp A(V) t(ms) Hình 3.2 f = 716 Hz, A = 10 V A(V) t(ms) Hình 3.3 f=58 Khz, A=11 V Ta thấy, điện áp thấp, tần số thấp f = 716 Hz (hình 3.2) tần số cao f=58 Khz (hình 3.3) xung phát từ nguồn xung tam giác xác 48 - Khi nguồn sử dụng biến áp thường: A(V) t(ms) Hình 3.4 f=715 Hz, A=80 V A(V) t(ms) Hình 3.5 f=60 KHz, A=42 V Trên hình 3.4 tần số thấp, f = 715 Hz tín hiệu điện áp xung tam giác bị méo Ở tần số cao f = 60 KHz (hình3.5) tín hiệu xung điện áp tương đối xác 49 - Khi nguồn sử dụng biến áp xung: A(V) t(ms) Hình 3.6 f=18 Khz, A=98V A(V) t(ms) Hình 3.7 A=108 V, f=62 khz Ở tần số thấp f = 18KHz (hình 3.6) tín hiệu bị méo Ở tần số cao f=62 KHz (hình 3.7) tín hiệu điện áp xác Như vậy, nguồn ta chế tạo phát xung tam giác có hai lựa chọn tăng áp Tăng 50 áp biến áp thường tăng áp biến áp xung Về bản, tín hiệu điện áp tương đối xác, thỏa mãn tiêu chuẩn tiêu chuẩn Trong trường hợp điện áp cao tần số thấp tín hiệu điện áp bị méo Đó hạn chế nguồn Ở tần số thấp, dài tần số mà tín hiệu điện áp bị méo truờng hợp nguồn sử dụng biến áp xung lớn trường hợp nguồn sử dụng biến áp thường Do đó, tần số thấp, ta nên sử dụng biến áp thường Hình 3.8 f=35 Khz, Amax = 131 V Hình 3.9 LCD hiển thị giá trị điện áp tần số Bộ nguồn có biên độ điện áp lớn A = 131 V (hình 3.8), tần số lớn đạt 62 KHz (hình 3.7) LCD hiển thị giá trị điện áp tần số (hình 3.9) Vậy, nguồn đạt tiêu chuẩn 2, tiêu chuẩn tiêu chuẩn 51 3.2 Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT 3.2.1 Sơ đồ đo lường Sơ đồ khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT minh họa hình 3.10 3.11 Nguồn ~ R Cảm biến đo cường độ âm Sóng âm BNKT Hình 3.10 Sơ đồ mạch khảo sát BNKT 3.2.2 Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT Khi khảo sát linh kiện BNKT chưa lắp vào mạch, lắp vào mạch sử dụng biến áp thường lắp vào mạch sử dụng biến áp xung, ta có kết sau (Bảng 3.1, hình 3.11 – 3.13) Bảng 3.1 Bảng giá trị cường độ âm vật liệu BNKT Cường độ âm I (dB) Chưa lắp vào Lắp vào mạch nguồn sử Lắp vào mạch nguồn mạch dụng biến áp thường sử dụng biến áp xung 51,2 58,6 59,0 52 Hình 3.11 Khi chưa lắp vào mạch nguồn, cường độ âm 51,2 dB Hình 3.12 Khi mạch nguồn sử dụng biến áp thường, cường độ âm 58.4 dB Hình 3.13 Khi mạch nguồn sử dụng biến áp xung, cường độ âm 59,0 dB Ta thấy rằng: Cường độ âm phát BNKT hai trường hợp sử dụng biến áp xung lớn trường hợp biến áp sử dụng biến áp thường 53 KẾT LUẬN CHUNG Như ta chế tạo thành công nguồn, thỏa mãn tiêu chuẩn đề Ở số trường hợp điện áp cao, tần số thấp (f = 715 Hz, A = 80 V) tín hiệu điện áp xung tam giác bị biến dạng Qua kết thực nghiệm ta thấy rằng, họat động tần số thấp (f