THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHẢO NGHIỆM MÁY RỬA BẰNG SÓNG SIÊU ÂM Họ

Vận tốc: Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển động của sóng được gọi là vận tốc V của sóng.. 2.1.3 Các phương trình cơ bản của sóng Khi một sóng c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO - KHẢO NGHIỆM MÁY RỬA BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

NGUYỄN QUANG PHƯỚC

Niên khóa: 2005 - 2009

Tháng 7/2009

Khóa luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành:

Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S NGUYỄN VĂN CÔNG CHÍNH

Tháng 7 năm 2009

CẢM TẠ

Nhóm sinh viên thực hiển đề tài xin chân thành cảm ơn quí thầy cô thuộc khoa

Cơ Khí – Công Nghệ, bộ môn Điều Khiển Tự Động và tất cả các thầy cô thuộc Trường Đại Học Nông Lâm TP HCM đã truyền đạt những kiến thức bổ ích cũng như tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường cũng như trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Đặc biệt cảm ơn thầy Nguyễn Văn Công Chính, cán bộ hướng dẫn đề tài, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài và đúng thời hạn

Xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Bạn, trưởng bộ môn Điều Khiển Tự Động

đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, người thân, và bạn bè đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện tốt nhất để nhóm thực hiện hoàn thành đồ án

Để rửa sản phẩm không bị dập nát hoặc thay đổi mùi vị, bước đầu nhóm đã thực hiện đề tài “ Thiết Kế, Chế Tạo Máy Rửa Dùng Sóng Siêu Âm” để đáp ứng nhu cầu trên Với đặc trưng của Ngành Điều Khiển Tự Động, Nhóm đã vận dụng những kiến thức về cơ khí, điện tử và lập trình vào thực hiện đề tài trên

Nhóm đã chế tạo thành công máy rửa dùng sóng siêu âm với những thông số kỹ thuật sau:

- Điện áp hoạt động 220V

- Máy có thể rửa với chế độ nhiệt độ cao dãy nhiệt độ điều khiển được từ 30 đến

700C Máy sử dụng điện trở nhiệt có công suất 75W

- Sử dụng một biến tử siêu âm có công suất 55W, tần số hoạt động 25Khz

- Dung tích bể rửa 1,5 lít

Bước đầu đánh giá về mặt cảm quan và đã khảo nghiệm sơ bộ trên một số loại trái cây như: Táo, Nho….cho kết quả tốt

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Th.S NGUYỄN VĂN CÔNG CHÍNH NGUYỄN NGỌC KHOA

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Lời cảm tạ ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách các hình viii

Danh sách các bảng xi

CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU 1

1.1Đặt vấn đề 1

1.2 Tầm quan trọng của đề tài và lý do chọn đề tài 2

1.3Mục đích đề tài 2

1.3.1 Mục đích chung 2

1.3.2 Mục đích cụ thể 2

1.4 Giới hạn đề tài 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 3

2.1Sóng siêu âm và các tính chất cơ bản của sóng 3

2.1.2 Các đặc trưng của sự truyền sóng 4

2.1.3 Các phương trình cơ bản của sóng 4

2.1.4 Sóng siêu âm, đặc điểm 6

2.1.5 Phân loại sóng siêu âm 6

2.1.6 Hình dáng của các mặt sóng 8

2.2 Các thông số đặc trưng của sóng siêu âm 9

2.2.1 Âm trở của môi trường 9

2.2.2 Vận tốc của sóng âm 9

2.2.3 Âm áp và cường độ sóng âm 10

2.3 Sự bức xạ sóng âm 11

2.4 Sự phản xạ sóng 12

2.4.1 Phản xạ sóng khi truyền vuông góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi trường 12

2.4.2 Phản xạ sóng khi truyền xiên góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi trường 13

2.4.3Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng 14

2.5Cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm 15

2.6Các yêu cầu cần thiết của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm 16

