Bài giảng Kỹ thuật siêu âm - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bài giảng Kỹ thuật siêu âm do trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định biên soạn cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm chung về siêu âm, Cơ sở thiết bị siêu âm, Một số thiết bị ứng dụng siêu âm. Mời các bạn cùng tham khảo!

LờI Mở ĐầU Kỹ thuật siêu âm đà biết đến từ lâu ứng dụng rộng rÃi nhiều lĩnh vực như: y học, công nghiệp dân dụng Người ta đà sử dụng siêu âm để thăm dò khuyết tật mối hàn kim loại, đánh bề mặt vật liệu, tìm luồng cá biểnđặc biệt lĩnh vực ứng dụng siêu âm rộng r·i vµ quan träng nhÊt lµ y häc chuÈn đoán điều trị Với ưu việt đặc biệt không gây tác động xấu sinh học ®èi víi c¬ thĨ ng­êi nh­ tia X – quang hay y học chẩn đoán hình ảnh Tuy nhiên, để hiểu biết ứng dụng siêu âm đòi hỏi phải học kiến thức chất vật lý sóng siêu âm, sở thiết bị, nguyên lý làm việc thiết bị siêu âm, phương pháp kỹ thuật kiểm tra siêu âm Nhưng nước ta tài liệu nghiên cøu cịng nh­ c¸n bé kü tht biÕt vỊ lÜnh vực hạn chế Để góp phần vào công tác nghiên cứu, công tác đào tạo chương trình đào tạo kỹ sư ngành công nghệ kỹ thuật điện, điện tử trường Đại học SPKT Nam Định đà đưa môn học Kỹ thuật siêu âm tần vào giảng dạy với hy vọng cung cấp phần kiến thức kỹ thuật siêu âm ứng dụng siêu âm Do giảng Kỹ thuật siêu âm biên soạn phục vụ cho công tác giảng dạy, làm tài liệu học tập cho sinh viên tài liệu nghiên cứu cho bạn ham mê nghiên cứu khoa học Tập giảng kỹ thuật siêu âm tần gồm chương: Chương 1: Khái niệm chung siêu âm Chương 2: Cơ sở thiết bị siêu âm Chương 3: Một số thiết bị ứng dụng siêu âm đà ®­ỵc ®Ị cËp ®Õn vÊn ®Ị chÝnh sau: tÝnh chÊt sóng siêu âm, tương tác siêu âm, sở nguyên lý cấu trúc thiết bị siêu âm, ứng dụng siêu âm Trong trình biên soạn, đà nhận giúp đỡ quí báu, đóng góp ý kiến xây dựng giảng viên môn Kỹ thuật ®iƯn tư, Khoa ®iƯn, ®iƯn tư tr­êng ®¹i häc SPKT Nam Định Mặc dù đà có nhiều cố gắng xong giảng tránh khỏi sai sót Chúng mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc để giảng hoàn thiện Nam Định, ngày tháng 11 năm 2011 Chủ biên Ths Nghiêm Thị Thúy Nga Ths Nguyễn Thị Hòa MC LC Lời mở đầu Cuương 1: Khái niệm chung siêu âm 1.1 Sãng ©m 1.1.1 Định nghÜa sãng ©m 1.1.2 Phân loại sóng âm 1.2 Sóng siêu âm 1.2.1 Định nghĩa siêu âm 1.2.2 Đặc điểm sóng siêu âm 1.2.3 B¶n chÊt cđa sãng siêu âm 1.2.4 Phương trình sóng siêu ©m 1.3 Các đại lượng đặc trưng trình truyền sóng siêu âm 10 1.3.1 Tần sè 10 1.3.2 Biên độ 11 1.3.3 B­íc sãng 12 1.3.4 VËn tèc 13 1.3.5 Trở kháng âm 13 1.3.6 Âm áp (áp suất âm) 13 1.3.7 Âm (năng lượng sóng siêu âm) 14 1.3.8 C­êng ®é sãng siêu âm 14 1.4 Các dạng sóng siêu âm øng dông 15 1.4.1 Sãng däc hay sãng nÐn (Longitudinal or compressional waves) 16 1.4.2 Sãng ngang hay sãng tr­ỵt (Transverse or shear waves) 17 1.4.3 Sãng mỈt hay sãng Rayleigh (surface or Rayleigh Wares) 18 1.4.4 Sóng lamb sóng mỏng (lamb or plate waves) 18 1.4.5 VËn tốc sóng siêu âm 20 1.5 Sù truyÒn lan sóng siêu âm 21 1.5.1 Phản xạ 21 1.5.2 Tán xạ 26 1.5.3 Khóc x¹ 27 1.5.4 Giao thoa 32 1.5.5 Sù hÊp thô 35 1.6 Sự suy giảm chùm tia siêu ©m 35 1.6.1 Kh¸i niƯm 35 1.6.2 Thang ®o theo decibel 37 1.6.3 Lớp nửa giá trị (HVL- HaLf Value Layer) 38 1.6.4 Decibel vµ HVL 38 1.6.5 Tính toán suy giảm 39 1.6.6 Tính toán cường độ .40 1.7 Đặc tính chùm tia siêu âm 41 1.7.1 Chùm tia siêu âm .41 1.7.2 