3.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của biến tử siêu âm sử dụng 3.1.1 Nguyên lý hoạt động của biến tử siêu âm 3.1.1 Nguyên lý hoạt động của biến tử siêu âm
Biến tử siêu âm ( Ultrasound Transducer ) đƣợc sử phát ra nguồn sóng siêu âm dựa công suất lớn dựa trên hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) hoặc hiệu ứng áp điện (Piezoelectric).
Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ giảo : Hiệu ứng từ giảo là hiện tƣợng dao động cơ học của vật liệu sắt từ gồm có : sắt, nikel, cobal và một vài hợp kim có 3 thành phần đó sẽ tạo ra sóng siêu âm khi cƣờng độ từ trƣờng đi qua nó thay đổi. Hiệu ứng từ giảo đƣợc phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1930 và sớm đƣợc khai thác vào kỹ thuật siêu âm vào những thập kỉ tiếp theo. Khi cho dòng điên xoay chiều và tầm vật liệu sắt từ hoặc có tính từ hóa thì tấm vật liệu này bị co giãn về kích thƣớc tạo ra các sóng đứng trên bề mặt vật liệu từ theo tần số mà từ trƣờng đi qua.[10].
Nhƣ vậy ta đã biết quá trình hình thành sóng siêu âm từ hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) là quá trình biến đổi năng lƣợng điện sang từ trƣờng rồi từ từ
27 trƣờng biến đổi sang năng lƣợng sóng cơ học. Quá trình biến đổi trên làm thất thoạt năng lƣợng do các cảm biến từ giảo hoạt động với hiệu suất thấp và khi hoạt động với tần số càng cao thì suy hao năng lƣợng càng lớn. Tuy nhiên các vật liệu sắt từ hoặc có tính từ lại có ƣu điểm đặc tính cơ học cao tạo ra đƣợc công suất lớn và chịu đƣợc điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt. Để khắc phục những khuyết điểm trên các nhà khoa học đã phát triển Langevin Transducer sử dụng hiệu ứng áp điện (Piezoelectric) với hiệu suất cao hơn.
Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ giảo[11]
Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện: Vào những năm 1940 các nhà khoa học đã chế tạo cảm biến Piezoelectric có công suất lớn, độ bền cao về mặt cơ học và đặc biệt rất ổn định về mặt tần số.
Một số vật liệu tinh thể có hiện tƣợng sau: khi tinh thể bị giãn cơ học, hoặc khi tinh thể bị biến dạng do lực tác bên ngoài, điện tích xuất hiện trên một số bề mặt tinh thể; và khi của biến đổi hƣớng ngƣợc lại , cực của điện tích đƣợc đảo ngƣợc. Đây đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện thuận, và các tinh thể có hiện tƣợng đó đƣợc xếp vào loại tinh thể áp điện.[11]
28
Hình 3.3 Hiệu ứng thuận của tinh thể áp điện [12]
Ngƣợc lại khi tinh thể áp điện đƣợc đặt trong điện trƣờng hoặc khi cung cấp vào bề mặt của nó, tinh thể có tính áp điện sẽ biến dạng,ví dụ : thay đổi về kích thƣớc. Đây gọi là hiệu ứng áp điện ngƣợc.
Hình 3.4 Hiệu ứng ngƣợc của tinh thể áp điện [12]
Ngày này đa số các biến từ siêu âm đều sử dụng các tinh thể áp điện để tạo sóng siêu âm. Và trong luận văn này biến tử siêu âm em làm cũng sử dụng tinh thể áp điện.
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.