Thiết kế, mô ph ỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh

Thiết kế, mô ph ỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh Hoàng Cường Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS, TS Chử Đức Trình Năm bảo vệ: 2012

Thiết kế, mô phỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh Hoàng Cường Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS, TS Chử Đức Trình Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Khái niệm vật lý cơ bản: đưa ra những khái niệm cơ bản áp dụng trong bài toán mô phỏng hệ cảm biến giọt chất lỏng trong ống. Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng trong ống phun: Trình bày ý tưởng về bài toán điều khiển giọt chất lỏng trong ống phun. Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics: Xây dựng mô hình mô phỏng và quá trình thực hiện. Keywords: Cơ học chất lỏng; Đầu phun mực; p điện; Sóng âm; Máy in phun Content. MỞ ĐẦU MEMS (Microelectromechanical systems) là các hệ thống điện tử có thể có thêm các bộ phận chuyển động có kích thước cỡ micromet. Công nghệ MEMS ra đời mở ra một cuộc cách mạng về chế tạo, hứa hẹn thay thế các sản phẩm bằng việc kết hợp nhiều thành phần trên một chip duy nhất, tạo nên các hệ thống trên một chip,điều này cho phép thiết kế các sản phẩm thông minh, hiệu suất cao, tin cậy và giá thành hạ. Công nghệ này cho phép ngành công nghệ vi chế tạo có thể sản xuất ra các thiết bị với kích thước nhỏ hơn, và có ứng dụng lớn trong các ngành khác như công nghệ điều khiển, chế tạo robot, và hơn cả là các ứng dụng trong công nghệ sinh học. Hiện nay, trên thế giới vẫn đang phát triển ngành công nghiệp này. Một hướng nghiên cứu tiêu điểm là xác định và điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng phun qua một ống phun, với các ứng dụng trong ngành chế tạo máy in phun và công nghệ sinh học. Xuất phát từ nhu cầu đó, luận văn hướng đến việc thiết kế mô hình cảm biến giọt chất lỏng trong ống phun, và mô phỏng toàn quá trình cảm biến của mô hình trên máy tính. Nội dung của đề tài gồm 4 chương: Chương 1 Khái niệm vật lý cơ bản: đưa ra những khái niệm cơ bản áp dụng trong bài toán mô phỏng hệ cảm biến giọt chất lỏng trong ống. Chương 2 Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng trong ống phun: Trình bày ý tưởng về bài toán điều khiển giọt chất lỏng trong ống phun. Chương 3 Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics: Xây dựng mô hình mô phỏng và quá trình thực hiện. Chương 4 Kết luận. KHÁI NIỆM VẬT LÝ CƠ BẢN 1.1 Lý thuyết sóng 1.1.1 Sóng cơ - Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường. - Phân loại: Sóng dọc là sóng có phương dao độngcủa các phần tử song song (hoặc trùng) với phương truyền sóng. Sóng ngang là sóng có phương dao độngcủa các phần tử vuông góc với phương truyền sóng. - Sự truyền sóng cơ: Trong một môi trường vật chất, sóng truyền theo các phương với cùng một tốc độ v. Khi sóng truyền đi, chỉ có pha dao động (trạng thái dao động) truyền đi, còn phần tử vật chất của môi trường thì dao động tại chỗ. Sóng dọc truyền được trong cả chất khí, chất lỏng và chất rắn. Sóng ngang truyền được trong chất rắn vàtrên bề mặt chất lỏng. Sóng cơ không truyền được trong