Tr­êng gÇn 43 1.7.3 Tr­êng xa 45 Câu hỏi ôn tập chương 48 Cuương 2: Cơ sở thiết bị siêu âm 49 2.1 Các phương pháp kiểm tra siêu âm 49 2.1.1 Phương pháp truyền qua (phương pháp bóng âm) .49 2.1.2 Phương pháp xung phản hồi 51 2.1.3 Phương pháp cộng h­ëng 59 2.1.4 Phương pháp tự động bán tự động 60 2.2 Đầu dò siêu âm 62 2.2.1 HiƯu øng ¸p ®iÖn 62 2.2.2 Vật liệu áp điện 64 2.3 Các loại đầu dò ứng dụng 77 2.3.1 Đầu dò thẳng .77 2.3.2 Đầu dò góc (đầu dò xiªn) .83 2.3.3 Đầu dò đặc biệt 85 C©u hái «n tËp ch­¬ng 86 Ch­¬ng 3: Mét sè thiết bị ứng dụng siêu âm 87 3.1 Siêu âm dò khuyết tật kim lo¹i 87 3.1.1 Kü thuËt kiÓm tra khuyÕt tËt kim loại siêu âm 87 3.1.2 Sơ đồ khối máy dò khuyết tật kim loại .94 3.1.3 Nguyên lý làm viÖc .95 3.2 Siêu âm chuẩn đoán y tế 102 3.2.1 Phương pháp tạo ảnh siêu âm 102 3.2.2 CÊu tróc thiết bị siêu âm y tế 110 3.2.3 Chức nguyên lý làm việc 110 3.3 Một số thiết bị siêu ©m kh¸c 115 3.3.1 ứng dụng sóng siêu âm hệ thống phát đột nhập di động 115 3.3.2 Thiết bị tẩy rửa dùng sóng siêu âm 121 3.3.3 ThiÕt bÞ đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm 126 3.4 Các mạch điện ứng dông 132 3.4.1 Mạch đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm 132 Câu hỏi «n tËp ch­¬ng 135 Tµi liƯu häc tËp 136 Phô lôc 137 CHương 1: Khái niệm chung siêu âm 1.1 Sóng âm 1.1.1 Định nghĩa sóng âm Âm lượng học truyền qua môi trường Các thay đổi tuần hoàn áp lực môi trường (không khí, nước sắt) tạo lực tác dụng tác động lên phần tử khiến chúng dao động quanh vị trí cân chúng Sóng âm dao động học hay sóng đàn hồi, lan truyền môi trường đàn hồi gọi sóng đàn hồi hay sóng Sóng âm lan truyền môi trường vật chất đàn hồi chất rắn (thép, ®¸…) c¸c tinh thĨ, c¸c chÊt láng nh­ (nước, dung môi hữu cơ) chất thể khí Vậy ta tạo sóng âm cách tác động lực học vào môi trường truyền âm Ví dụ: Đánh vào mặt trống Dòng điện làm rung màng loa Đạn bay không khí 1.1.2 Phân loại sóng âm Phân loại theo phương dao động Dựa vào cách truyền sóng người ta chia sóng âm thành loại sóng dọc sóng ngang Sóng ngang: sóng mà phương dao động phân tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng Sóng ngang xuất môi trường có tính đàn hồi hình dạng, tính chất có chất rắn Sóng dọc: sóng mà phương dao động phân tử môi tr­êng trïng víi ph­¬ng trun sãng Sãng däc xt hiƯn môi trường biến dạng thể chất, tính chất có chất rắn, lỏng khí Sóng siêu âm ứng dụng siêu âm chuẩn đoán thuộc loại sóng dọc Phân loại theo tần số Cũng sóng điện tử sóng âm chiếm dải băng tần rộng, tùy theo tần số sóng mà người ta chia vùng: Sóng âm tần số cực thấp gọi vùng hạ âm f 20KHz 1.2 Sóng siêu âm 1.2.1 Định nghĩa siêu âm Sóng siêu âm Galton phát vào năm 1883 phát triển nhanh chóng chiến tranh giới thứ Siêu âm sóng học tần số cao mà người nghe thấy có tần số f > 20KHz Siêu âm loại dao động học truyền môi trường vật chất định Năng lượng học tác động vào phân tử vật chất môi trường làm cho chúng dao động khỏi vị trí cân bằng, mặt khác tương tác mà phân tử bên cạnh chịu ảnh hưởng dao động theo, tạo thành sóng lan truyền hết lượng, siêu âm truyền môi trường chân không sóng điện từ Dải tần sóng siêu âm: Dải tần từ 0,5MHz đến 20MHz sử dụng kiểm tra vật liệu Dải tần từ 1,5MHz đến 10MHz sử dụng siêu âm chuẩn đoán Dải tần từ 20MHz đến 50MHz sử dụng máy siêu âm da liễu Trong iu tr ta dựng siêu âm có tần số 1MHz 3MHz ©m 20Hz Siêu âm 20Khz 0,5MHz 1,0MHz 