X EC (MV/m) Pr(C/m2) 4 1,097 0,
GỐM PZT-PMnN VÀ ỨNG DỤNG
5.1.3. Lắp ráp cụm biến tử ghép
Biến tử do chúng tôi chế tạo là biến tử hình xuyến có độ dày 6,35mm, đường kính ngồi 38mm, đường kính trong 12mm. Vật liệu gốm có thành phần mẫu M7, được chế tạo bằng phương pháp co-lum-bit như quy trình được mơ tả trên hình 3.4. Khối lượng nguyên liệu mỗi biến tử là 56g. Chế độ thiêu kết vật liệu là nung ở nhiệt độ 1150oC trong 3giờ 15 phút. Biến tử có khối lượng riêng đạt 7700kg/m3.
Để lắp ráp được cụm biến tử có dạng như hình 5.1, chúng tơi đã lần lượt giải quyết các vấn đề sau:
- Đặt lực ép sơ bộ tối ưu đối với biến tử mới được chế tạo: Lực ép tối ưu là lực ép mà ở đó tần số cộng hưởng của biến tử tăng đến giá trị ổn định. Đối với PZT, áp suất của lực ép sơ bộ không được lớn hơn 40MPa và ta chọn nó trong khoảng 25 đến 30MPa tương ứng với giá trị lực ép cỡ 2550 - 3000kG xác định qua đồng hồ chỉ thị của máy nén thuỷ lực.
Dùng một tụ điện 10µF, loại tụ khơng phân cực, nối song song với biến tử và đặt lên biến tử một lực ép như yêu cầu, ví dụ 25MPạ Đo điện áp áp điện sinh ra xuất hiện trên 2 đầu tụ, ta sẽ xác định lực ép xiết vít tương ứng (hình 5.3). Sau đó ta xiết vít thật nhanh và dừng lại khi điện áp trên tụ đạt được mức như khi ta ép.
Hình 5.3. Đo điện áp xuất hiện trên biến tử đơn khi chịu lực ép.
Bảng 5.1. trình bày kết quả đo điện áp áp điện phát sinh trên các mẫu biến tử khi được ép dưới áp lực 3000kg/cm2. Kết quả đo cho thấy các biến tử này có tính chất đồng đều để có thể ghép chung trong một biến tử kép.
Bảng 5.1. Điện áp áp điện thuận trên các biến tử (ép 3000kG).
Mẫu Điện áp (mV) Mẫu Điện áp (mV)
BT-1 793 BT-4 800
BT-2 798 BT-5 795
BT-3 795 BT-6 798
Hình 5.4 cho thấy sự thay đổi phổ cộng hưởng áp điện của một phần tử gốm được ép theo từng mức áp lực từ 1000kg/cm2 đến 3000kg/cm2.
NhËn xÐt:
- Khi biến tử được xiết vít ép, bắt đầu từ một giá trị lực ép nào đó thì các phần
tử ghép thêm bắt đầu tham gia vào hệ cộng hưởng và đặc trưng cộng hưởng của hệ này thay đổi theo lực ép có dạng tuân theo quy luật như hình 5.2 : Khi tăng dần lực ép thì tần số cộng hưởng tăng dần còn trở kháng tại tần số cộng hưởng thì giảm dần.
- Biến tử hình xuyến mới được chế tạo sau khi được ép sơ bộ dưới áp lực 3000kg/cm2 có tần số cộng hưởng 35 - 37kHz, giá trị trở kháng Zmin ở tần số cộng
hưởng nằm trong khoảng vài trăm Ơm, hồn toàn tương đương với các biến tử do các hãng sản xuất loại thiết bị nàỵ
- Tỷ lệ giữa trở kháng cộng hưởng và trở kháng phản cộng hưởng (Zmax / Zmin) bây giờ phải được tính đối với biến tử đã được ép sơ bộ, giá trị của nó đã giảm từ vài ngàn đối với vật liệu ở trạng thái tự do xuống chỉ còn khoảng vài chục.
3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 00 . 0 0 . 0 5 0 . 0 k 1 0 0 . 0 k 1 5 0 . 0 k f = 4 6 , 0 Z = 2 4 , 0 1 7 f = 4 9 , 3 Z = 1 5 5 7 2 0 Z ( Ω ) f ( k H z ) B T - 4 (a) 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 0 . 0 5 . 0 k 1 0 . 0 k 1 5 . 0 k 1 T 0 1 T 5 2 T 0 2 T 5 Z ( Ω ) f ( k H z ) 3 T 0 (b)
Hình 5.4. Sự thay đổi đặc trưng cộng hưởng của biến tử:
(a) Trước khi ép, (b) Sau khi ép với các lực ép khác nhaụ
Hai mẫu có đặc trưng cộng hưởng giống nhau đã được chọn để lắp vào máy rửa. Tần số làm việc của mạch kích phát siêu âm được chọn nằm trong vùng tần số cao hơn điểm cộng hưởng của tất cả các biến tử một chút, để trong quá trình làm việc tần số của toàn mạch chỉ có thể dao động trong vùng mà các biến tử có trở kháng tương đối nhỏ; điều này là có lợi về hiệu suất khai thác.
Hình 5.5. Cụm biến tử kép ghép kiểu Langevin.
Sau khi ép và xiết vít theo cách đã trình bày trên, chúng tơi đã lắp được biến tử ghép như hình 5.5. Tần số cộng hưởng của các biến tử dịch chuyển từ 49,3kHz (hình 5.4a) về tần số 37,10kHz (hình 5.6), trở kháng cộng hưởng Zmin = 327Ω.
3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 0 . 0 5 . 0 k 1 0 . 0 k 1 5 . 0 k g h e p 2 b t u 3 7 . 1 k H z , 3 2 7 . 3 3Ω B T - 6 B T - 4 f ( k H z ) Z ( Ω )
Hình 5.6. Đặc trưng cộng hưởng của biến tử kép..
Sau khi gắn biến tử (hình 5.5) vào đáy khay, đổ vào khay 3 lít nước, chúng tơi tiến hành đo lại tần số cộng hưởng của tồn bộ biến tử có tải thực. Do khay chứa và nước trong khay làm tăng trọng lượng của toàn khối, tần số cộng hưởng nối tiếp fs đo được bây giờ là 33,1kHz, trở kháng cộng hưởng Zmin ≈ 400Ω. Tần số làm việc của máy phát siêu âm sẽ được chọn trên tần số cộng hưởng một vài trăm Hz, vì khi có vật thể rửa trong nước thì tần số dao động của hệ sẽ còn bị thay đổị