chân không. - Các đặc trưng của một sóng hình sin: Chu kì T: là chu kỳ dao động của một phần tử của môi trường khi có sóng truyền qua. Đơn vị chu kì là giây (s). Tần số (f): là đại lượng nghịch đảo của chu kì T f 1  . Đơn vị tần số là Hertz (Hz). Tốc độ truyền sóng v: là tốc độ lan truyền dao động. Bước sóng: Bước sóng  là quãng đường sóng truyền trong thời gian một chu kì. Đơn vị bước sóng là đơn vị độ dài (m). Công thức liên hệ giữa chu kì (T), tần số (f), tốc độ (v) và bước sóng (  ) là: v v.T f    Biên độ sóng tại mỗi điểm trong không gian chính là biên độ dao động của phần tử môi trường tại điểm đó. Năng lượng sóng cơ là năng lượng dao động của các phần tử của môi trường mà sóng truyền qua. Quá trình truyền sóng là một quá trình truyền năng lượng. - Phương trình sóng của một sóng hình sin theo trục OX: Phương trình dao độngcủa nguồnO: Uo = Acost. Phương trình dao độngcủa điểm M cách nguồn O một khoáng x: (x > 0)  uM =A.cos2π         x T t . (x < 0)  uM =A.cos2π         x T t . Hình 0-1:Sơ đồ dao động tại điểm M thuộc phương x (Trong đó t là thời gian sóng truyền từ tâm sóng O tới điểm khảo sát M) Phương trình sóng là một hàm vừa tuần hoàn theo thời gian vừa tuần hoàn theo không gian. Dao động của một phần tử sóng tại một điểm là một dao động điều hòa theo thời gian với chu kỳ T Sau một khoảng có độ dài bằng bước sóng, sóng có hình dạng lặp lại như cũ. x M X Y Độ lệch pha của hai dao động tại hai điểm trên cùng một phương truyền sóng: Độ lệch pha tại hai điểmM,N cách O lần lượt là d1,d2 là: =     12 2 dd  . Nếu  = 2k, k  Z:Dao động tại M cùng pha dao động tại N d2 - d1 = k  Những điểm trên cùng một phương truyền sóng cách nhau một số nguyên bước sóng thì dao động cùng pha Nếu  = (2k + 1), k  Z: Dao động tại M ngược pha dao động tại N d2 - d1= (2k + 1) 2  Những điểm trên cùng một phương truyền sóng cách nhau một số lẻ nửa bước sóng (hoặc số nửa nguyên bước sóng) thì dao động ngượcpha. 1.1.2 Sóng âm - Sóng âm là các sóng cơ truyền trong các môi trường đàn hồi. - Phân loại sóng âm: Âm nghe được (âm thanh) có tần số trong khoảng từ 16 Hz đến 20.000 Hz. Âm có tần số dưới 16Hz gọi là hạ âm. Âm có tần số trên 20000Hz gọi là siêu âm. - Sự truyền âm: Tốc độ truyền âm phụ thuộc tính chất của môi trường: mật độ môi trường, tính đàn hồi, nhiệt độ của môi trường. Tốc độ truyền âm trong các môi trường:v khí <v lỏng <v rắn Âm truyền đi rất kém trong các chất như: bông, nhung, xốp, thủy tinh . Trong chất rắn, sóng âm là sóng ngang và sóng dọc. Trong chất khí và chất lỏng sóng âm chỉ là sóng dọc. - Các đặc trưng vật lí của âm: (Tần số âm, Cường độ âm và mức cường độ âm, Đồ thị dao động của âm) o Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất của âm. o Cường độ âm và mức cường độ âm: Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tảiqua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông, kí hiệu W/m2. o Mức cường độ âm: L(B) = log(I/I 0 ) Trong đó I 0 là cường độ âm chuẩn (âm có tần số 1000Hz, cường độ I 0 = 10  12 W/m2); Đơn vị của mức cường độ âm là Ben, kí hiệu B. hoặc đơn vị đêxiben (dB)1 dB = (1/10)B L(dB) = 10 log(I/I 0 ) o Đồ thị dao động của âm Khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f 0 (gọi là âm cơ bản) thì bao giờ nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra các âm có tần số 2f 0 , 3f 0 . (gọi là hoạ âm thứ 2,3 .). Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm gọi là đồ thị dao động của âm. o Các đặc trưng sinh lí của âm(Độ cao, Độ to, Âm sắc) Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với tần số âm. Độ to của âm là đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với đặc trưng vật lí mức cường độ âm. Âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra. Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm. - Hiệu ứng Doppler: Là hiện tượng tần số và bước sóng của cá sóng âm bị thay đổi (tăng hoặc giảm) khi có sự chuyển động tương đối giữa nguồn âm và máy thu âm. Chuyển động lại gần: f’> f, chuyển động ra xa: f’< f + Công thức tổng quát: v : Tốc độ truyền âm trong môi trường. M v : Tốc độ máy thu S v : Tốc độ nguồn âm 1.1.3Hiện tượng giao thoa - Hiện tượng giao thoa là hiện tượng hai hay nhiều sóng kết hợp khi gặp nhau thì có những điểm chúng tăng cường hoặc triệt tiêu (giảm bớt) lẫn nhau - Điều kiện xảy ra hiện tượng giao thoa là: Hai sóng phải là hai sóng kết hợp. Hai sóng kết hợp là hai sóng được gây ra bởi hai nguồn có cùng tần số, cùng pha hoặc độ lệch pha không đổi. - Phương trình sóng tổng hợp tại một điểm M trong vùng có giao thoa: Phương trình dao động của hai nguồn: 1 2 os SS u u Ac t   Phương trình sóng tổng hợp tại điểm M: Hình 0-2: Phương trình sóng tổng hợp tại điểm M 2 1 1 2 2 cos ( )cos[ ( )] M u A d d t d d        Biên độ dao động tổng hợp: a = - Vị trí cực đại và cực tiểu của giao thoa (trong trường hợp hai nguồn sóng kết hợp đồng pha) Những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng từ 2 nguồn tới nó bằng một số nguyên lần bước sóng là cực đại của giaothoa: d2 – d1 = k λ; với k = 0, ± 1, ± 2, . Những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng từ 2 nguồn tới nó bằng một số nửa nguyên lần bước sónglà cực tiểu của giao thoa: d2 – d1 = (k + ½) λ; với k = 0, ±1, ±2, . - Hiện tượng giao thoa là một hiện tương đặc trưng củasóng. 1.1.4 Sóng dừng - Sự phản xạ của sóng: Khi sóng phản xạ trên vật cản cố định thì sóng tới và sóng phản xạ ngược pha nhau tại điểm phản xạ. Khi sóng phản xạ trên vật cản tự do thì sóng tới và sóng phản xạ cùng pha nhau tại điểm phản xạ - Sóng dừng: Định nghĩa: Sóng dừng là sóng có các bụng và nút sóng cố định. M S 2 S 1 d 2 d 1 o Đặc điểm: Khoảng cách giữa hai bụng sóng (hoặc hai nút) liền kề là λ/2. Khoảng cách giữa một bụng sóng và một nút sóng liền kề là λ/4. o Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có hai đầu A, B cố định là: Chiều dài của sợi dây l =AB phải bằng một số nguyên lần nửa bước sóng: l = k A, B là nút Số bụng = k, số nút = k + 1 o Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có đầu A cố định, đầu B tự do là: l = (2k+1) = (k + ½) A là nút, B là bụng. Số bụng = sốnút = k + 1. 