2,0MHz 5MHz 10MHz Kiểm tra sản phẩm đức rèn Dải tần số tai người Kiểm tra mối hàn Kiểm tra độ dày Hình 1.1: Phổ âm với dải tần siêu âm sử dụng phổ biến cho kiểm tra số sản phẩm công nghiệp 1.2.2 Đặc điểm sóng siêu âm Khi siêu âm lựa chọn tăng tính chất định hướng kiểm tra, lượng sóng truyền theo phương định, tần số cao tính định hướng lớn Đây xem xét để tăng khả phát khuyết tật tạo thuận lợi phân tích tín hiệu nước chế tạo hệ hội tụ để tập trung lượng lớn diện tích hẹp Khi lựa chọn tần số cao bước sóng ngắn đến mức nhỏ nhiều kích thước mẫu vật liệu Điều có ý nghĩa quan trọng đo kiểm tra bề dày mỏng phát khuyết tật có độ phân dải cao Sóng siêu âm mang lượng lớn sóng âm Trong dải sóng siêu âm với điều kiện định xuất hiện tượng xâm thực sóng xảy chất lỏng Sử dụng siêu âm không gây ồn âm trình kiểm tra 1.2.3 Bản chất sóng siêu âm Sóng siêu âm dạng dao động học Để hiểu chuyển động sóng siêu âm môi trường cần phải hiểu chế truyền lượng hai điểm môi trường cách nghiên cứu dao động trọng vật treo đầu lò xo Hình 2: Sơ đồ dao động sóng siêu âm Có lực tác dụng lên M trạng thái cân A, trọng lực G lực căng T lò xo - Khi M chuyển động từ A đến B sức căng T tăng - Khi chuyển động từ B M gia tốc vị trí A tác dụng lực căng T đến A T = G (trạng thái cân bằng) Nhưng M chuyển động có vận tốc nên theo quán tính vượt khỏi A chuyển động đến C, T giảm G tăng tương đối có xu hướng hÃm M M không động dừng C Tại C, G>T lại kéo M quay lại chuyển động phía A Tại A lại có động lại vượt qua A chuyển động đến B T tăng dần hÃm M đến B Tại B, T lại lớn G toàn trình lại bắt đầu lặp lại Trình tự dịch chuyển M từ A -> B -> A -> C -> A, gọi chu trình Thời gian cần thiết để thực chu trình gọi chu kỳ: T f Trong đó: T chu kỳ dao ®éng (thêi gian cÇn thiÕt ®Ĩ thùc hiƯn chu trình) f tần số dao động (số dao động toàn phần giây) Độ dịch chuyển cực đại M từ A-> B; A-> C gọi biên độ dao động minh họa hình vẽ Mọi vật liệu có cấu tạo từ nguyên tử (phân tử) chúng liên kết với nhờ lực liên kết nguyên tử Các lực nguyên tử lực đàn hồi tức nguyên tử coi nối với lò xo Hình 3: Mạng liên kết nguyên tử phân tử Bây nguyên tử vật liệu bị dịch khỏi vị trí ban đầu lực nguyên tử dao động vật M mô tả hình 1.2 Do lực liên kết nguyên tử làm cho nguyên tử kế cận dao động tiếp tục nguyên tử kế cận dao động chuyển động dao động truyền cho nguyên tử bên cạnh tiếp tục vv Nếu tất nguyên tử liên kết với cách vững (liên kết cứng) truyền chuyển động đồng thời trì trạng thái dao động, tức pha Nhưng thực tế liên kết nguyên tử vật liệu lực đàn hồi nên việc truyền dao động cần thời gian xác định nguyên tử đạt trạng thái pha dao động trễ nguyên tử bị kích thích Nếu coi vật liệu cấu tạo phân tử, nguyên tử chúng liên kết chặt chẽ với Ta coi chúng nối với lò so để tạo lực đàn hồi hình 1.3 trạng thái bình thường: phân tử có vị trí cân bền tác dụng lực lên phần tử A vị trí cân môi trường phần tử rời khỏi vị trí cân bền dao động Do lực liên kết chúng phân tử nên phân tử A dao động kéo theo phân tử bên cạnh dao động theo Hiện tượng tiếp tục xảy phân tử khác môi trường Cứ tạo thành sóng đàn hồi hay sóng Vậy chất sóng âm hình thành sóng môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng, rắn) coi môi trường liên tục gồm phân tử liên kết chặt chẽ với Bản chất sóng âm sóng học tuân theo quy luật sóng 1.2.4 Phương trình sóng siêu âm Khi sóng học truyền môi trường dịch