Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. So sánh các điểm tương ứng trên hai kênh truyền
Trong giai đoạn đầu tiên của việc mô phỏng, hai kênh R-SAW được chạy trong vòng 130 na-nô giây và bước nhảy thời gian là 0,09 na-nô giây. Độ dịch chuyển các thành phần bề mặt của hai kênh đã được thể hiện trong hình 4-1. Giếng chất lỏng được đặt tại kênh 2 dẫn đến sự nhiễu động nhỏ của các phần tử trên bề mặt.
Hình 4-1 Dịch chuyển toàn phần của hai kênh
Hình 4-2 (a) Vị trí các điểm X, Y.
(b) Đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển của các điểm được chọn.
Biên độ và độ lệch pha của các cặp điểm này không bị thay đổi. Do đó, thay vì khảo sát các điểm X trên bề mặt áp điện, có thể lựa chọn điểm Y nằm trong ranh giới giữa các môi trường lỏng và rắn.
Hình 4-3 Độ dịch chuyển của các điểm trong 2 kênh
Để thu được kết quả dịch chuyển rõ ràng, hai điểm tương ứng trên hai kênh truyền được so sánh trong hình 4-3. Đường nét liền biểu diễn sự thay đổi vị trí cuẩ điểm sau giếng chất lỏng trên kênh 2, đường nét đứt biểu diễn giá trị tương ứng của điểm trên kênh 1. Sự suy giảm năng lượng của R-SAW thu được như là một phần của suy giảm do giếng chất lỏng gây ra.
Hình 4-4 Độ dịch chuyển của điểm sau giếng chất lỏng ứng với các loại chất lỏng khác nhau
Độ dịch chuyển của điểm nằm trên ranh giới giữa chất lỏng và chất rắn phía sau giếng chất lỏng được thể hiện trong hình 4-4. Đường nét liền thể hiện cho nước, đường nét đứt tương ứng với nước trộn lẫn glycerol và đường chấm gạch tương ứng với chất lỏng là Brom.
Hình 4-5 Hiệu điện thế thu được tại điện cực ra trong hai kênh, kênh 2 có nước
Hiệu điện thế thu được trên các điện cực IDT trong các trường hợp được biểu diễn theo thời gian trong các hình 4-5, 4-6, 4-7.
Hình 4-6 Hiệu điện thế thu được tại điện cực ra trong hai kênh, kênh 2 có nước trộn với glycerol
Hình 4-7 Hiệu điện thế thu được tại điện cực ra trong hai kênh, kênh 2 có Brom
Để xác định giá trị trễ giữa các điện áp đầu ra, một trong những phương pháp ước lượng thời gian trễ (TDE) thường được sử dụng là một phương sai chéo [17]. Nó được chuẩn hóa bởi các gốc tự động hiệp phương sai và dựa trên các ước tính của thời gian trễ mà tại đó hàm tương quan chéo (CCF) ước tính đạt giá trị tối đa của nó [18]. Vì vậy, so với kênh 1, một sự chậm trễ thời gian là 0,09 ns đã được tính toán trên kênh 2 chứa nước; 1,08 ns là cho kênh 2 chứa nước trộn với glycerol W / G; trong khi đó kênh 2 chứa brôm là 2,16 ns.
So sánh hiệu điện thế lối ra và độ dịch chuyển của các kênh chứa nước và nước trộn lẫn glycerol, ta có thế thấy rằng sóng R-SAW ít bị ảnh hưởng bới độ nhớt của chất lỏng mặc dù mật độ của nước và nước trộn lẫn glycerol là như nhau.
Hình 4-9 Độ dịch chuyển theo trục Z của các điểm đứng sau giếng chất lỏng
Tiếp tục tiến hành mô hình hóa hệ thống cảm biến. Hệ thống được mô phỏng trong thời gian 200 na-nô giây, bước nhảy được giữ nguyên là 0,09 na-nô giây. Hình 4-8 mô tả lại đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển của các điểm được chọn trên các kênh tương ứng, một kênh chọn làm tham chiếu không có giếng chất lỏng, kênh còn lại lần lượt cho từng loại chất lỏng với mật độ khác nhau chảy qua. Hình 4-9 biểu diễn sự dịch chuyển của các điểm tương tự như trên nhưng chỉ xét trên trục Z vuông góc với bề mặt của cảm biến. Lúc này, có thể coi sóng trên bề mặt chất lỏng như là sóng Rayleigh bởi vì nó thay đổi qua độ dày của cảm biến và liên quan đến bất kỳ sự thay đổi nào của tấm đế. Khi sóng SAW tương tác với chất lỏng, nó tạo ra sự thay đổi áp suất giữa bề mặt tiếp xúc của hai vật liệu. Vì thế, sự tương tác kém của hai vật liệu theo trục Z là lý do dẫn đến sự suy giảm của năng lượng sóng truyền trên bề mặt. Tuy nhiên, với giếng có đường kính 10 µm đến 40µm, hệ thống cảm biến vẫn có thể phát hiện sự thay đổi nhỏ này.
