Trong bài viết này, bộ phát sóng siêu âm vi cơ điện dung sử dụng vật liệu pôlyme (CMUT) được phát triển để đo độ nhám bề mặt vật liệu. Bộ phát sóng được thiết kế có thể đánh giá được độ nhám bề mặt ở năm chế độ khác nhau: Toàn bộ phát / toàn bộ thu, đa số phát / đa số thu, đa số phát / thiểu số thu, thiểu số phát / đa số thu, thiểu số phát / thiểu số thu.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bộ phát sóng siêu âm vi điện dung pơlyme dùng cho xác định độ nhám bề mặt Surface roughness measurement using a polymer-based capacity micromachined ultrasonic transducer Bùi Gia Thịnh1,2,*, Nguyễn Như Tùng3, Nguyễn Quận4, Đỗ Anh Tuấn2 Trường Đại học Hải Phòng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Trường Đại học Phạm Văn Đồng *Email: buigiathinh1784@gmail.com Tel: +84-225-3848040; Mobile: 0916802468 Tóm tắt Từ khóa: Bộ phát sóng siêu âm; Độ nhám; Pơlyme; Vi điện dung Trong báo này, phát sóng siêu âm vi điện dung sử dụng vật liệu pôlyme (CMUT) phát triển để đo độ nhám bề mặt vật liệu Bộ phát sóng thiết kế đánh giá độ nhám bề mặt năm chế độ khác nhau: toàn phát / toàn thu, đa số phát / đa số thu, đa số phát / thiểu số thu, thiểu số phát / đa số thu, thiểu số phát / thiểu số thu Các thí nghiệm chế độ toàn phát / toàn thu có đầu tín hiệu lớn chế độ thiểu số phát / đa số thu có tín hiệu tốt với hiệu suất cao Kết cho thấy phát sóng siêu âm xác định độ nhám bề mặt giấy nhám với độ nhám bề mặt Rrms dao động từ 11,4μm đến 179,8μm Abstract Keywords: Capacitive micromachined; Polymer-based; Surface roughness; Ultrasonic transducer In this paper, the polymer-based capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) is developed for measuring the surface roughness of materials The transducer is designed to evaluate surface roughness with five modes: full transmission/ full reception, majority transmission/ majority reception, majority transmission/ minority reception, minority transmission/ majority reception, minority transmission/ minority reception Experiments indicate that the full transmission/ full reception mode has the greatest signal output and the minority transmission/ majority reception mode can obtain good signal with better energy efficiency The result shows the CMUT can identify the surface roughness of sandpaper with surface roughness Rrms ranging from 11.4μm to 179.8μm Ngày nhận bài: 27/06/2018 Ngày nhận sửa: 04/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Độ nhám bề mặt thơng số khó nghiên cứu quan tâm phát triển Khó khăn thường gặp phải hệ số phản xạ, góc phản xạ, phép đo định lượng độ nhám bề mặt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Để đo độ nhám bề mặt, phương pháp dùng sóng siêu âm cho phù hợp so với phương pháp đánh giá độ rỗng, kỹ thuật quang học Đây phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng để phát độ nhám bề mặt mặt mẫu vật thời gian đo ngắn so với phương pháp tiếp xúc Các thông số đặc trưng độ nhám bề mặt đánh giá phương pháp phổ siêu âm, tín hiệu phản xạ từ bề mặt nhám đo tỷ lệ bình thường so sánh với bề mặt tham chiếu có độ mịn tiêu chuẩn [1,2] Mối quan hệ sóng siêu âm phân tán thông số độ nhám bề mặt xác định trung bình bình phương độ nhám độ dài tương quan bề mặt đề xuất [3,4] Một số kỹ thuật không tiếp xúc phát xạ âm đánh giá tán xạ tia X độ nhám bề mặt Roberts Briggs sử dụng [5] Hilton [6] sử dụng hai chùm laser phân cực thẳng đứng để tạo hai mẫu độc lập tương quan ghi lại để suy độ nhám bề mặt vật chiếu sáng Sử dụng hiệu ứng Doppler để mô tả tham số độ nhám giảm phụ thuộc cảm biến vào vận tốc truyền âm khơng khí, điều cung cấp phép đo xác [7] Trong ứng dụng thơng thường, phương pháp đo tiếp xúc xác định độ nhám bề mặt phải thời gian dài, gây hại cho bề mặt sản phẩm Kỹ thuật quang học kỹ thuật không tiếp xúc phổ biến Chúng thường khơng nhạy cảm thuộc tính vật chất bề mặt lại nhạy cảm với đặc tính mơi trường truyền [8] Mặt khác, phương pháp siêu âm sử dụng truyền sóng khơng khí đề xuất để kiểm tra