chuyển phân tử môi trường khỏi vị trí cân thời điểm t xác định: (1.1) a(t) = a0 sin2ft Trong đó: a(t) biên độ thời điểm hay độ dịch chuyển hạt (phân tử) thời điểm t a0 biên độ dao động cực đại hạt khoảng cách dịch chuyển tính vị trí xa f tần số dao động hạt Hình 1.4: Đồ thị miêu tả dao động phần tử dao động theo thời gian Phương trình chuyển động sóng học môi trường cho ta biết trạng thái phân tử vị trí khác tính từ hạt bị kích thích thời điểm t: (1.2) a(x, t) = a0 sin2f(t – x/c) Trong ®ã: x khoảng cách từ hạt bị kích thích tíi thêi gian t 2f =  lµ vËn tèc góc dao động a0 biên độ dao động cực đại c vận tốc truyền âm môi trường a(x,t) biên độ dao động phần tử vật chất môi trường truyền âm Độ dịch chuyển hạt a0 Khong cỏch Bước sóng Hình 1.5: Đồ thị miêu tả dao động phần tử dao động theo khoảng cách Trong thời gian chu kú (T) mét sãng c¬ häc cã vËn tèc (c) truyền quÃng đường môi trường xác định: c.T c c f f T T Từ ta tìm phương trình chuyển động sóng là: c f Trong đơn vị thường dùng: f(Hz); (mm) c (mm/s) (1.3) f(MHz); (km) c (km/s) 1.3 Các đại lượng đặc trưng trình truyền sóng siêu âm 1.3.1 Tần số Tần số sóng tần số dao động nguyên tử môi trường mà sóng truyền, thường ký hiệu chữ f biểu thị số chu kỳ giây đặt tên theo tên nhà vật lý H.Hentz viết tắt Hz 10 d Mối tương phản công suất dung tích Watts/Gallion 140 120 100 80 60 40 20 20 40 60 80 Gallion 100 Hình 3.38: Đồ thị tương quan công suất dung tích Dung dịch rửa Thành phần (gam/lit) (%) 30g/l Nhiệt độ C Kim loại cần làm 20 g/l 30 g/l 500C ThÐp Thñy tinh láng Na3PO4 Na2CO3 HNO3 H2SO4 H2O 20 g/l 500C ThÐp g/l g/l 40% 10% 50% 500C Đồng, nhôm Kẽm Thép rỉ NaOH NaF 100 g/l 50 g/l 40-600C Na3PO4 NaCl Thñy tinh láng Na3PO4 H2SO4 HNO3 HCL H2O 4% 9% 13% 74% 500C 500C 500C ThÐp øng dơng Rưa c¸c chi tiÕt rÊt bÈn Rưa c¸c chi tiÕt rÊt bÈn Rưa c¸c chi tiÕt rÊt bÈn Rưa c¸c chi tiÕt rÊt bẩn Làm vẩy, rỉ Hợp kim thép, Rửa chi Crôm, tiết bẩn Niken,Modiplen Nhôm Làm bóng bề mặt Nhôm Bảng 3.1: Thông số dung dịch tẩy rửa thường dùng 124 Mô hình máy rửa siêu âm Thùng rửa Dung dịch tẩy rửa Chi tiết rửa Màng dao động Các điện cực Biến tử siêu âm Hình 3.39: Mô hình máy rửa siêu âm Thùng rửa: thường sử dụng loại vật liệu không rỉ, không bị ăn mòn dung dịch hóa chất dùng ®Ĩ tÈy rưa nh­ axit, xót, mi… Ngoµi vËt liệu chế tạo vỏ thùng cần phải có vận tốc truyền âm cao Màng dao động hay gọi mỏng truyền sóng chế tạo đồng thép không rỉ có chức phân bố lượng siêu âm toàn diện tích đáy thùng rửa Mặt khác màng dao động có chức bảo vệ biến tử tránh va đập mạnh cho chi tiết vào thùng rửa Biến tử: Chuyển đổi dao động điện thành dao động học tạo hiệu ứng xâm thực trình tẩy rửa Sơ đồ khối mạch điện máy rửa siêu âm Khối cấp nhiệt Khối nguồn cung cấp Khối cài đặt, ổn định hiển thị nhiệt độ Biến áp cách ly phối hợp trở kháng Khối cài đặt hiển thị thời gian Khuếch đại công suất Chuyển mạch Dao động sin Hình 37: Sơ đồ khối mạch điện máy rửa siêu âm 125 Nhiệm vụ khối máy rửa siêu âm a Khối dao động sin Tạo sóng sine có tần số ổn định có khả điều chỉnh khoảng từ 20 Khz- 100 Khz cho phù hợp với chế độ tẩy rửa loại vật liệu tẩy rửa khác b Khối khuếch đại công suất Kết hợp với biến áp nhằm cung cấp điện áp khoảng 1000V xoay chiều cung cấp cho biến tử đồng thời cách ly biến tử với mạch khuếch đại c Khối cài đặt hiển thị thời gian Sử dụng định khí hay điện tử có nhiệm vụ ấn định thời