2.6.1Tần số sóng siêu âm 16

2.6.2Dạng sóng 17

2.6.3Nhiệt độ dung dịch 17

2.7Nguyên tắc hoạt động của máy rửa bằng sóng siêu âm 17

2.8Sơ đồ khối máy rửa 18

2.8.1Khối dao động Sin 18

2.8.2Khối khuếch đại công suất 18

2.8.3Khối cài đặt và hiển thị thời gian 18

2.8.4Khối cài đặt, ổn định và hiển thị nhiệt độ 18

2.9Tra cứu biến tử siêu âm( Ultrasonic Transducer) 18

2.9.1 Vai trò và phân loại biến tử siêu âm 18

2.9.2 Đầu siêu âm kiểu áp điện 19

2.9.3 Vật liệu áp điện 22

2.9.4 Khái niệm, Cấu tạo và các thông số đặc trưng của biến tử áp điện 25

2.9.5 Phạm vi ứng dụng của biến tử áp điện 26

2.10 Một số mẫu máy tham khảo 26

2.10.1 Máy rửa hãng Elma 27

2.10.2 Máy rửa hãng Eumax 27

2.11 Tra cứu linh kiện sủ dụng 28

2.11.1 Tra cứu LM7805 28

2.11.2 Tra cứu LM336 28

2.11.3 Tra cứu triac BTA 12 28

2.11.4 Tra cứu LM35 29

2.11.5 Tra cứu Transistor C1815 29

2.11.6 Tra cứu FET IRF 740 30

2.11.7 Tra cứu OPTO MOC3020 30

2.11.8 Tìm hiểu vi điều khiển Atmega32 31

2.11.9 Tra cứu bộ hiển thị LCD 33

2.11.10 Tìm hiểu phần mềm BASCOM-AVR lập trình cho vi điều khiển 33

2.12 Tra cứu biến áp xung 35

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài 37

3.1.1 Chọn phương pháp thiết kế máy rửa 37

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí 37

3.1.3 Phương pháp thực hiện phần điện tử 38

3.2 Phương tiện thực hiện đề tài 38

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

4.1Lựa chọn mô hình máy 39

4.1.1Cấu tạo chung 39

4.2.Chọn vật liệu chế tạo máy 40

4.3Thực hiện phần cơ khí 40

4.3.1Bể rửa 40

4.3.2Thân máy 40

4.4Thực hiện phần điện tử 42

4.4.1 Mạch nguồn 42

4.4.2 Mạch khuếch đại dao động 43

4.4.2 Mạnh hiển thị và nút nhấn điều khiển 44

4.4.3 Mạch công suất điều khiển nhiệt độ 45

4.4.4 Mạch điều khiển và mạch công suất tích hợp 45

4.4.5 Quấn biến áp xung 46

4.5 Thực hiện phần mềm 47

4.5.1 Khối cài đặt và hiển thị nhiệt độ 47

4.5.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển thời gian 49

4.5.3 Lưu đồ giải thuật cho toàn bộ máy 50

4.5.4 Viết chương trình vi điều khiển 53

4.6 Kiểm tra chạy thử và hoàn thành hệ thống 54

4.6.1 Kiểm tra máy 54

4.6.2 Thử nghiểm máy 54

4.7 Kết quả và thảo luận 55

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 64

5.1Kết luận 64

5.2 Đề nghị 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Khảo sát cơ chế truyền năng lượng sóng 3

Hình 2.2 Cơ chế truyền sóng âm 5

Hình 2.3 Sóng dọc 7

Hình 2.4 Sóng ngang 7

Hình 2.5 Sự phân bố trong không gian của chùm tia siêu âm 11

Hình 2.6 hình phản xạ sóng khi truyền vuông góc trên mặt phân cách giữa 2 môi trường 13

Hình 2.7: Sự phản xạ sóng khi truyền xiên góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi trường 14

Hình 2.8 Hiện tượng xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng 16

Hình 2.9 Dạng sóng thay đổi tần số liên tục 17

Hình 2.10 Sơ đồ khối mạch điện máy rửa siêu âm 18

Hình2.11 Biến tử siêu âm kiểu áp điện 20

Hình 2.12 Hiệu ứng áp điện thuận 20

Hình 2.13 Hiệu ứng áp điện nghịch 21

Hình 2.14 Piezoelectric Transducer 25

Hình 2.15 Máy rửa hãng Elma 27

Hình 2.16 Máy rửa hãng Eumax 27

Hình 2.17 Sơ đồ chân LM7805 28

Hình 2.18 Sơ đồ chân LM336 28

Hình 2.19 Hình dáng và kí hiệu của BTA 12 29

Hình 2.20 Sơ đồ chân LM35 29

Hình 2.21 sơ đồ chân Transistor C1815 29

Hình 2.22 Sơ đồ chân IRF 740 30

Hình 2.23 Sơ đồ chân MOC3020 30

Hình 2.24 Sơ đồ chân vi điều khiển ATMEGA32 31

Hình 2.25 Bộ hiển thị LCD 33

Hình 2.26 Giao diện chính của phần mềm Bascom – AVR 34

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lí mạch nạp 35

Hình 2.28 Hình dáng lõi Ferit 36

Hình 2.29 Các dạng biến áp xung 36

Hình 2.30 Sơ đồ cấu trúc bên trong của vi điều khiển ATMEGA32 75

Hình 2.31 Sơ đồ khối bộ hiển thị LCD 75

Hình 2.32 Sơ đồ đấu nối mođun LCD với vi điều khiển ATMEGA32 76

Hình 3.1 Sơ đồ khối máy rửa 37

Hình 4.1 Cấu tạo cơ bản của máy rửa bằng sóng siêu âm 39

Hình 4.2 Bể rửa được sử dụng trong máy 40

Hình 4.3 Thân máy trên Autocad 41

\Hình 4.4 Khai triển trên Tole 41

Hình 4.5 Thân máy 3D 42

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V 42

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn công suất 43

Hình 4.8 Mạch khuếch đại công suất 43

Hình 4.9 Hình Mạch hiển thị và nút nhấn điều khiển 44

Hình 4.10 Mạch điều khiển nhiệt độ 45

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và công suất máy 46

Hình 4.12 Sơ đồ khối hiển thị nhiệt độ 47

Hình 4.17 Nạp chương trình cho vi điều khiển 53

Hình 4.18 Hình máy hoàn chỉnh 54

Hình 4.19 Màn hình hiển thị chương trình điều khiển 55

Hình 4.20 Sơ đồ mạch bố trí thí nghiệm đo tần số giữa 2 đầu biến tử siêu âm 56

Hình 4.21 Hình mô phỏng tạo xung trên Proteus 57

Hình 4.22 Hình đo tần số sóng siêu âm trên Oscillocope 57

Hình 4.23 Hình đo tần số giữa 2 đầu biến tử siêu âm trên Oscillocope 58

Hình 4.24 Một số hình ảnh khảo nghiệm thời gian và nhiệt độ trên máy 60

Hình 4.25 Hình ảnh trước khi rửa 61

Hình 4.26 Hình ảnh trong khi rửa 62

Hình 4.27 Hình ảnh sau khi rửa 62

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1 Hình dáng các mặt sóng thông thường 9

Bảng 2 Quan hệ giữa tần số, đường kính biến tử và chiều dài trường gần 12

Bảng 3 Hệ số hấp thụ của một số chất 15

Bảng 4 Một vài đặc trưng của các biến tử áp điện phổ biến 24

Bảng 5 Bảng sơ đồ nối dây LCD 33

Bảng 6 Kết quả khảo nghiệm thời gian và nhiệt độ hoạt động của máy 60

Bảng 7 Kết quả rửa khảo nghiệm 62

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, thiết bị làm sạch có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp như

xi mạ, sơn, bán dẫn, công nghiệp nữ trang…, lĩnh vực y tế… Các phương pháp làm sạch cổ điển như sử dụng tay kết hợp với các loại dung dịch không đảm bảo độ sạch của các vật cần làm sạch đặc biệt với các vật có kết cấu phức tạp, có độ bám dính tạp chất cao Trong nông nghiệp dùng để rửa các loại trái cây mềm dễ dập nát như: Nho,

