2.6. HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN VÀ TỪ GIẢO TRÊN CÁC TINH THỂ
2.6.2. Các loại biến tử áp điện (Transducer)
Các biến tử áp điện có thể phân loại theo hai nhóm. Sự phân loại dựa vào loại vật liệu áp điện được dùng trong khi chế tạo biến tử. Nếu biến tử được chế tạo từ vật liệu đơn tinh thể trong đó hiện tượng áp điện xảy ra một cách tự nhiên thì chúng được xếp vào loại biến tử tinh thể áp điện. Ngược lại nếu biến tử được chế tạo từ vật liệu đa tinh thể trong đó hiện tượng áp điện được tạo ra nhờ quá trình phân cực bên ngoài thì được xếp vào loại biến tử gốm phân cực.
2.6.2.1.Biến tử tinh thể áp điện :
Một vài loại vật liệu đơn tinh thể trong đú hiện tượng ỏp điện xuất hiện mo ọt cỏch tự nhiên là thạch anh, tourmaline, sunfat lithi, sunfit cadmi, và oxit kẽm. Trong số đó thạch anh và sunfat lithi được dùng phổ biến để chế tạo biến tử siêu âm.
(a) Thạch anh :
Các tinh thể thạch anh tự nhiên hay nuôi nhân tạo có một dạng định hình được biểu diễn bởi các trục tinh thể bao gồm một trục X, Y và Z.
Hiện tượng áp điện trong thạch anh chỉ có thể đạt được khi một tấm mỏng vuông góc với trục X hoặc Y được cắt ra từ tinh thể thạch anh. Các tấm này được gọi là các tấm cắt X và cắt Y của tinh thể thạch anh hay còn gọi là biến tử. Thạch anh cắt X được dùng để phát và thu sóng dọc (hình 2.20) còn các tấm cắt Y được dùng để phát và thu sóng ngang (hình 2.20). Sóng ngang và sóng mặt có thể được tạo ra từ tấm cắt X bằng cách sử dụng hiện tượng chuyển đổi dạng sóng của sóng siêu âm dọc tới xiên góc xuất hiện ở mặt phân cách giữa hai môi trường có âm trở khác nhau. Khi áp một điện thế xoay chiều vào các điện cực, thì biến tử áp điện dao động tại một tần số được đặt vào với một biên độ
ẹieọn theá ẹieọn
theá
Sự giãn nỡ Sự co lại
CHệễNG 2 83 bằng khoảng 10 lần bề dày của nó. Tuy nhiên, nếu biến tử bị kích thích ở tần số cộn g hưởng thì biên độ của nó sẽ tăng lên đáng kể khoảng 10 lần bề dày tại tần số cơ bản.
Hình 2.19 – Hệ thống trục toạ độ trong tinh thể thạch anh (đơn giản hoá) và các vị trí của các lát cắt X và Y.
Một vài ưu điểm và hạn chế khi dùng thạch anh làm biến tử siêu âm đưa ra dưới đây : ệu ủieồm :
(i) Có độ bền cao khi sử dụng.
(ii) Không tan trong nước.
(iii) Có độ ổn định cơ và điện cao.
(iv) Có thể làm việc ở nhiệt độ cao.
Hạn chế :
(i) Tương đối đắt tiền.
(ii) Là bộ phát năng lượng siêu âm hiệu suất thấp nhất.
(iii) Nó chịu hiện tượng chuyển đổi dạng sóng : Khi một tấm cắt X được dùng thì ngoài việc phát ra sóng dọc nó còn phát ra sóng ngang. Sóng ngang được phát ra vì một tấm tinh thể cắt X khi bị nén thì cũng dài ra theo phương Y. Sự tạo ra sóng ngang gây ra những tín hiệu giả ở phía sau tín hiệu chính.
(iv) Nó cần điện áp cao khi làm việc.