gian làm việc cho thiết bị thông qua chuyển mạch Thông thường thời gian chình khoảng phút đến hàng hiển thị phương pháp khắc vạch Led đoạn d Khối cài đặt, ổn định hiển thị nhiệt độ Có nhiệm vụ cung cấp nhiệt cho dung dịch rửa ổn định có khả điều chỉnh khoảng từ 25C- 100 25C cho phù hợp với chế độ tẩy rửa lạo vật liệu tẩy rửa khác Nhiệt độ nồi rửa sau điều chỉnh ổn định cảm biến nhiệt kết hợp với mạch điện tử thích hợp đóng ngắt cấp nhiệt e Bộ cấp nhiệt Thường sử dụng dây điện trở nối với nguồn xoay chiều thông qua chuyển mạch tiếp điểm không tiếp điểm Bộ cấp nhiệt phải cách điện tốt với vỏ nồi rửa 3.3.3 Thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm Nguyên tắc đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm Một dao động học có tần số siêu âm phát từ biến tử phát sóng lan truyền vào môi trường cần đo Khi gặp giới hạn phân cách hai môi trường phần lượng truyền qua, phần lượng phản xạ trở lại.Theo định luật phản xạ sóng chùm tia phản xạ phương ngược chiều với chùm tia tới Thời gian chùm tia phơ thc vµo hai u tè vËn tèc trun âm môi trường đoạn đường dịch chuyển chùm tia môi trường Xác định khoảng cách: Sóng siêu âm truyền không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu cảm biến phát sóng siêu âm thu sóng phản xạ đồng thời đo khoảng thời gian từ lúc phát tới lúc thu về, máy tính 126 xác định quÃng đường mà sóng đà di chuyển không gian QuÃng đường di chuyển sóng lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát sóng siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật tính theo nguyên lý TOF: z = c.t/2 Trong đó: z khoảng cách cần đo c vận tốc sóng siêu âm mơi trường truyền sóng t thời gian từ lúc sóng phát đến lúc sóng ghi nhận lại Nguyªn lý TOF (time of flight) nguyên lý đo khoảng cách thời gian truyền sóng Phương pháp đặc biệt ứng dụng với thiết bị sử dụng sóng siêu ©m vËn tèc di chun cđa sãng kh«ng khí vật liệu khác tương đối chậm, người ta đo khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s không khí) Phương pháp không dùng thiết bị thu nhận sóng điện từ, vận tốc sóng điện từ cao với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s) Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật tính vận tốc sóng môi trường tương øng nh©n víi mét nưa thêi gian trun cđa sãng Sơ đồ khối thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm Dao động siêu âm Điều khiển phát thu hiển thị - xóa Bộ đếm n số hiển thị led đoạn Điều chế tín hiệu Khuếch đại Chuyển mạch Biến tử ph¸t sãng Xư lý tÝn hiƯu thu BiÕn tư thu sóng Khuếch đại chọn tần Chuyển mạch Tạo xung đếm Hình 2.38: Sơ đồ khối thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm 127 Chức nhiệm vụ yêu cầu khối: a Dao động siêu âm: Có nhiệm vụ tạo chuỗi sóng vuông tuần hoàn có tần số điều chỉnh phạm vi từ vài chục KHz đến vài trăm KHz cho phù hợp với môi trường truyền sóng khác Ngoài tần số dao động liên quan đến bề mặt phản xạ độ xác phép đo khoảng cách xa mà phép đo đạt tới Tần số dao động cao phép đo xác tổn hao môi trường truyền sống lớn cự ly đo giảm ngược lại tần số dao động thấp độ xác phép đo giảm tổn hao môi trường truyền sóng giảm theo khoảng cách đo tăng lên b Khối điều chế tín hiệu: Nhằm tạo chuỗi xung phát có độ rộng định trước chiếm khoảng thời gian tương đương -15 chu kì dao động Khối thường sử dụng cổng logic kết hợp với mạch vi phân để tạo chuỗi xung có độ rộng cần thiết