Cà chua… cũng rất cần thiết Kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu về công nghệ làm sạch được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị tẩy rửa với hiệu quả cao, tốc độ nhanh mà các phương pháp khác không đáp ứng được Thống kê cho thấy các phương pháp tẩy rửa thông thường độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 70% Rửa bằng phương pháp rung độ bẩn còn 50% Khi rửa bằng tay, độ bẩn trên

bề mặt chi tiết còn 20% Trong phương pháp rửa bằng sóng siêu âm độ bẩn còn lại

0,5%

Tuy nhiên, công nghệ này chỉ được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài với nhiều chủng loại, mẫu mã và đa dạng về chức năng, còn trong nước thì rất hạn chế Vì các thiết bị này phải nhập từ nước ngoài giá thành rất đắt và khó khăn trong việc bảo trì

sửa chữa

Được sự chấp nhận của ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí & Công Nghệ - Trường Đại Học Nông Lâm, chúng em bước đầu tiến hành thực hiện đề tài: “Thiết Kế - Chế Tạo – Khảo Nghiệm Máy Rửa Dùng Sóng Siêu Âm” với mong muốn của đề tài là ứng dụng

lý thuyết đã học để chế tạo và máy rửa siêu âm có thể ứng dụng được vào thực tế

1.2 Tầm quan trọng của đề tài và lý do chọn đề tài

Với xu hướng của công nghệ không gây ô nhiễm môi trường, không gây độc hại đến sức khỏe của con người Việc sử dụng năng lượng sóng siêu âm sẽ mang lại hiệu quả tẩy rửa vượt trội hơn so với các dung dịch tẩy rửa trước đây đặc biệt đối với các vật thể có kích thước nhỏ và hình dạng phức tạp

Sóng siêu âm không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực tẩy rửa mà còn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: Kiểm tra chất lượng sản phẩm, hệ thống phát hiện di động (cảm biến siêu âm), Vì thế, đề tài này là bước khởi đầu để nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm

1.3 Mục đích đề tài

1.3.1 Mục đích chung

Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mẫu máy Khảo sát mạch tạo xung, mạch điều khiển nhiệt độ, mạch điều khiển thời gian bằng vi điều khiển trên cơ sở đó tính toán, thiết kế máy rửa có qui mô nhỏ và rửa được một số loại trái cây như Nho, Cà chua

1.3.2 Mục đích cụ thể

Tìm hiểu cấu tạo máy, kết cấu máy, mạch điều khiển, mạch công suất bên trong máy ứng dụng lý thuyết đã học vào Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển, mạch công suất

và viết chương trình điều khiển

Thiết kế và thi công phần cơ khí

Rửa khảo nghiệm trên một số loại trái cây

Kiểm soát nhiệt độ tới 700C

Tần số của sóng siêu âm trong khoảng 20 - 25Khz

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Sóng siêu âm và các tính chất cơ bản của sóng

2.1.1 Bản chất của sóng và cơ chế truyền năng lượng

Khảo sát cơ chế truyền năng lượng giữa hai điểm A và B trong thí nghiệm như hình 2.1:

Hình 2.1 Khảo sát cơ chế truyền năng lượng sóng Trong trạng thái cân bằng, vật M chịu tác dụng của trọng lực G và sức căng T Dưới tác dụng của lực ngoài làm M chuyển động từ A tới B, sức căng T tăng Khi rời

vị trí B, M sẽ được gia tốc trở về A do tác dụng của sức căng T Tại A sức căng T cân bằng với G nhưng do M chuyển động với vận tốc xác định nên M tiếp tục di chuyển về

C làm lực căng T giảm, đồng thời trọng lực G sẽ tăng tương đối có xu hướng hãm vật

M làm cho nó không còn động năng và dừng lại tại C Tại C, do trọng lực G lớn hơn sức căng T, vật M lại chuyển động về phía A, quá trình này lập lại nhiều lần

Sự di chuyển của vật thể từ A → B; B → A; A→C; C→A thể hiện một chu kỳ dao động Số lượng chu trình dao động trong một giây thể hiện tần số dao động Thời

3

Nếu có một nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu do một lực căng tác dụng, nguyên tử đó sẽ dao động như vật M mô tả trên Do sự liên kết giữa các nguyên

tử nên sự dao động của một nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kế cận dao động theo Nên ta nói năng lượng cơ học hay sóng sơ học đã được truyền từ vị trí này sang vị trí khác trong môi trường

2.1.2 Các đặc trưng của sự truyền sóng

Bước sóng λ là quãng đường sóng truyền được trong khoảng thời gian một chu

kỳ T Các nguyên tử ở cách nhau một quãng đường sẽ sẽ có cùng trạng thái dao động tức là dao động cùng pha khi sóng truyền qua môi trường

c Vận tốc:

Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển động của sóng được gọi là vận tốc V của sóng

2.1.3 Các phương trình cơ bản của sóng

Khi một sóng cơ học lan truyền trong môi trường, sự dịch chuyển một hạt của môi trường ra khỏi vị trí cân bằng của nó tại một thời điểm bất kỳ t cho bởi phương trình:

a = A0sin 2πft (2.1)

Với: a Là độ dịch chuyển của hạt tại thời điểm t

A0 Là biên độ dao động cực đại của hạt

f Là tần số dao động của hạt

Xét chuyển động của hạt tại vị trí cách hạt đầu tiên một khoảng cách x ta có:

a = A0sin 2πft( t- x/v) (2.2)

Với x Là vị trí đang khảo sát và vị trí hạt đầu tiên

v Là vận tốc lan truyền của sóng

Trong một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v đi trong môi trường được một quãng đường λ được xác định:

hay λ = (2.4)

Đây chính là phương trình của mọi chuyển động sóng

Hình 2.2 Cơ chế truyền sóng âm

2.1.4 Sóng siêu âm, đặc điểm

5Sóng âm là dao động của các hạt của các chất rắn, chất lỏng và chất khí Đó là các chất đàn hồi Nói một cách khác sóng âm thanh là một sóng đàn hồi lan truyền

trong môi trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được sóng âm thanh

Tùy theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành các vùng sau:

Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên

độ dao động, năng lượng sóng tại tần số 1 Mhz lớn gấp 106 lần năng lượng sóng tại tần

số 1 Khz)

Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có tính định hướng cao Lợi dụng tinh chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp

Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm thực xảy ra trong chất lỏng Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

và dân dụng

2.1.5 Phân loại sóng siêu âm

Trên cơ sở của dạng dao động của các hạt trong môi trường so với phương truyền sóng, sóng siêu âm được phân loại thành sóng dọc, sóng ngang, sóng bản mỏng, sóng mặt