Hình 4-10 dưới đây cho thấy biên độ tỷ lệ tại tần số trung tâm của kênh tham chiếu là cao nhất trong khi sự chuyển pha của nó là thấp nhất. Trong phạm vi thay
Hình 4-10 Đáp ứng tần số tại tần số trung tâm: (a) Độ khuếc đại (b) Độ dịch pha (b) Độ dịch pha
Để so sánh dễ hơn, đồ thị biểu diễn suy hao của hai kênh cảm biến SAW trong hình 4-11. Kết quả này chỉ phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng trong giếng. Điểm cực đại tương ứng với khối lượng riêng của chất lỏng là 3,12 g/cm3. Trong khi đó điểm cực tiểu tương ứng với khối lượng riêng của chất lỏng là 1 g/cm3. Hình 4-12 chỉ ra rằng sự khác nhau về trễ thời gian bắt đầu xuất hiện với dòng chất lỏng có khối lượng riêng là 1 g/cm3.
Hình 4-11 Độ suy hao của cảm biến SAW với các mức khối lượng riêng khác nhau của chất lỏng: 1, 3, 6, 12 g/cm3
Hình 4-12 Trễ thời gian của kênh cảm biến có giếng chất lỏng so với kênh tham chiếu thay đổi theo khối lượng riêng của chất lỏng từ 1 đến 13 g/cm3
4.4. Cảm biến với chất lỏng có vận tốc dòng chảy khác nhau
Khi chất lỏng di chuyển qua giếng, sự phân tán năng lượng khiến sóng Rayleigh bị suy hao. Vận tốc dòng chất lỏng càng tăng lên, năng lượng sóng truyền qua được càng ít. Điều này được thể hiện trong hình 4-13. Hình 4-14 cho thấy biểu đồ thể hiện sự suy hao của sóng trên bề mặt khối cảm biến phụ thuộc vào vận tốc của dòng chất lỏng chảy trong giếng. Độ suy hao này đồng biến với vận tốc của dòng chất lỏng. Vận tốc dòng chất lỏng càng tăng, độ suy hao càng lớn.
Hình 4-13 Độ dịch chuyển theo trục Z của điểm khảo sát trên cảm biến với các vận tốc dòng chảy khác nhau
Hình 4-14 Độ suy hao trên tấm đế AlN khi thay đổi vận tốc dòng chảy
Trong thời gian tới, các mô hình mô phỏng với tính hiệu quả cao hơn, độ chính xác được cải thiện, giảm nhiễu và sai số giúp việc nghiên cứu và phân tích số liệu trở nên thuận lợi hơn, sẽ góp phần tìm hiểu kỹ lưỡng về cảm biến SAW.
Chương 5. KẾT LUẬN
Luận văn đã trình bày các kết quả tác giả thu được trong quá trình nghiên cứu về thiết kế và hoạt động của hệ thống cảm biến đầu phun mực. Thông qua việc tích hợp cảm biến vào đầu phun mực, các tính chất và thông số của chất lỏng đã được đo đạc. Những thông số hữu ích này giúp tạo ra một hệ thống điều khiển kín của đầu phun mực, từ quá trình tạo ra giọt mực và phản hồi sau khi giọt mực được tạo ra để điều chỉnh lại cho giọt mực tiếp theo. Một vài phương án cảm biến đã được đưa ra, trong đó phương án sử dụng Sóng đàn hồi bề mặt Rayleigh (Rayleigh Surface Acoustic Waves) đã mang lại các kết quả tích cực. Mô hình mô phỏng cảm biến dùng Sóng đàn hồi bề mặt Rayleigh đã được xây dựng để khảo sát hoạt động của cảm biến dùng Sóng đàn hồi bề mặt Rayleigh với chất lỏng. Các kết quả thu được của cảm biến dùng Sóng đàn hồi bề mặt Rayleigh với chất lỏng dưới tác động đầu vào là các kích thích từ dòng điện xoay chiều đã chỉ ra các đặc điểm của dòng chất lỏng nằm giữa hai lối vào – ra của cảm biến. Nghiên cứu này đóng góp ý nghĩa to lớn cho việc thiết kế và sản xuất các cảm biến dùng Sóng đàn hồi bề mặt Rayleigh trong thực tế.
Thu-Hang Bui, Dat Nguyen Tien, Tung Bui Duc, and Trinh Chu Duc,
“3-D Finite Element Modeling of SAW sensing system for liquids”, The 2012 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics July 11-14, 2012, Kaohsiung, Taiwan
Tung Bui Duc, Thu-Hang Bui, Dat Nguyen Tien, and Trinh Chu Duc, “R-SAW Analysis on Single-Crystal AlN Substrate for Liquid Sensors”, The second
International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA2) Hanoi, August 16-17, 2012.