c Khối khuếch đại công suất: Nâng biên độ chuỗi xung phát với áp dòng đủ lớn cung cấp cho biến tử phát sóng Ngõ mạch khuếch đại công suất sử dụng biến áp nhằm tăng biên độ điện áp đồng thời phối hợp trở kháng ngõ mạch công suất biến tử phát sóng d Biến tử phát sóng: Chuyển đổi dao động điện thành dao động học lan truyền môi trường Tần số dao động riêng biến tử phải phù hợp với tần số xung phát để dao động học xạ đạt biên độ lớn Trong thiết bị đo khoảng cách biến tử sử dụng loại thẳng góc có hệ số chuyển đổi điện cao với tần số hoạt động ph¹m vi tõ 100 KHz-150KHz e BiÕn tư thu sãng: Chuyển đổi dao động học phản xạ thành dao động điện Biến tử thu sóng cần có độ nhạy cao để đo khoảng cách xa cần thiết f Khối khuếch đại chọn tần: Do tín hiệu thu hai đầu biến tử thu sóng đạt giá trị từ V mV nên yêu cầu mạch khuếch đại tín hiệu thu phải đáp ứng yêu cầu sau: - Tỉng trë nhËp ph¶i cao - TÝnh chän lọc tần số tốt tránh ảnh hưởng nguồn âm bên - Tính kháng nhiễu tốt Hệ số khuếch đại lớn cho biên độ ngõ đạt giá trị từ vài trăm mV-1V Để đáp ứng yêu cầu cần sử dụng hai đến ba tầng khuếch đại chọn tần với ngõ vào vi sai, Opam với dạng mạch khuếch đại thích hợp Hiện người ta thường sử dụng vi mạch khuếch đại nhận dạng âm chuyên dùng SL468, LM567 128 g Xư lÝ tÝn hiƯu thu: TÝn hiƯu thu sau khuếch đạu chọn tần xử lý để có dạng xung cần thiết Việc xử lí tín hiệu thu mạch so sánh, cổng logic để đạt mức điện áp chuẩn ổn định đưa đến chuyển mạch phục vụ cho việc chốt liệu h Bộ hiển thị số: Tùy theo yêu cầu thị ta dùng đếm số, số số Bộ số đếm hiển thị đèn đoạn dạng Diod phát quang hay tinh thể lỏng hiển thị số từ 0000 đến 9999 theo tèc ®é ®Õm cđa xung ®ång hå Bé ®Õm sè xây dựng theo phương án phương pháp quét i Mạch tạo xung đếm: Mạch tạo xung đếm mạch tạo chuỗi xung vuông tuần hoàn có tần số thay đổi cung cấp cho đếm số Tần số xung phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng môi trường độ phân giải phép đo Ví dụ: Môi trường truyền sóng không khí có c = 330 m/s Nếu đếm hiển thị với số đếm mm tần số xung phải là: f = 330.2.103 = 660KHz Môi trường trun sãng lµ thÐp cã c = 5000m/s NÕu bé đếm hiển thị với số đếm cm tần số xung phải là: f = 5.102.2.103 = 1MHz Tùy theo thiết kế xung đếm sử dụng vi mạch họ TTL, CMOS vi mạch tạo xung chuyên dùng k Khối chuyển mạch 2: Khối chuyển mạch có nhiệm vụ đưa xung đếm đến đếm số thời điểm phát sóng siêu âm vào môi trường khóa đếm số nhận xung phản xạ Một chuỗi xung phản xạ biến tử thu sóng sau khuếch đại xử lí biến đổi thành xung thùc hiƯn viƯc chèt bé ®Õm sè l Khèi chun m¹ch 1: Khèi chun m¹ch cã nhiƯm vơ khãa tÝn hiƯu thu st thêi gian ph¸t sãng nh»m tránh tượng xung truyền trực tiếp từ biến tử phát đến biến tử thu hai biến tử đặt gần dẫn đến kết đo sai (trong trường hợp kết đo khoảng cách từ biến tử phát đến biến tử thu) m Mạch điều khiển xóa phát thu hiển thị: Mạch có chức điều khiển toàn hệ thống làm việc theo chu trình định trước Với phương thức hoạt động mạch có chức luôn cập nhật hóa liệu đo thay đổi khoảng cách đo mà không cần tắt máy để lập lại phép đo từ đầu 129 Giản đồ dạng sóng Dao động siêu âm Chùm xung phát Chùm xung phản xạ Xung chốt Dao động tạo xung đếm Chuỗi xung đếm tác dụng 2z Biến tử phát Biến tử thu 130 z khoảng cách cần đo Nguyên lí hoạt động toàn hệ thống Khi cấp điện mạch tạo xung điều khiển xóa đếm Tại thời điểm t1 vừa dứt xung xóa phát