Chuyển động của hạt

Hình 2.3 Sóng dọc Người ta có thể tạo ra sóng dọc bằng cách chấn động và một trong các mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng Sóng dọc lan truyền được trong chất rắn, lỏng, khí với tốc độ lớn, tính định hướng cao, mang năng lượng lớn nên thường được ứng dụng trong thực tế

Để sóng ngang lan truyền được thì liên kết giữa các hạt trong môi trường phải là vững chắc Sóng ngang chỉ lan truyền trong môi trường chất rắn Trong các chất lỏng

và khí khoảng cách giữa các nguyên tử là quá lớn nên lực tương tác giữa chúng nhỏ, dao động ngang bị tắt dần nhanh chóng

c Sóng mặt hay sóng raleigh

Sóng mặt chỉ truyền được trên bề mặt liên kết giữa chất rắn và chất lỏng Trong sóng mặt dao động của hạt treo quĩ đạo hình Elip với vận tốc bằng 90% vận tốc sóng ngang và truyền trong vùng nhỏ hơn một bước sóng tính từ mặt phân cách

Sóng mặt thường dùng để kiểm tra kim loại vì sự suy giảm của nó gây ra cho môi trường thấp hơn song với sóng ngang hoặc sóng dọc tương ứng, mặt khác sóng mặt còn có thể đi qua các góc cạnh của vật thể có kết cấu phức tạp

d Sóng bản mỏng hay sóng lamb

Khi một sóng lan truyền vào một vật thể có bề dày nhỏ hơn hoặc bằng một phần bước sóng thì sẽ xuất hiện một loại sóng khác gọi là sóng bản mỏng

7

Vật liệu bắt đầu dao động như một tấm mỏng tức là sóng tràn ngập toàn bộ bề dày của vật Vận tốc sóng lamb phụ thuộc vào vật liệu, bề dày, tần số và dạng của sóng

Sóng bản mỏng tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động của hạt

Hai dạng cơ bản của sóng là:

- Dạng đối xứng hay dạng nở

- Dạng phản đối xứng hay dạng uốn cong

Các dạng của sóng được xác định theo sự dao động của hạt đối với trục trung tâm của vật thể

Trong sóng lamb đối xứng sự dịch chuyển của hạt theo chiều dọc của trục bản mỏng và một dịch chuyển theo hình elip của hạt trên bề mặt Kết quả là dạng sóng bao gồm những chỗ dày và mỏng nối tiếp nhau

Trong sóng lamb phản đối xứng sự dịch chuyển trượt của các hạt theo chiều ngang của trục bản mỏng và một dịch chuyển theo hình elip của hạt trên mỗi bề mặt

2.1.6 Hình dáng của các mặt sóng

Nguồn dao động tạo ra sóng siêu âm lan truyền theo mọi hướng của môi trường Mỗi một phần tử của môi trường được bao quanh bởi một số lượng lớn các hạt dao động cùng pha Bề mặt tập hợp những điểm dao động cùng pha gọi là mặt sóng, mặt sóng luôn luôn vuông góc với phương truyền sóng Hình dáng vuông góc của mặt sóng phụ thuộc vào cấu tạo bề mặt của nguồn dao động hay hình dáng của biến tử Có các hình dáng của mặt sóng thông thường như bảng 1

2.2 Các thông số đặc trưng của sóng siêu âm

2.2.1 Âm trở của môi trường

Trở kháng của môi trường còn gọi là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trường, được xác định theo biểu thức:

Z = ρ.V (2.5)

Với: V là vận tốc truyền sóng trong môi trường (m/s)

ρ là mật độ khối lượng của môi trường (Kg/m3)

Z là trở kháng âm của môi trường (Rayls)

Như vậy tổng trở âm học là một thông số phụ thuộc vào phương truyền sóng

9

2.2.2 Vận tốc của sóng âm

Vận tốc của sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu đặc trưng bởi độ nén và mật độ, không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thước của vật liệu

a Độ nén

Vận tốc sóng siêu âm tỷ lệ thuận với độ nén của vật liệu Vật liệu càng khó nén vận tốc sóng lan truyền càng nhanh Trong môi trường chất khí các phân tử cách xa nhau nên sự liên kết giữa chúng yếu, mỗi hạt phải di chuyển một khoảng cách tương đối lớn trước khi có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền thấp

Trong môi trường lỏng và đặc biệt là chất rắn, các phân tử ở gần hơn nên sự liên kết giữa chúng mạnh, mỗi hạt chỉ cần di chuyển một khoảng cách ngắn có thể tác động vào phân tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền cao

b Mật độ

Các vật liệu có mật độ dày thường tạo bởi những phần tử lớn, các phần tử này do

có quán tính lớn nên khó dịch chuyển mà cũng khó dừng lại Do vậy, nếu xét riêng mật độ thì vật liệu có mật độ càng lớn thì vận tốc sóng càng giảm

Trong môi trường lỏng, mật độ và độ nén thường tỷ lệ nghịch nên vận tốc truyền sóng đa số giống nhau

Trong chất rắn độ nén thường lớn hơn mật độ nên vận tôc truyền sóng đa số giống nhau

Vận tốc sóng Lamb phụ thuộc nhiều yếu tố như đã nêu:

- Chất rắn lan truyền được sóng mặt, sóng ngang, sóng dọc

- Chất lỏng lan truyền được sóng dọc và sóng ngang

- Chất khí lan truyền được sóng dọc

2.2.3 Âm áp và cường độ sóng âm

a Âm áp

Là đại lượng đặc trưng cho sức căng biến đổi tuần hoàn trong vật liệu gây nên bởi sự truyền sóng âm, âm áp thể hiện qua biểu thức:

P = 2πZfA (2.6) Trong đó: P Áp suất âm

Sự bức xạ sóng âm phụ thuộc vào các yếu tố chính:

- Kích thước đầu siêu âm càng lớn thì sự bức xạ càng cao

- Đặc trưng của môi trường cho phép bức xạ nhiều hay ít

- Nguồn dao động cung cấp cho đầu siêu âm

Khi nghiên cứu sự phân bố trong không gian của chùm tia siêu âm hay còn gọi là trường âm phát đi từ biến tử gốm áp điện, người ta thấy sự phân bố như hình vẽ:

11

Hình 2.5 Sự phân bố trong không gian của chùm tia siêu âm Đầu siêu âm có đường kính D khi dao động theo bề dày L sẽ phát sóng theo phương vuông góc với bề mặt và chuyển dần sang mặt sóng cầu

- Tại vùng gần biến tử chùm tia siêu âm truyền đi theo phương song song được gọi là trường gần hay vùng Freshnel Chiều dài trường gần được xác định theo biểu thức:

số, đường kính biến tử và chiều dài trường gần xác định như trong bảng 2

Bảng 2: Quan hệ giữa tần số, đường kính biến tử và chiều dài trường gần

Chiều dài trường gần theo đường kính biến tử (cm)

1,6 2,4 3,2 4,0 8,1

3,4 5,1 6,8 8,5

17

6,5 9,7

Qua đó nhận thấy:

12

- Với cùng một đường kính D của đầu siêu âm, khi tăng tần số dao động, độ dài trường gần cũng tăng theo

- Với cùng một tần số dao động, khi tăng đường kính biến tử, độ dài trường gần cũng tăng theo

2.4 Sự phản xạ sóng

Khái niệm về mặt phẳng âm: Mặt phẳng âm là mặt phẳng có bề mặt nhận sóng có

độ nhấp nhô nhỏ thua 10 lần bước sóng

2.4.1 Phản xạ sóng khi truyền vuông góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi trường

Khi truyền sóng vuông góc trên giới hạn phân cách hai môi trường thì một phần năng lượng truyền qua, một phần năng lượng phản xạ lại môi trường thứ nhất Tỷ lệ thành phần truyền qua và thành phần phản xạ phụ thuộc vào trở kháng âm của môi trường

phân cách giữa hai môi trường

Hệ số phản xạ xác định theo biểu thức:

(2.11)

Hệ số truyền qua được xác định theo công thức:

(2.12)

Môi trường

Z2=V2.ρ2 Tia khúc xạ dọc

Tia khúc xạ ngang

Hình 2.7: Sự phản xạ sóng khi truyền xiên góc trên giới hạn

phân cách giữa hai môi trường

a Góc giới hạn toàn phần thứ nhất

Tăng dần giá trị α1 đến giá trị α’1 sao cho β bằng 900lúc này toàn bộ tia khúc xạ dọc nằm ngang trên mặt phân cách, giá trị α’1 gọi là góc giới hạn toàn phần thứ nhất

b Góc giới hạn toàn phần thứ hai

Tăng dần giá trị α’1 đến giá trị α’’1 sao cho γ bằng 900 lúc này toàn bộ tia khúc xạ ngang nằm ngang trên mặt phân cách, giá trị α’’1 được gọi là góc giới hạn toàn phần thứ hai

Trong trường hợp thứ nhất ta có hiện tượng phản xạ toàn phần sóng dọc

Trong trường hợp thứ hai ta có hiện tượng phản xạ toàn phần sóng ngang

2.4.3 Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng

Trong quá trình lan truyền sóng trong môi trường, cường độ sóng bị suy giảm dần do sự hấp thụ của môi trường và do sự tán xạ của sóng Sự suy giảm phụ thuộc

K : hệ số dẫn nhiệt của môi trường

Cp : nhiệt riêng tại áp suất cố định

Lúc này biên độ dao động tính theo công thức:

(2.17) Như vậy khi biết biên độ tại ví trí x người ta có thể biết hế số hấp thụ sóng của môi trường:

15

Hệ số hấp thụ còn tăng theo tần số f

Đối với chất lỏng và chất khí hệ số hấp thu năng lượng theo f2 : α = α’.f2

Đối với chất rắn hệ số hấp thụ theo f : α = α’.f

Năng lượng bị hấp thu sẽ biến thành nhiệt trong môi trường truyền Đặc biệt khi kích thước các phần tử cấu tạo nên môi trường bằng hoặc lớn hơn bước sóng siêu âm thì sự hấp thu tăng nhanh và biên độ sóng suy giảm nhanh chóng

Nhôm 0,61 Thép 1,42 Kính 6,35 Thạch anh 1,23 Năng lượng sóng bị hấp thụ sẽ biến thành nhiệt trong môi trường truyền và sự hấp thụ sóng tăng nhanh kích thước các phần tử bằng hoặc lớn hơn bước sóng siêu âm

2.5 Cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm

Phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực sóng siêu

âm xảy ra trong chất lỏng được mô tả như sau:

Trong chất lỏng thông thường tồn tại một lượng lớn bọt khí Khi chiếu một chùm tia siêu âm có tần số và biên độ thích hợp vào chất lỏng, dưới tác dụng của dao động

cơ học siêu âm và do có sự chênh lệch về khối lượng riêng các hạt khí sẽ chuyển động hỗn loạn trong chất lỏng Trong quá trình chuyển động hỗn loạn các bọt khí kết hợp tạo nên những bọt khí có kích thước lớn hơn Khi đạt đến một giới hạn nào đó sự chênh lệch áp suất đủ lớn bọt khí sẽ bị vỡ tung ra thành nhiều hạt nhỏ tạo ra sức va đập mạnh và áp suất lớn, kèm theo nhiệt độ trong chất lỏng tăng dần

Tóm lại hiện tượng xâm thực sóng siêu âm xảy ra trong chất lỏng là quá trình hình thành, kết hợp và phá vỡ các bọt khí liên tục xảy ra trong chất lỏng nhằm tạo ra sức va đập tăng cường nhiệt độ và áp suất trong dung dịch tẩy rửa

16

Nếu chi tiết cần tẩy rửa đặt trong dung dịch tẩy rửa thích hợp cùng với sự kích thích sóng siêu âm dưới sự tác dụng của hiện tượng xâm thực sóng như đã nêu trên thì các chất bẩn bám trên bề mặt chi tiết sẽ được tách ta và kết tủa lại

