CHƢƠNG 3 BIẾN TỬ SIÊU ÂM
3.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của biến tử siêu âm sử dụng
3.1.2 Cấu tạo biến tử siêu âm
Cấu tạo của biến tử siêu gồm 2 phần chính : lõi cảm biên áp điện và phần kim loại cộng hƣởng tần số, phần kim loại thƣờng đƣợc làm bằng các vật liệu có tính từ giảo(dƣới tác dụng của điện trƣờng hoặc từ trƣờng chúng thay đổi kích thƣớc) ví dụ nhƣ : sắt, nikel,cobal và các hợp kim của chúng. Phần quan trọng nhất mà chúng ta cần lƣu ý là lõi cảm biến áp điện hay Piezoelectric (PZT). PZT đƣợc cấu tạo từ 3 thành phần kim loại hóa học chính là chì Pb, zorconi, titan. Dƣới tác dụng của điện tích đặt trên 2 điện cực của cảm biến lớp gốm và kim loại
29 sẽ chịu một lực xoắn lớn, lực chủ yếu xuất hiện trên bề mặt và tạo ra những dao động sóng đứng.
Hình 3.5 Hình ảnh cảm biến áp điện thông thƣờng
Nếu ta gắn chắt cảm biến vào một tấm thép thì tấm thép sẽ dao động tạo ra một sóng cơ có công suất lớn truyền theo phƣơng vuông góc với trục của transducer. Muốn sóng cơ truyền tới bể rửa đạt hiệu quả cao ta phải gắn chặt nó với đáy bể hoặc có thể nhúng trực tiếp phần lõi sắt vào bể rửa để đạt hiệu quả cao nhất.
Các thông số chính của biến tử siêu âm đƣợc sử dụng: Để chế tạo và thiết kế đƣợc máy rửa siêu âm cần hiểu rõ những thông số cơ bản của biến tử siêu âm. Nhƣ chúng ta biết, khi cảm biến PZT đƣợc đặt một điện áp vào thi kích thƣớc của cảm biến sẽ bị biến dạng và ngƣợc lại khi cảm biến bị biến dạng sẽ sinh ra một điện áp. Sau đây là bảng mô tả thông số của nhà sản xuất.
30
Bảng 3-1 Thông số cơ bản của biến tử siêu âm
Loại SKU392264 Tần số 40KHz ± 1KHz Công suất 60W Dung kháng 3800pF Chiều rộng bề mặt 45mm Điện trở cộng hƣởng 10 – 25 Ohm Kích thƣớc vòng đệm 38*15*5 Chiều dài 48mm
Nguồn cung cấp Input: 100V~130V or 220V~240V AC
Vật liệu Thép không gỉ
Cân nặng 350g/pcs
Kết cấu và độ dày của biến tử siêu âm đã đƣợc nhà sản xuất tính toán hợp lý để biến tử siêu âm phát huy tốt nhất hiệu quả khi làm việc.
31
Hình 3.7 Hình ảnh thực tế của biến tử siêu âm (Ultrasonic cleaner transducer)
Để phục vụ cho việc thiết kế máy rửa siêu âm, chung ta cần đo tần số cộng hƣởng , trở kháng của biến tử siêu âm. Để đo đƣợc trở kháng và tần số cộng hƣởng của biến tử siêu âm, em dùng thiết bị NI ELVIS II. Là thiết bị dùng để thiết kế và thiết lập mạch thực hành cho mạch điện, điều khiển, dụng cụ điện, thông tin liên lạc và các bài thí nghiệm điện điện tử. Giao diện với máy tính bằng cổng USB. Tích hợp các thiết bị ảo: Oscilloscope, Đồng hồ đa năng kỹ thuật số (Digital Multimeter – DMM), máy phát xung (Function Generator), bộ nguồn cung cấp (Variable Power Supply), thiết bị phân tích Bode (Bode Analyzer), máy phát sóng ngẫu (Arbitrary Waveform Generator), Bộ phân tích tín hiệu động (Dynamic Signal Analyzer – DSA), bộ phân tích Dòng/Áp với mã nguồn của LabVIEW. Môi trƣờng phần mềm LabVIEW. Tích hợp phần mềm Multisim và MultiMCU. Lựa chọn sử dụng thiết bị ảo dễ dàng bằng cách chọn và kích chuột.
32
Hình 3.8 Thiết bị NI ELVIS II
Ta có một biến tử siêu âm tƣơng đƣơng với một mạch LC cộng hƣởng. Với hai cực điện ở 2 bên áp điện tạo thành một tụ điện và khối thép không gỉ cộng hƣởng hoạt động giống nhƣ một điện cảm.
Hình 3.9 (a)Một transducer, (b) mạch tƣơng đƣơng trong transducer, (c,d)mạch tƣơng đƣơng khi cộng hƣởng song song [17][18]
Hình 3.8b miêu tả trong transducer gồm có điện dung tĩnh, điện dung động, độ tự cảm động và điện trở động, đƣợc định nghĩa bằng C0, C ,L , R. Khi mạch cộng hƣởng song song, mạch sẽ tƣơng đƣơng hình 3.8c. Để đơn giản ta chuyển thành sơ đồ tƣơng đƣơng hình 3.8d.
Nhƣ sơ đồ tƣơng đƣơng hình 3.8 thì ta sẽ có trở kháng của transducer đƣợc tính nhƣ sau [17]:
33 Từ phƣơng trình (2) Zp = R’ – jX ; R’ = , C0 = C0’ ; (3)
(3) Transducer là tải có tinh dung kháng
Khảo sát bằng thiết bị NI ELVIS II ta đo đƣợc trở kháng tại tần số cộng hƣởng f =39,6khz ; Z =15,88Ώ . Theo thông số nhà sản xuất điện trở cộng hƣởng R’ = 10 – 20 Ώ
Ta giả sử R’ =10 Ώ X = 12,33 Ώ C C0 = 0.32µF (4) (4) Điện trở động R = 15,46 Ώ tại tần số cộng hƣởng f =39,6 Khz.
Hình 3.10 Sơ đồ thiết lập phép đo trở kháng[15]
Để thực hiện khảo sát trở kháng và tần số cộng hƣởng, ta thiết lập sơ đồ mạch đo nhƣ hình 3.10. Ta thiết lập nguồn phát tín hiệu tử máy phát xung
34 (Function Generator) từ phần mềm NI ELVIS II để thiết lập tần số phát, biện độ sóng phát. Kết nối các kênh đo CH1 và CH2 với thiết bị nhƣ sơ đồ. Để tính trở kháng ta tính theo công thức sau:
Z =
35
Hình 3.12 Biểu đồ sự thay đổi trở kháng theo tần số của transducer
Qua biểu đồ hình 3.12 ta có thể thấy khi chƣa gắn vào bể trở kháng theo tần số của biến thiên và đạt giá trị cộng hƣởng tài f =39,6khz với giá trị Z = 15.88 Ώ. Khi đƣợc gắn vào bể nƣớc 200ml thì trở kháng của hệ transducer và bể nƣớc đã ổn định và giá trị nhỏ nhất Z’ = 64,68 Ώ cũng tại tần số f = 39,6Khz. Nhƣ vậy
36 chúng ta đã khảo sát tìm hiều về nguyên lí làm việc, khảo sát trở kháng, tìm tần số cộng hƣởng ứng với điểm làm việc của biến tử siêu âm. Trong chƣơng tiếp theo chúng ta sẽ đến phần thiết kế mạch phát cao tần cung cấp điện áp cho biến tử siêu âm làm việc.