xung kết hợp với mạch điều chế khuếch đại công suất tạo chùm xung điện đưa ®Õn biÕn tư ph¸t sãng BiÕn tư ph¸t sãng sÏ tạo chuỗi xung siêu âm có tần số tương ứng độ rộng định trước lan truyền thẳng góc với bề mặt biến tử vào môi trường Cũng thời điểm t1, mạch thu tín hiệu bị khóa; chuyển mạch số đưa xung đếm đến đếm Bộ đếm bắt đầu đếm từ số đếm tăng dần theo tốc độ xung đếm Khi chuỗi xung siêu âm đến mặt phân cách hai môi trường (khoảng cách cần đo), theo định luật phản xạ sóng phần lượng phản xạ lại phương đến biến tử thu sóng đặt phía với biến tử phát Biến tử phát sóng chuyển đổi dao động thành dao động điện đưa đến mạch khuếch đại xử lí để tạo nên xung chốt Tại thời điểm t2, chuyển mạch làm việc đưa xung chốt đến điều khiển chuyển mạch Chuyển mạch tác động khóa cắt xung đếm Như vậy, đếm hiển thị số đếm tương ứng với đoạn đường dịch chuyển chùm tia siêu âm môi trường tốc độ xung đếm Bằng cách hiệu chỉnh tần số làm việc chuỗi xung đếm với khoảng cách chuẩn định trước, số hiển thị đếm khoảng cách cần đo Sau khoảng thời gian định trước (phụ thuộc vào tần số xung điều khiển) mạch lại làm việc từ đầu, cập nhật giá trị đo 131 3.4 Các mạch điện ứng dụng 3.4.1 Mạch đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm Sơ đồ mạch 132 Phân tích mạch: + Transmitter: khối phát - Khối tạo xung điều khiển (IC1): sử dụng IC 555 tạo chuỗi xung tuần hoàn, RB hiệu chỉnh tần số chuỗi xung - Khối tạo dao động (IC2): sử dụng IC 555 mạch điều khiển IC1, tạo chuỗi xung có tần số khoảng 40KHz cung cấp cho khối khuếch đại công suất phát - Khối khuếch đại công suất phát (IC3): dùng IC loại CMOS dòng cao ghép song song mắc đẩy kéo nhằm tăng hiệu suất cho mạch phát + Receiver: Khối thu sóng - Mạch khuếch đại tín hiệu thu (IC4): Tín hiệu phản hồi biến tử thu chuyển đổi thành chùm xung điện thông qua hai tầng khuếch đại với hệ số khuếch đại khoảng 1000 (60dB) - Mạch tách sóng gồm C9, C10, D1, D2 cã nhiƯm vơ chØnh l­u chïm xung từ sau mạch thu tạo mức điện áp dương sóng phản xạ - Khối chuyển mạch (IC5): có nhiệm vụ không cho tín hiệu thu vào tầng sau thời gian phát sóng nhằm tránh tượng sóng trượt tiếp từ đầu phát đến đầu thu Thời gian phát sóng D3 dẫn điện, ngõ so sánh bÃo hòa dương bất chấp tín hiệu từ mạch thu Với thời gian không chế 1ms tức ứng với đoạn đường di chuyển chùm tia khoảng 40cm - Khối đo thời gian xung truyền (IC6): Khối hoạt động Flip flop tạo nên xung kéo dài suốt thời gian sóng - Bộ tạo xung đếm IC7, R17, C14 tạo chuỗi xung đồng cấp cho hiển thị số R17 hiệu chỉnh tần số - Mạch tạo xung xóa chốt đếm (IC7, D4,D5, C12, C13, R15, R16) - Khèi hiĨn thÞ (IC8, IC9) sư dơng IC đếm hiển thị số theo phương pháp quét + Khối nguồn đảm bảo dòng tiêu thụ khoảng 70mA: sử dụng IC 7809 ổn áp 133 3.4.2 Mạch thiết bị dò di động sóng siêu âm Sơ đồ mạch: 134 Phân tích + Transmitter: khối phát (tương tù) + Receiver: Khèi thu sãng (t­¬ng tù) + Detector: khối tách dò tín hiệu + Khối nguồn đảm bảo dòng tiêu thụ khoảng 70mA: sử dụng IC 7812 ổn áp Câu hỏi ôn tập chương Trình bày kỹ thuật kiểm tra khuyết tật kim loại siêu âm Vẽ sơ đồ khối, trình bày chức phận nguyên lý hoạt động máy dò khuyết tật kim loại Vẽ sơ đồ khối, trình bày nhiệm vụ khối, nguyên lý to nh v phương áp tạo ảnh máy siêu âm chuẩn đoán y tế Tác dụng trình xử lý tín hiệu siêu âm xử lý trước ảnh: khuếch đại bù theo độ sâu, khuếch đại bờ (EE), dải động tín