Hình 2.8 Hiện tượng xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng

2.6 Các yêu cầu cần thiết của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm

2.6.1 Tần số sóng siêu âm

Tần số của sóng siêu âm thường được sử dụng từ 20 đến 60Khz Khi tần số sóng siêu âm quá cao, các bọt khí có kích thước nhỏ, lực va đập giảm Ngược lại khi tần số quá thấp quá trình xâm thực xảy ra chậm Kết quả là hiệu suất tẩy rửa cũng kém theo

2.6.2 Dạng sóng

Trong các thiết bị tẩy rửa sử dụng sóng siêu âm nhằm tăng tối đa hiệu quả tẩy rửa người ta dùng các dạng sóng sau:

17

Hình 2.9 Dạng sóng thay đổi tần số liên tục

2.6.3 Nhiệt độ dung dịch

Cường độ tẩy rửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch Khi nhiệt độ dung dịch quá cao thì áp suất khí trong bọt khí tăng làm giảm lực va đập trong quá trình xâm thực Nếu nhiệt độ dung dịch quá thấp thì trên bề mặt của chi tiết sẽ xuất hiện sự ngưng tụ chất lỏng có khả năng ăn mòn chi tiết Thông thường nhiệt độ dung dịch được ấn định từ 30-500C, nói chung nhiệt độ dung dịch được điều chỉnh cho phù hợp với từng loại chi tiết

2.7 Nguyên tắc hoạt động của máy rửa bằng sóng siêu âm

Máy rửa siêu âm xuất ra tín hiệu dao dộng với tần số cao (từ 20 đến 70Khz) và được chuyển sang tín hiệu rung cơ học bằng biến tử siêu âm (Ultrasonic Transducer) Vốn là dưới tác dụng của sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc thì bị ép lại đặc hơn, lúc thì

bị dãn ra loãng hơn Do dung dịch chịu không nổi lực kéo nên khi bị kéo ra loãng hơn

đã tạo thành những chỗ trống, sinh ra rất nhiều bọt không khí nhỏ Những bọt này trong chớp mắt sẽ vỡ tan ra Quá trình vỡ bọt sinh ra những luồng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, được gọi là “hiện tượng tạo chân không”

Do tần số của sóng siêu âm rất cao, những bọt không khí nhỏ luân phiên xuất hiện, mất đi vô cùng nhanh chóng Sóng xung kích mà chúng sinh ra giống như muôn

18

nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rất mạnh lan tới, chải quét mọi ngõ ngách của chi tiết

Vì thế, khi tẩy rửa những vật như đồng hồ đeo tay, nếu làm thủ công thì bạn phải tháo rời từng bộ phận, hiệu suất rất thấp, nhưng nếu rửa bằng sóng siêu âm thì chỉ cần nhúng toàn bộ phần máy vào trong xăng, mấy phút sau bạn đã có chiếc đồng hồ như mới

Tính năng này của sóng siêu âm được ứng dụng trong việc tẩy rửa nhiều chi tiết nhỏ như ống kính quang học, đồng hồ đo, máy móc y tế, điện chân không, bán dẫn… trong hệ thống điều khiển tên lửa…

2.8 Sơ đồ khối máy rửa

Khối điều khiển

Khuếch đại công suất

Chuyển mạch

Dao động Sin

Hình 2.10 Sơ đồ khối mạch điện máy rửa siêu âm

2.8.1 Khối dao động Sin

Tạo sóng Sin có tần số ổn định 25Khz phù hợp với biến tử siêu âm được sử dụng trong máy

Trong đề tài này dao động siêu âm được tạo ra bằng vi điều khiển ngắt với tần số

25 Khz Dao động được khuếch đại bằng 2 Mosfet thông qua biến áp xung để cấp dao động cho biến tử siêu âm thông qua biến áp xung

2.8.2 Khối khuếch đại công suất

Kết hợp với biến áp nhằm cung cấp điện áp khoảng 120V xoay chiều cung cấp cho đầu siêu âm đồng thời cách ly biến tử với mạch khuếch đại

2.8.3 Khối cài đặt và hiển thị thời gian

Sử dụng bộ định thời ấn định thời gian làm việc cho máy thông qua bộ chuyển mạch Thời gian được hiển thị lên màn hình LCD

2.8.4 Khối cài đặt, ổn định và hiển thị nhiệt độ

Có nhiệm vụ cung cấp nhiệt cho dung dịch rửa ổn định và có khả năng điều chỉnh được cho phù hợp với chế độ tẩy rửa và các loại vật liệu tẩy rửa khác nhau Nhiệt độ bể rửa sau khi hiệu chỉnh được ổn định bởi cảm biến nhiệt kết hợp với mạch điện tử kích Triac BTA12 đóng ngắt bộ cấp nhiệt Nhiệt độ được hiển thị trên màn hình LCD

Bộ cấp nhiệt:

Dùng điện trở nhiệt một thanh với công suất 750W Sử dụng điện trở nhiệt nối với nguồn xoay chiều thông qua mạch chuyển tiếp điểm (Triac) Điện trở nhiệt được cách điện tốt với vỏ nồi rửa

2.9 Tra cứu biến tử siêu âm( Ultrasonic Transducer)

2.9.1 Vai trò và phân loại biến tử siêu âm

Biến tử siêu âm là thiết bị trực tiếp biến đổi năng lượng điện có tần số siêu âm thành dao động cơ học có cùng tần số Ngược lại một biến tử siêu âm cũng có khả năng biến đổi dao động cơ học thành dao động điện có tần số tương ứng

Theo hai chức năng đó, đầu siêu âm được chia thành loại biến tử thu sóng và loại biến tử phát sóng

a Đầu phát sóng siêu âm

Một dao động điện có tần số siêu âm sau khi được xử lý và khuếch đại đến mức cần thiết được đưa đến đầu phát sóng Đầu phát sóng sẽ biến đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền trong môi trường nhằm thực hiện một chức năng nào đó Tùy theo vật liệu cấu tạo nên biến tử siêu âm mà ta có biến tử siêu âm loại áp điện hay loại từ gảo Biến tử áp điện thường có công suất nhỏ, hoạt động ở tần số cao Ngược lại đầu kiểu từ gảo thường được sử dụng trong thiết bị có công suất lớn, làm việc với tần số thấp

b Đầu thu sóng

Đầu thu sóng nhận các dao động cơ học từ môi trường bên ngoài tác động lên bề mặt đầu siêu âm Đầu siêu âm sẽ biến đổi các dao động cơ học thành các dao động điện có tần số tương ứng Tín hiệu điện thu được sau khi được xử lý và khuếch đại đến mức cần thiết sẽ cung cấp cho các thiết bị chỉ thị, đo lường, cảnh báo …