Trục vốn có của Thạch anh
Mặt cắt X của thạch anh cho sóng dọc
Mặt cắt Y của thạch anh cho sóng ngang
Sơ đồâ
Hiệu ứng áp điện thuận
Hiệu ứng áp điện ngược
Nguyeân nhaân Tinh theồ bũ
Nén lại Tinh theồ bũ
giãn nở ẹieọn theỏ dửụng Trên các bềmặt
ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt
Kết quả ẹieọn theỏ dửụng trên các bề mặt ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt
Sự giãn nở của tinh theồ Sự nén lại của
tinh theồ
Hình 2.20 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với lát cắt X)
Hình 2.21 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với tấm cắt Y) (b) Sulphate lithium :
Sunfat lithi là một loại tinh thể áp điện khác cũng thường được dùng để chế tạo biến tử siêu âm. Một vài ưu điểm và hạn chế của sunfat lithi như sau :
ệu ủieồm :
(i) Là phần tử thu năng lượng siêu âm có hiệu suất cao nhất.
(ii) Có thể dễ được giảm chấn do âm trở của nó nhỏ.
(iii) Không bị lão hoá.
(iv) Ít chịu ảnh hưởng của hiện tượng chuyển đổi dạng sóng.
Hạn chế :
(i) Rất dòn, dễ vỡ
(ii) Bị hoà tan trong nước.
(iii) Bị giới hạn ở những nhiệt độ làm việc dưới 750C.
2.6.2.2. Biến tử gốm phân cực :
Các biến tử gốm phân cực gần đây đã hoàn toàn thay thế thạch anh và đang thay thế các biến tử đơn tinh thể nuôi nhân tạo. Vật liệu làm biến tử gốm phân cực có bản chất sắt từ.
Các vật liệu sắt từ có nhiều “domain” mà mỗi domain chứa một số lớn các p hân tử và có một điện tích. Nếu không có gradient điện thế tồn tại trong vật liệu thì các domain này
Hiệu ứng áp điện thuận
Hiệu ứng áp điện ngược
Nguyeân nhaân Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể
từ bên trái
Sơ đồ
Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể
từ bên phải ẹieọn theỏ dửụng Trên các bềmặt
ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt
Kết quả ẹieọn theỏ dửụng Trên các bềmặt
ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt
Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể
từ bên phải Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể
từ bên trái
CHệễNG 2 85 định hướng một cách tùy tiện (hình 2.22). Nếu có điện áp tác dụng, các domain có xu hướng định hướng theo phương của trường. Do domain có hình dạng dài hơn theo phương của trường so với bề dày của nó nên toàn bộ vật liệu giãn nở ra. Nếu trường đổi hướng thì domain cũng đổi hướng và vật liệu lại giãn nở. Điều này ngược so với trường hợp củ a vật liệu tinh thể áp điện co lại nếu trường hướng theo một chiều và nở ra khi trường đổi chiều ngược lại.
Dạng biểu hiện của sắt từ (tức là nở ra đối với cả hai trường hợp trường dương và trường âm) có thể dể dàng chuyển thành dạng áp điện bằng cách nung nóng vật liệu sắt từ đến nhiệt độ Curie của nó (nhiệt độ mà trên nó chất sắt từ sẽ mất hết đặc tính sắt từ của mình) và sau đó làm nguội trong điện trường phân cực khoảng 1000V cho 1mm bề dày.
Bằng cách đó các domain sắt từ được làm đông đặc một cách hữu hiệu theo phương của trường phân cực và vật liệu đã được phân cực có thể xem như là áp điện.
Các biến tử gốm phân cực, như chỉ rõ từ tên gọi của chúng, được chế tạo dưới dạng đĩa gốm.v.v…Chúng được tạo ra từ dạng bột trộn lẫn vào nhau và sau đó được nung nóng thành rắn. Những đặc tính riêng biệt cần thiết cho một biến tử trong những ứng dụng cụ thể được điều khiển bằng cách thêm vào các hợp chất hoá học khác nhau theo những tỷ lệ nào đó. Vì rằng, trước khi phân cực, các biến tử gốm này là đẳng hướng, chúng không cần cắt theo một trục riêng biệt nào đó. Vì vậy nó có thể được tạo ở bất kỳ hình dạng phù hợp thí dụ như là các biến tử bề mặt lõm có khả năng hội tụ chùm tia siêu âm có thể được chế tạo dể dàng.