độ nhám bề mặt diện tích rộng, mà kỹ thuật quang học khơng thể đáp ứng Mục đích nghiên cứu phát triển phát sóng siêu âm với năm chế độ khác để đo độ nhám bề mặt, sử dụng kỹ thuật không tiếp xúc Độ nhám bề mặt quan sát thông qua giảm biên độ tín hiệu phản xạ Bộ phát sóng siêu âm có lợi thiết kế với thành phần chia theo tỷ lệ hai (1:2) giúp phát độ nhám xác thời gian ngắn Dựa mối quan hệ đo, hệ số phản xạ phát sóng siêu âm phát độ nhám bề mặt với sai số nhỏ tiết kiệm lượng để góp phần giám sát trực tuyến dây chuyền sản xuất liên tục CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết tính tốn thơng số độ nhám bề mặt Rrms trình bày tài liệu tham khảo [1] Thông số độ nhám bề mặt tính tốn theo bậc hai trung bình bình phương thông số: R = [ ∫ y (x)dx] / (1) Hay thể biểu thức: R =[ R +R + ⋯ +R /n] / (2) Một biểu thức chung cho biên độ sóng dội hàm tần số siêu âm f độ nhám bề mặt tỷ lệ thông thường viết theo [4] sau: R = R exp (cosθ + cosθ ) (3) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong đó, R0 hệ số phản xạ bề mặt tiêu chuẩn, c vận tốc sóng âm, θ1 góc tới θ2 góc phản xạ Hệ số phản xạ đo siêu âm truyền khơng khí sử dụng tỷ lệ biên độ bề mặt nhẵn bề mặt nhám khác Độ nhám quan sát qua suy giảm biên độ tín hiệu phản xạ THỰC NGHIỆM Các thiết bị thí nghiệm bao gồm đo lường tín hiệu truyền khơng khí chuẩn, nguồn chiều (Agilent Technologies N5751A DC POWER), thiết bị thu / phát sóng siêu âm (máy thu / phát xung JSSR-Ultrasonics DPR 300) máy sóng lưu trữ số (Tektronix TDS 2014 digital oscilloscope), thể hình Hình Sơ đồ đặt thiết bị đo độ nhám sóng siêu âm Các phép đo thực phát sóng siêu âm vi điện dung sử dụng vật liệu polime để phát thu tín hiệu âm Cảm biến điều khiển điện áp DC 100V AC 300V Khoảng cách làm việc cảm biến bề mặt vật mẫu 10mm Góc tiếp xúc sóng siêu âm bề mặt giấy nhám với góc tới góc tán xạ 0o Hình cảm biến sóng siêu âm có tần số cộng hưởng 880 kHz dùng để đo độ nhám Hình Hình ảnh cảm biến sóng siêu âm làm pơlyme HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 11 mẫu giấy nhám có độ nhán khác lựa chọn P100, P120, P150, P180, P240, P320, P400, P600, P1000, P1500 P2000 từ Công ty 3M với tiêu chuẩn FEPA Châu Âu Độ nhám trung bình mẫu nằm khoảng từ 11,4μm đến 179,8μm Để chuyển đổi độ nhám trung bình Ra sang độ nhám bình phương trung bình Rrms, ta nhân Ra với hệ số chấp nhận 1,11 Một thép khơng gỉ đánh bóng nhẵn sử dụng làm bề mặt mịn so sánh Theo công thức trên, mối quan hệ hệ số phản xạ độ nhám bề mặt mẫu lý thuyết thể hình Hình Mối quan hệ hệ số phản xạ độ nhám bề mặt vật mẫu KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Phương pháp thực nghiệm dùng để xác định độ nhám dựa phát thay đổi giá trị điện áp theo tham số Rrms Các giá trị biên độ tương đối tính cách sử dụng độ nhám mẫu có giá trị khơng Tín hiệu sóng siêu âm phản hồi nhận thu, tín hiệu tỷ lệ với độ nhám bề mặt Mỗi loại giấy nhám có Rrms khác Do hệ số nhám thu thơng qua năm vị trí đo khác nhau, lần đo lặp lại ba lần để thu tín hiệu dội lại Hình Hình cho thấy mối quan hệ tín hiệu dội lại độ nhám miền thời gian miền tần số năm chế độ đo Hình Mối quan hệ điện áp độ nhám bề mặt vật mẫu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Mối quan hệ tần số độ nhám bề mặt vật mẫu Từ đồ thị Hình Hình cho thấy độ nhám bề mặt tăng, độ lớn tín hiệu dội lại tương ứng giảm Lý độ lớn tín hiệu phản xạ sóng siêu âm giảm ảnh hưởng độ nhám bề mặt mẫu thử Do đó, tổn thất lượng tăng gia tăng tán xạ sóng siêu âm q trình truyền dẫn, vậy, dẫn đến biên độ tín hiệu dội lại bị sụt giảm Chúng ta thấy tín hiệu chế độ thiểu số phát / đa số thu cao chế độ đa số phát / thiểu số thu Nguyên nhân tổn thất nhiễu gây nên Bằng cách thiết kế tế bào cảm biến theo tỷ hai, chế độ thiểu số phát sóng / đa số thu sóng làm giảm tổn thất lượng tỷ lệ với số tế bào cảm biến Sử dụng kết đo tính tốn hệ số nhám bề mặt mẫu, biên độ đo được so sánh với biên độ cần tính tốn Biên độ tín hiệu phản xạ nhận từ bề mặt mẫu thu thực nghiệm chuẩn