Các đầu thu sóng thường là loại áp điện có độ nhạy cao

2.9.2 Đầu siêu âm kiểu áp điện

Hình2.11 Biến tử siêu âm kiểu áp điện

a Hiệu ứng áp điện thuận

Một tấm thạch anh có bề dày L0 được phủ một lớp bạc lên bề mặt để tạo thành các điện cực Trên hai bản cực người ta nối một điện kế như hình 2.12

21Hình 2.12 Hiệu ứng áp điện thuận

Khi tác động một lực kéo sao cho bề dày của tấm mỏng biến đổi với

L1 = L0 + ΔL, người ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên trái Điều này chứng tỏ trên 2 bản cực của tấm mỏng xuất hiện các điện tích trái dấu

Ngược lại khi tác động một lực nén sao cho bề dày tấm kim loại biến đổi với

L1 = L0 + ΔL, người ta thấy kim của điện kế lệch về bên phải Như vậy trên hai bản cực của tấm mỏng các điện tích đã đổi chiều

Quan hệ giữa điện tích Q và lực F được xác định bởi:

Q = K.F (2.19) Trong đó: Q Điện tích ( coulomb)

K Hằng số điện 6,9.10-8

F Giá trị của lực kéo, nén(kg)

Qua trên nhận thấy rằng khi lực tác động lên tấm mỏng là các dao động cơ học biến đổi thì trên hai điện cực của tấm mỏng sẽ xuất hiện một tín hiệu điện xoay chiều

có cùng tần số biến đổi với dao động cơ học

Các loại vật liệu mang tính chất như trên gọi là vật liệu áp điện Đây chính là nguyên tắc để chế tạo đầu thu sóng siêu âm

L1 = L0 – ΔL (2.21) Quan hệ giữa ΔL, điện áp V được xác định bởi:

ΔL=K.V (2.22)

Với ΔL Độ biến thiên kích thước hình học của tấm áp điện

K Hằng số áp điện 6,9.10-8

V Giá trị của nguồn điện phân cực

Theo đó có thể kết luận rằng khi đặt trên bề mặt tấm áp điện một tín hiệu xoay chiều có tần số f thì bề dày của tấm mỏng sẽ biến đổi liên tục cùng với tần số và như vậy một dao động cơ học đã được bức xạ ra ngoài môi trường Đây là nguyên tắc chế tạo đầu siêu âm

Thực nghiệm cho thấy biên độ dao động đạt giá trị cực đại khi tần số dao động của nguồn V bằng tần số dao động riêng của tấm áp điện phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo và bề dày theo biểu thức:

(2.23)

với k Hệ số dao động riêng (Khz.mm)

f0 Tần số dao động riêng của tấm áp điện

l Bề dày tấm áp điện (mm)

2.9.3 Vật liệu áp điện

a Vật liệu áp điện thiên nhiên

- Thạch anh SiO2

Đặc điểm của thạch anh:

• Tính ổn định cơ học cao, không hòa tan trong nước và dung dịch xít

• Nóng chảy tại nhiệt độ 14700C và mất tính áp điện tại 5740C

• Độ nhạy kém, điện áp làm việc cao nên thường làm biến tử phát sóng trong các phòng thí nghiệm

- Xegneto:

Đặc điểm của Xegneto:

• Tính ổn định cơ học kém, dòn, hòa tan trong nước và dung dịch axit

Nóng chảy tại nhiệt độ 580C và mất tích áp điện tại 540C

• Độ nhạy cao (gấp 100 lần thạch anh)

• Điện áp làm việc thấp nên chỉ dùng làm biến tử thu sóng

23

b Vật liệu áp điện nhân tạo

- Gốm áp điện Titanatbari BaTiO 3

Vật liệu này được hình thành phản ứng trùng hợp nhau:

BaCO3 + TiO2 = BaTiO3 + CO271% 29% 13000C

Sau khi trùng hợp tinh thể được ép theo hình dáng cần thiết và nung định hình, sau đó mạ bạc lên hai bề mặt để tạo điện cực Lúc này tấm mỏng chưa có áp điện, vì vậy cần phải tiến hành phân cực trong điện trường một chiều

Để phân cực người ta đặt chi tiết trong môi trường dầu 1200C, sau đó đặt vào hai bản cực nguồn điện một chiều có điện áp từ 1KV đến 2 KV/1mm bề dày trong vài giờ, lúc này tấm Titanatbari đã có tính áp điện

Bây giờ nếu ta kích thích biến tử bằng một điện trường biến thiên theo phương đã phân cực thì biến tử sẽ bức xạ dao động cơ học ra môi trường

- Đặc điểm của Titanatbari

• Độ nhạy thấp hơn Xegneto nhưng cao hơn thạch anh

• Tính ổn định cơ học kém, dòn, có hệ số tổn hao lớn

• Khả năng quá tải kém

• Mất tính áp điện tại nhiệt độ 1200C

• Điện áp làm việc thấp từ 10V – 100V với hệ số biến đổi năng lượng rất cao

• Gốm áp điện Titanatbari có ưu điểm là khả năng phân cực theo mọi phương nên có thể chế tạo theo những yêu cầu công nghệ khác nhau với những hình dáng khác nhau

- Gốm áp điện ziriconattitanatchi ( Pb(ZrTiO) 3 )

Vật liệu này được hình thành từ phản ứng trùng hợp từ các thành phần PbO, ZrO2, TiO2 Tương tự như Titanatbari sau khi trùng hợp tinh thể được ép theo hình dáng cần thiết và nung định hình, sau đó mạ bạc lên hai điện cực để tạo điện cực