Không áp điện
Được áp điện
Hình 2.22 – Những domain trong những vật liệu sắt từ.
Một vài ưu điểm và hạn chế của biến tử gốm là : ệu ủieồm :
(i) Chúng là các nguồn phát năng lượng siêu âm có hiệu quả.
(ii) Làm việc ở các điện áp thấp.
(iii) Một số loại có thể làm việc ở nhiệt độ cao, thí dụ như metaniobat chì có điểm Curie 5500C.
Hạn chế :
(i) Đặc tính áp điện có thể giảm theo tuổi thọ (già hoá).
(ii) Chúng có độ bền thấp khi sử dụng.
(iii) Chịu ảnh hưởng nhiều của hiện tượng chuyển đổi dạng sóng.
2.6.2.3. So sánh các biến tử áp điện :
Các biến tử áp điện được so sánh từ các số liệu cho ở bảng 2.2
Môđun áp điện “d” là một thước đo (tiêu chuẩn) về chất lượng của một biến tử áp điện làm nhiệm vụ phát sóng siêu âm. Giá trị lớn của “d” phản ảnh một biến tử phát có hiệu quả hơn. Bảng 2.2 chỉ rõ rằng titanate zirconate chì có đặc tính phát tốt nhất.
Hằng số biến dạng áp điện “H” là một thước đo khả năng của một biến tử làm nhiệm vụ thu siêu âm. Các giá trị H lớn cho khả năng thu sóng siêu âm lớn. Từ bảng 2.2 ta thấy rõ ràng sulphate lithium là vật liệu thu năng lượng siêu âm tốt nhất.
Thừa số liên kết điện cơ “K” chỉ ra hiệu suất của một biến tử biến đổi năng lượng điện thành dao động cơ học và ngược lại. Giá trị lớn của K có nghĩa là hiệu suất làm việc của biến tử vừa phát và thu tốt hơn. Các giá trị của metaniobate chì, titanate zirconat chì và titanate barium ở cùng cấp. Giá trị này là quan trọng cho chế độ công tác phản hồi xung (Pulse echo) khi biến tử phải làm việc vừa phát vừa thu.
Khả năng phân giải thoả mãn yêu cầu đòi hỏi rằng hệ số liên kết đối với dao động xuyên tâm Kp càng nhỏ càng tốt. Kp là một thước đo của sự xuất hiện những dao động xuyên tâm làm nhiễu loạn tín hiệu. Các dao động xuyên tâm này xuất hiện là do sự chuyển đổi dạng sóng nhiễu loạn của biến tử. Từ quan điểm này sulphate lithium và metaniobate chì là những vật liệu làm biến tử tốt nhất.
Do trong kiểm tra bằng phương pháp tiếp xúc cũng như phương pháp nhúng đòi hỏi một chất lỏng liên kết có âm trở z nhỏ nên vật liệu biến tử cần phải có âm trở cùng cấp để có thể truyền một năng lượng siêu âm tốt hơn vào vật kiểm tra. Trên phương diện này những sự lựa chọn tốt nhất là sulphate lithium hoặc metaniobate chì hoặc thạch anh vì chúng đều có âm trở thấp.
CHệễNG 2 87 Bảng 2.2 – Một vài đặc trưng của các biến tử áp điện phổ biến.
Titanate Zirconate chì
Titanate Barium
Metaniobate chì
Sulphate lithium
Thạch anh
Niobate lithium Vận tốc âm c
(m/s)
4000 5100 3300 5460 5740 7320
Âm trở z 106 (Kg/s)
30 27 20,5 11,2 15,2 34
Heọ soỏ lieõn keỏt ủieọn cụ K
0,6 – 0,7 0,45 0,4 0,38 0,1 0,2
Môđun áp ủieọn d
150 – 591 125 – 190 85 15 2,3 6
Haèng soá bieán dạng áp điện H
1,8 – 4.6 1,1 – 1.6 1,9 8,2 4,9 6,7
Heọ soỏ lieõn kết dao động xuyeân taâm Kp
0,5 – 0,6 0,8 0,07 0 0,1