hiệu (DR), lưu ảnh tương quan (CL) nào? Trình bày hin tng xâm thc sóng siêu âm xảy cht lng yêu cầu cần thiết ca phng pháp ty dùng sóng siêu âm Trình bày sơ đồ v chc nng nhim v khối máy rửa siêu âm Phng pháp o khong cách s dng sóng siêu âm dựa theo yếu tố nào? Trình bày nguyên lý TOF? Trình bày sơ đồ khối chức nhiệm vụ c¸c khối thit b o khong cách s dng sóng siêu âm Phân tích mạch điện đo khoảng cách mạch điện di động - đột nhập đà học 10.Tính toán chọn xung điều khiển, xung đếm mạch thước đo cự ly 135 Tài liệu học tập + Giáo trình, tài liệu chính: [1] Nguyễn Đức Thuận Cơ sở kỹ thuật siêu âm NXB KH & KT 2003 [2] Tài liệu huấn luyện ưu tiên cấp Trung tâm hạt nhân thành phố HCM [3] Hà A Thồi Tài liệu giảng dạy Kỹ thuật siêu âm Trường đại học SPKT thành phố HCM + Tài liệu tham khảo: [4] Nguyễn Vũ Sơn Kỹ thuật điện tư øng dơng NXB GD - 2003 [5] Ngun Ph­íc Bảo Quân, Nguyễn Thị Thanh Phương Nguyên lý sở kỹ thuật siêu âm chuẩn đoán NXB GD - 2005 [6] Nguyễn Quốc Thắng, ĐH Bách khoa Hà Nội Bài giảng Kiểm tra mối hàn siêu âm, năm 2006 136 Phụ lục Bảng khối lượng riêng, vận tốc sóng âm, trở kháng âm vật liệuthông dơng VËt liƯu Aluminium Aluminum- oxide Bisumth Brass Cadmium Castiron Concrete Copper Glass Glicerien Gold Grey casting Hary metal Lead Magnesium Motor oil Nickel Perspex Platinum Polyamide Polyethylene Polystyrol Polyvinylchloride Porcellain Quartz Quartz glass Silver Silell (low alloy) Stell (calibration block Tin Không khí Nhôm Gang đúc Bê tông Thủy tinh Glycerine Gang xám Chì K lượng riêng c ngang 2700 3600 9800 8100 8600 6900 2000 8900 3600 1300 19300 7200 11000 11400 1700 870 8800 1180 21400 1100 940 1060 1400 2400 2650 2600 10500 7850 7850 7300 1,3 2700 6900 2000 3600 1300 7200 11400 3130 5500 1100 2120 1500 2200 2260 2560 1200 2650 4000 700 3050 2960 1430 1670 1080 925 1150 1060 3500 3515 1590 3250 3250- 137 1760 3130 2200 2560 2650 7000 cdäc Z 103 Ray 3320 330 6320 5300 4600 4260 1920 4600 2660 24236 430 17064 24150 9200 15336 2496 33120 24624 6320 9000 2180 4430 2780 5300 4600 4700 4260 1920 3240 4600 6800 2160 5770 1740 5630 2730 3960 2620 2340 2380 2395 5600 5760 5570 3600 5940 5920 17064 32400 21364 35883 23908 24150 9200 41830 15336 2496 62532 33120 74800 24624 9809 1514 49544 3221 84744 2882 2200 2523 3353 13440 15264 14482 37800 46629 46472 DÇu nít Nikel Nylon Thủy tinh hưu Thạch anh Bạc Thép (hợp kim thấp) Thép (làm mẫu chuẩn) Thép (không gỉ) Titaniun Tungsten N­íc 870 8800 1140 1180 2600 10500 7850 7850 7800 4500 2960 1430 3515 1590 3250 3250 3130 3120 19300 1000 2880 - 1740 5630 2700 2730 5570 3600 5940 5920 5940 5990 5170 1480 1514 49544 3000 3221 14482 37800 46620 46472 44800 27000 100000 1480 Bảng khối lượng riêng, vận tốc sóng âm, trở kháng âm môi trường khác Vật liệu Không khí Nước (20oC) Thủy ngân mô mềm Trung bình* Gan Cơ Mỡ NÃo Thận Lá lách Máu Xương Phổi PZT Thủy tinh thể Nước dịch thể Dịch thđy tinh thĨ Luccite Nhùa cøng DÇu thÇu dÇu * mô trung bình (ví dụ) + Lead zirconate titanate Tỷ khèi (kg/m3) 1.2 1000 13600 1060 1060 1080 952 994 1038 1045 1057 1912 400 7650 1142 1000 1000 1180 1060 969 138 Tốc độ âm (m/s) 330 1480 1450 1540 1550 1580 1459 1560 1560 1570 1575 4080 650 3791 1620 1500 1520 2680 2350 1477 Trë kh¸ng ©m häc (kg/m2.s x 106 hc g/cm2.s x 105) 0.0004 1.48 20.0 1.63 1.64 1.70 1.38 1.55 1.62 1.64 1.62 7.8 0.26 29.0 1.85 1.50 1.52 3.16 2.49 1.43