tắc hoá cách chia cho biên độ tín hiệu phản xạ nhận từ bề mặt tham chiếu Hình mối quan hệ đo tín hiệu phản xạ sóng siêu âm bề mặt nhám Hình Quan hệ tín hiệu phản xạ độ nhám bề mặt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình cho thấy độ nhạy phát sóng siêu âm chế độ tồn phát / toàn thu chế độ thiểu số phát / đa số thu tách riêng với chế độ khác Trong hai trường hợp, độ nhạy tín hiệu thu có sai số nhỏ hiệu truyền dẫn hiệu nhận Các tín hiệu đầu cao đạt thiết kế phát sóng siêu âm với tỷ lệ số lượng tế bào cảm biến Hình So sánh độ nhậy tín hiệu phản xạ khác Để đánh giá độ nhạy phát sóng siêu âm cho phép đo độ nhám bề mặt, tính tốn lý thuyết giá trị thực nghiệm cho thấy phát sóng hoạt động tốt với dải Rrms = 50μm Biên độ đo không với lý thuyết độ nhám 50μm Các kết ảnh hưởng tín hiệu tán xạ rõ ràng giá trị độ nhám lớn Chế độ toàn phát / toàn thu hoạt động với độ xác cao chế độ khác chế độ thiểu số phát / đa số thu làm việc với mức lượng hiệu Những kết đạt chứng tỏ CMUT sử dụng vật liệu polime có tiềm để ứng dụng phân biệt chất lượng giấy ráp KẾT LUẬN Bộ phát sóng vi điện dung sử dụng vật liệu polime ứng dụng để phát độ nhám bề mặt Bộ phát sóng siêu âm xác định bất thường bề mặt cách sử dụng chế độ tán xạ song phân theo năm cách Hệ số phản xạ mơ tả ước lượng mức độ độ nhám bề mặt với độ xác Nó cho thấy cảm biến sóng siêu âm song phân cho kết tốt thông qua đo lường lý thuyết với thời gian kiểm nghiệm nhanh Điều cho phép phát sóng siêu âm vi điện dung sử dụng vật liệu polime đạt độ xác tiết kiệm lượng thời điểm dây chuyền sản xuất, kỹ thuật khơng tiếp xúc thích hợp để kiểm tra bề mặt mềm mỏng Trong tương lai, cải thiện tuổi thọ suất phát sóng đạt thơng qua q trình sản xuất lựa chọn vật liệu khác thông số tối ưu Điều làm cho để phát độ nhám với giá trị nhỏ dựa vào tần số cao LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả cảm ơn hỗ trợ Trường Đại học Hải Phịng, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội Trường Đại học Khoa học Ứng dụng Cao Hùng - Đài Loan nghiên cứu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Stor-Pellinen, J., & Luukkala, M (1995) Paper roughness measurement using airborne ultrasound Sensors and Actuators A: Physical, 49(1-2), 37-40 [2] Nicoletti D., Sorli B (1995) Measurement of Changes in Surface Roughness using Ultrasonic Reflection Coefficient In: Thompson D.O., Chimenti D.E (eds) Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Springer, Boston, MA [3] Sukmana, D D., & Ihara, I (2005) Application of air-coupled ultrasound to noncontact surface roughness evaluation Japanese journal of applied physics, 44(6S), 4417 [4] Sukmana, D D., & Ihara, I (2006, November) Quantitative Characterization of Two Kinds of Surface Roughness Parameters from Air-Coupled Ultrasound Scattering In Proc Symp Ultrason Electron (Vol 27, No 2006, pp 249-250) [5] Warren, P D., Pecorari, C., Kolosov, O V., Roberts, S G., & Briggs, G A D (1996) Characterization of surface damage via surface acoustic waves Nanotechnology, 7(3), 295 [6] Hilton, P J (1997) Imaging surface roughness using correlated speckle grain pairs Proc DICTA/IVCNZ97, 349-354 [7] Forouzbakhsh, F., Gatabi, J R., & Gatabi, I R (2009) A new measurement method for ultrasonic surface roughness measurements Measurement, 42(5), 702-705 [8] Information on http://www.nanovea.com/Application%20Notes/SandPaper.pdf ... để phát độ nhám bề mặt Bộ phát sóng siêu âm xác định bất thường bề mặt cách sử dụng chế độ tán xạ song phân theo năm cách Hệ số phản xạ mơ tả ước lượng mức độ độ nhám bề mặt với độ xác Nó cho. .. tần số độ nhám bề mặt vật mẫu Từ đồ thị Hình Hình cho thấy độ nhám bề mặt tăng, độ lớn tín hiệu dội lại tương ứng giảm Lý độ lớn tín hiệu phản xạ sóng siêu âm giảm ảnh hưởng độ nhám bề mặt mẫu... thường so sánh với bề mặt tham chiếu có độ mịn tiêu chuẩn [1,2] Mối quan hệ sóng siêu âm phân tán thông số độ nhám bề mặt xác định trung bình bình phương độ nhám độ dài tương quan bề mặt đề xuất [3,4]