1.2 Sự lan truyền của sóng âm trong chất rắn 1.2.1Sự truyền âm Sóng âm có thể lan truyền trong mọi vật chất ở 3 dạng: rắn, lỏng và khí. Âm dễ truyền trong vật rắn, sau đó đến chất lỏng và chất khí. Khi âm truyền trong vật chất sẽ làm cho các phân tử của vật chất co lại hay giãn ra, rồi nhờ các chuyển động liên tiếp đó mà âm được truyền đi. Cũng vì lẽ đó mà âm thanh phụ thuộc khá nhiều vào chất liệu, nhiệt độ, áp suất của môi trường vật chất mà nó truyền qua. 1.2.2Sóng âm bề mặt Năm 1887, Raleigh khám phá ra cách thức truyền dẫn, thuộc tính của sóng âm bề mặt (gọi là SAW), theo đó sóng âm truyền dọc theo mặt phẳng của một rắn đàn hồi. Ở hình 1-3, mô tả cách tạo ra sóng bề mặt, sử dụng những tấm kim loại đặt trên bề mặt vật liệu áp điện. Khi có dòng điện, vật liệu áp điện sinh ra những dao động trên bề mặt, những sóng đó gọi là sóng R-SAW (Raleigh Surface Acoustics Wave). Hình 0-3: Mô hình hệ tạo sóng âm bề mặt Việc truyền sóng trong chất rắn và lỏng có thể tính toán theo công thức của Campell và Jonh. Theo đó: (1) Trong đó là độ dịch chuyển các hạt, là thế năng của chất lỏng, k = là số sóng, v là vận tốc sóng, là hằng số suy giảm theo phương vuông góc bề mặt vật áp điện, là hệ số quan hệ, là tỉ trọng chất lỏng, là hệ số đàn hồi của chất lỏng. Theo công thức (1) thì sóng bề mặt phụ thuộc mật độ chất lỏng, và theo đó thì biên độ và pha của sự giao động các hạt sẽ thay đổi đối với các vật liệu khác nhau. 1.3 Hiện tượng Áp điện và ứng dụng 1.3.1 Hiện tượng Áp điện Hiện tượng áp điện là hiện tượng xảy ra với vật liệu khi đặt vào một điện trường thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại, khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó sinh ra dòng điện. Người ta phân biệt hiệu ứng áp điện dưới 2 dạng như sau: Hiệu ứng thuận: Nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói một cách khác là khi nén hoặc kéo dãn một số tinh thể gốm theo những phương đặc biệt trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu và do đó có một hiệu điện thếgiữa hai bề mặt. Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộc vào chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ dãn ra hay nén lại. Và nếu như ta đặt lên tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và dãn liên tục vào môi trường bao quanh tức là tạo ra sóng âm. 1.3.2Ứng dụng của hiện tượng áp điện Hiện tượng này được đề cập đầu tiên vào năm 1817 và được nghiên cứu từ những năm 1880. Cho đến ngày nay, hiệu ứng này được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, phục vụ đời sống như: bật lửa, máy đo, máy siêu âm, động cơ kích thước nhỏ, … Thậm chí còn được ứng dụng trong các kỹ thuật hàng không, vũ trụ cũng như những ứng dụng đơn giản khác. 1.4 Kết luận chương Trong luận văn này, tác giả mô phỏng lại hiệu ứng áp điện trên nền vật liệu áp điện, từ đó khảo sát những tác động của nó lên hệ thống vòi phun mực và ứng dụng của vật liệu áp điện với vòi phun mực thông minh. BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN KÍCH CỠ GIỌT CHẤT LỎNG 2.1 Nguyên lý hoạt động máy in phun dùng tinh thể áp điện 2.1.1 Máy in phun Trong luận văn này, tác giả mô phỏng lại hiệu ứng áp điện trên nền vật liệu áp điện, từ đó khảo sát những tác động của nó lên hệ thống vòi phun mực và ứng dụng của vật liệu áp điện với vòi phun mực thông minh. Máy in phun hoạt động theo theo nguyên lý phun mực vào giấy in. Mực in được phun qua một lỗ nhỏ theo từng giọt với một tốc độ lớn (khoảng 5000 lần/giây) tạo ra các điểm mực đủ nhỏ để thể hiện bản in sắc nét. Đa số các máy in phun thường là các máy in màu. Để in ra màu sắc cần tối thiểu 3 loại mực. Các màu sắc được thể hiện bằng cách pha trộn ba màu cơ bản với nhau. Trước đây các hộp mực màu của máy in phun thường được thiết kế cùng khối, tuy nhiên nếu in nhiều bản in thiên về một màu nào đó sẽ dẫn đến hiện tượng có một màu hết trước, để tiếp tục in cần thay hộp mực mới nên gây lãng phí đối với các màu còn lại chưa hết. Ngày nay các hộp màu được tách riêng biệt và tăng số lượng các loại màu để phối trộn (nhiều hơn 3 màu - không kể đến hộp màu đen) sẽ cho bản in đẹp hơn, giảm chi phí hơn trước. So sánh trong các thể loại máy in thì máy in phun thường có chi phí trên mỗi bản in lớn nhất. Các máy in phun thường có giá thành thấp (thấp hơn máy in lasez) nhưng các hộp mực cho máy in phun lại có giá cao, số lượng bản in trên bộ hộp mực thấp. 2.1.2 Nguyên lý hoạt động vòi phun mực dùng tinh thể áp điện Hình 0-1: Mô hình đầu phun mực dùng tinh thể áp điện Trong hình vẽ trên là một dạng của vòi phun sử dụng tinh thể áp điện, khi thanh áp điện biến dạng, nó tác động lên mực một lực đẩy, cung cấp cho mực năng lượng có thể thắng năng lượng sức căng bề mặt và tạo thành giọt. Về lý thuyết, bộ phận áp điện có thểtrực tiếp điều khiển chất lỏng mực. Tuy nhiên, trong thực tế, để ngăn ngừa tương tác không mong muốn giữa mực in và vật liệu áp điện, người ta ngăn cách chúng bởi màng mỏng đàn hồi. Nguyên lý này được sử dụng trong các thiết bị của Dataproducts, Trident và Epson. Trong ví dụ trên, điện trường được sản sinh ra giữa các điện cực song song với phân cực hóa của vật liệu áp điện. Ngoài ra, có thể sử dụng tinh thể áp điện ở các chế độ điện trường vuông góc với sự phân cực của tinh thể áp điện. Tuy vậy chúng có chung nguyên lý là sự hình thành giọt mực dựa trên sự biến dạng của tinh thể áp điện phát động dưới tác dụng của điện áp đặt vào, dẫn tới thay đổi thể tích, làm mực dao động giải phóng ra hạt mực nếu dao động lớn hơn lực liên kết cố hữu trong nó. 2.2Bài toán kiểm soát kích thước giọt mực 2.2.1 Nhu cầu kiểm soát kích thước giọt mực Có nhiều kỹ thuật in phun khác nhau, một trong số đó là cách phun mực mà theo đó từng giọt mực riêng được tích điện bởi một điện cực trước khi chia nhỏ từ dòng mực. Những giọt mực được tích điện bị làm lệch hướng sau khi đi qua điện trường, sau đó rơi vào máng chặn và được thu hồi lại. Những hạt không bị tích điện rơi ra và bám vào giấy. Chất lượng in phụ thuộc vào chất lượng và tính liên tục của dòng mực phun ra. Kích cỡ giọt mực đóng vai trò quan trọng đối với độ nét và chất lượng của bản in. Bên cạnh việc ứng dụng trong máy in phun, việc kiểm soát kích cỡ giọt mực vô cùng quan trọng trong một số ngành khác, đặc biệt là ngành công nghệ sinh học. Ngày nay, công nghệ chế tạo có thể sản xuất ra những thiết bị siêu nhỏ để có thể mang thuốc đến từng tế bào trong cơ thể con người, chính vì vậy, cần có những thiết bị có thể hoạt động chính xác trong việc kiểm soát lượng thuốc sử dụng. Với ưu điểm nhỏ gọn, hoạt động được với tần số cao, thiết bị đầu phun sử dụng tinh thể áp điện là ứng cử tốt nhất trong lĩnh vực này.