Để phân cực người ta đặt chi tiết trong dung dịch Silicon 1400C, sau đó đặt vào

hai bản cực nguồn điện một chiều có điện áp từ 1KV đến 4 KV/1mm bề dày trong vài

giờ

- Đặc điểm của Pb(ZrTiO) 3

• Nhạy nhạy cao hơn Titanatbari

• Tính ổn định cơ học cao hơn Titanatbari

• Mất tính áp điện tại nhiệt độ 3300C

Pb(ZrTiO)3 thường dùng trong công nghệ chế tạo biến tử

Bảng 4: Một vài đặc trưng của các biến tử áp điện phổ biến

iobachi Sunfa Lithi SiO2 Niobat Lithi Vận tốc âm m/s 4000 5100 3300 5460 5740 7320 ÂmtrởZ.106kg/s

- Mô đun áp điện: Là thước đo về chất lượng của một biến tử làm nhiệm vụ phát

sóng siêu âm Mô đun áp điện càng lớn thì hiệu quả phát sóng càng cao Trong bảng ta

thấy Pb(ZrTi)O3 sử dụng làm biến tử là tốt nhất

- Hệ số biến dạng áp điện H: Là thước đo về chất lượng của một biến tử làm

nhiệm vụ thu sóng siêu âm Hệ số biến dạng áp điện H càng lớn thì hiệu quả thu sóng

càng cao, trong Bảng 4 ta thấy Sunfatliti sử dụng làm biến tử thu sóng là tốt nhất

- Hệ số liên kết điện cơ K: Thể hiện hiệu suất của biến tử trong trạng thái biến

đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học và ngược lại, tức là cả hai trạng thái thu

sóng và phát sóng Giá trị này là giá trị quan trọng cho biến tử thu phát sóng kết hợp

- Hệ số liên kết dao động xuyên tâm Kp: Là thước đo của sự xuất hiện những

dao động xuyên tâm làm nhiễu loạn tín hiệu Các dao động xuyên tâm này xuất hiện

do sự biến đổi dạng sóng xảy ra ở biến tử Giá trị của Kp phải nhỏ

- Âm trở: Trong trường hợp sử dụng biến tử để kiểm tra kim loại, do tại bề mặt

tiếp xúc cần có một lớp liên kết có âm trở nhỏ nên biến tử cũng cần có âm trở cùng cấp

để có thể truyền âm tốt hơn vào vật kiểm tra Nếu xét riêng về mặt này thí Sunfatliti hoặc Metaniobat tốt hơn cả

2.9.4 Khái niệm, Cấu tạo và các thông số đặc trưng của biến tử áp điện

a Khái niệm

Đầu chuyển đổi áp điện: Chuyển đổi qua lại trực tiếp từ năng lượng điện thành năng lượng cơ học bằng hiệu ứng điện khi đó dung dịch sẽ bị dao động khi cấp nguồn điện dao động với tần số cao Nguồn năng lượng ở tần số siêu âm được cấp tới bộ chuyển đổi thông qua máy phát siêu âm Nguồn năng lượng này được đưa tới phần tử

áp điện trong bộ chuyển đổi mà tạo ra dao dộng Những dao động này được khuếch đại bởi sự cộng hưởng trọng lượng của bộ chuyển đổi và chuyển đổi định hướng vào chất lỏng phía trên bằng bức xạ Những bộ chuyển đổi điện áp trước đây sử dụng những nguyên liệu từ tự nhiên như tinh thể Thạch anh, Bari, Titan rất dễ vỡ mà không chắc chắn và không đáng tin cậy Ngày nay, những bộ chuyển đổi được kết hợp mạnh mẽ

và hiệu quả hơn đó là nguyên liệu gốm ổn định cao được làm nguyên liệu áp điện Phần lớn những bộ chuyển đổi ngày nay được sử dụng công nghệ này nên hiệu quả rửa cao hơn

b Cấu tạo

Hình 2.14 Piezoelectric Transducer

26

c Các thông số đặc trưng của biến tử áp điện

- Hệ số biến đổi: Là biểu diễn tương quan giữa đầu vào và đầu ra Hệ số biến đổi ảnh hưởng đến độ nhạy của toàn máy

(2.24)

Ở chế độ phát sóng biến tử được đặc trưng bởi hệ số phát sóng

P0 Giá trị trung bình biên độ áp lực phát xạ

Vf Điện tích kích thích biến tử

Ở chế độ thu sóng biến tử được đặc trưng bởi hệ số thu sóng

(2.25)

Vt Điện áp thu trên hai điện cực của biến tử

Pt Giá trị trung bình biên độ áp lực tác động lên biến tử

Đôi khi người ta còn sử dụng hệ số biến đổi kép

- Đường kính của biến tử: Liên quan đến công suất bức xạ, độ dài trường gần

- Tần số dao động riêng của biến tử: Liên quan đến bề dày cũng như vật liệu chế tạo biến tử

- Góc nghiêng của biến tử: Góc tạo bởi tấm áp điện và bề mặt biến tử

2.9.5 Phạm vi ứng dụng của biến tử áp điện

Biến tử áp điện thường được sử dụng trong các thiết bị có công suất nhỏ dưới vài trăm Watt như thiết bị tẩy rửa, thiết bị đo lường, thiết bị y tế, các thiết bị kiểm tra sản phẩm, thiết bị báo động…

27

2.10 Một số mẫu máy tham khảo

2.10.1 Máy rửa hãng Elma

Hình 2.15 Máy rửa hãng Elma Elma (Đức) – Nhãn hiệu quen thuộc trên toàn thế giới cho các loại máy tẩy rửa siêu âm trong công nghiệp cũng như trong ngành kim hoàn

Là loại máy siêu âm duy nhất, có bộ tạo sóng cấu trúc Sandwich tạo sóng mạnh, với tần số 37Khz có Công suất 150 W giúp tẩy rửa với hiệu quả rất cao, máy rất bền

và an toàn Bộ phận điều khiển bằng nhiệt bằng gốm gắn bên trong hông bể tự điều chỉnh nhiệt theo mức nước Bể rửa có dung tích 5,75lit

2.10.2 Máy rửa hãng Eumax

Hình 2.16 Máy rửa hãng eumax Model UD150SH-6L máy có dung tích bể rửa 6lit Thời gian cài đặt hoạt động từ 0-30 phút Nhiệt độ kiểm soát từ 0-700C Tần số hoạt động từ 3-40Khz Sử dụng biến

tử siêu âm kiểu áp điện Công suất tiêu thụ 150W Vỏ máy được chế tạo bằng thép không rỉ

28