Bui Thu Hang, Bui Duc Tung, Nguyen Tien Dat, Chu Duc Trinh, “Attenuation Coefficient for Surface Acoustic Waves in Fluid Region”, Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol. 34, No. 4 (2012), pp. 1 – 1
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Kondoh, Y. Okiyama, S. Mikuni and Y. Matsui, “Development of SH-SAW sensing system for liquid”, IEEE, 1-4244-0647-1, 2007.
[2] D. S. Ballantine, R. M. White, S. J. Martin, A. J. Ricco and E. T. Zellers, “Acoustic wave sensors”, Academic Press, 1997.
[3] M. I. Rocha-Gaso, C. March-Iborra, A. Montoya-Baides and A. Armau-Vices, “Surface generated acoustic wave biosensors for the detection of pathogens: A review”, Sensors 2009, 9, 5740-5769.
[4] S. Shiokawa, Y. Matsui and T. Moriizumi, “Experimental study on liquid streaming by SAW”, Jpn. J. Appl. Phys.28, Suppl. 28-1, 126-128, 1989.
[5] J. J. Campell and W. R. Jones, “A method for estimating optimal crystal cuts and propagation directions for excitation of piezoelectric substrate waves”, IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-15, No. 4, 1968.
[6] S. Shiokawa, Y. Matsui and T. Ueda, “Liquid streaming and droplet formation caused by leaky Rayleigh waves”, IEEE Ultrasonics Symposium – 643, 1989. [7] N. G. Suraji, “Progation of plate acoustic waves in contact with fluid medium”,
Master dissertation, Faculty of the Graduate School, Marquette University, 2009. [8] Y. Jiashi, “An introduction to the theory of piezoelectricity”, Dept. Engineering
Mechanics, University of Nebraska-Lincoln, USA, eBook ISBN: 0-387-23546-9, http://www.springeronline.com, 2005.
[9] S. Shikawa and J. Kondo, “Surface acoustic wave sensor for liquid-phase application”, IEEE Ultrasonics Symposium–445, 0-7803-5722, 1999.
[10] W. Richard Smith, H. M. Gerard, J. H. Collins and T. M. Reeder, “Analysis of Interdigital surface acoustic wave transducers by use of an equivalent circuit model”, IEEE Tran. on Microwave theory and Techniques, vol. MIT-17, No. 11, 1969.
[11] J. G. Gualtiei, J. A. Kosinski and A. Ballato, “Piezoelectric materials for acoustic wave applications”, IEEE Tran. on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control, vol. 41, No. 1, 1994.
[12] K. K. Wong, “Lithium Niobate”, No. 28, INSPEC, 2002.
[13] G. Bu, D. Ciplys and M. S. Shur, “Leaky surface acoustic waves in single-crystal AlN substrate”, International Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol. 14, No. 3837-846, 2004.
vibration engineers”, John Wiley & Sons Ltd, ISBN-13 978-0470-51188-6, 2008. [19] COMSOL Multiphysics Reference Guide, Ver 3.5a, 2008.
[20] COMSOL Multiphysics Matlab interface Guide, Ver. 3.5a, 2008.
[21] J.-T. Yeh, “A VOF-FEM Coupled Inkjet Simulation,” Proc. ASME FEDSM’01, New Orleans, Louisiana, 2001.
[22] E. Olsson and G. Kreiss, “A Conservative Level Set Method for Two Phase Flow,” J. Comput. Phys., vol. 210, pp. 225–246, 2005.
[23] P. Yue, J. Feng, C. Liu and J. Shen, “A Diffuse-Interface Method for Simulating Two-Phase Flows of Complex Fluids,” J. Fluid Mech., vol. 515, pp. 293–317, 2004.
PHỤ LỤC
Hằng số của vật liệu áp điện Lithium Niobate lớp 3m đối xứng trong mô phỏng:
11 12 13 14 12 22 13 14 13 13 33 14 14 44 44 14 14 11 12 C C C C 0 0 C C C -C 0 0 C C C 0 0 0 C = C -C 0 C 0 0 0 0 0 0 C C 0 0 0 0 C (C - C ) / 2 15 22 22 22 15 31 31 33 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 e e e e e e e e e Trong đó C11 = 20.3×1010 Nm-2, C33 = 24.5 ×1010 Nm-2, C44 = 6.0×1010 Nm-2, C12 = 5.3×1010 Nm-2, C13 = 7.5×1010 Nm-2, C14 = 0.9×1010 Nm-2, e15 = 3.7 Cm-2, e22 = 2.5 Cm-2, e31 = 0.2 Cm-2, e33 = 1.3 Cm-2, ε11 = 44, ε33 = 29, and ρ = 4600 Kgm-3.