Thiết kế, mô ph ỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh

Thiết kế, mô ph ỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh Hoàng Cường Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS, TS Chử Đức Trình Năm bảo vệ: 2012

Thiết kế, mô phỏng cấu trúc đầu phun mực thông

minh Hoàng Cường

Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS, TS Chử Đức Trình

Năm bảo vệ: 2012

Abstract Khái niệm vật lý cơ bản: đưa ra những khái niệm cơ bản áp dụng trong bài toán mô

phỏng hệ cảm biến giọt chất lỏng trong ống Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng trong ống phun: Trình bày ý tưởng về bài toán điều khiển giọt chất lỏng trong ống phun Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics: Xây dựng mô hình mô phỏng và quá trình thực hiện

Keywords: Cơ học chất lỏng; Đầu phun mực; Áp điện; Sóng âm; Máy in phun

Công nghệ này cho phép ngành công nghệ vi chế tạo có thể sản xuất ra các thiết bị với kích thước nhỏ hơn, và có ứng dụng lớn trong các ngành khác như công nghệ điều khiển, chế tạo robot, và hơn cả là các ứng dụng trong công nghệ sinh học

Hiện nay, trên thế giới vẫn đang phát triển ngành công nghiệp này Một hướng nghiên cứu tiêu điểm là xác định và điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng phun qua một ống phun, với các ứng dụng trong ngành chế tạo máy in phun và công nghệ sinh học Xuất phát từ nhu cầu đó, luận văn hướng đến việc thiết kế

mô hình cảm biến giọt chất lỏng trong ống phun, và mô phỏng toàn quá trình cảm biến của mô hình trên máy tính

Nội dung của đề tài gồm 4 chương:

Chương 1 Khái niệm vật lý cơ bản: đưa ra những khái niệm cơ bản áp dụng trong bài toán mô phỏng

hệ cảm biến giọt chất lỏng trong ống

Chương 2 Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng trong ống phun: Trình bày ý tưởng về bài toán điều khiển giọt chất lỏng trong ống phun

Chương 3 Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics: Xây dựng mô hình mô phỏng và quá trình thực hiện

Trong một môi trường vật chất, sóng truyền theo các phương với cùng một tốc độ v

Khi sóng truyền đi, chỉ có pha dao động (trạng thái dao động) truyền đi, còn phần tử vật chất của môi trường thì dao động tại chỗ

Sóng dọc truyền được trong cả chất khí, chất lỏng và chất rắn

Sóng ngang truyền được trong chất rắn vàtrên bề mặt chất lỏng

Sóng cơ không truyền được trong chân không

- Các đặc trưng của một sóng hình sin:

Chu kì T: là chu kỳ dao động của một phần tử của môi trường khi có sóng truyền qua Đơn vị chu kì là giây (s)

Tần số (f): là đại lượng nghịch đảo của chu kì

T

f  1 Đơn vị tần số là Hertz (Hz)

Tốc độ truyền sóng v: là tốc độ lan truyền dao động

Bước sóng:

Bước sóng là quãng đường sóng truyền trong thời gian một chu kì Đơn vị bước sóng là đơn vị

độ dài (m)

Công thức liên hệ giữa chu kì (T), tần số (f), tốc độ (v) và bước sóng () là:

vv.Tf

Quá trình truyền sóng là một quá trình truyền năng lượng

- Phương trình sóng của một sóng hình sin theo trục OX:

Phương trình dao độngcủa nguồnO: Uo = Acost

Phương trình dao độngcủa điểm M cách nguồn O một khoáng x:

t

Hình 0-1:Sơ đồ dao động tại điểm M thuộc phương x

(Trong đó t là thời gian sóng truyền từ tâm sóng O tới điểm khảo sát M)

Phương trình sóng là một hàm vừa tuần hoàn theo thời gian vừa tuần hoàn theo không gian Dao động của một phần tử sóng tại một điểm là một dao động điều hòa theo thời gian với chu kỳ

Độ lệch pha của hai dao động tại hai điểm trên cùng một phương truyền sóng:

Độ lệch pha tại hai điểmM,N cách O lần lượt là d1,d2 là: =  

- Sóng âm là các sóng cơ truyền trong các môi trường đàn hồi

- Phân loại sóng âm:

Âm nghe được (âm thanh) có tần số trong khoảng từ 16 Hz đến 20.000 Hz

Âm có tần số dưới 16Hz gọi là hạ âm

Âm có tần số trên 20000Hz gọi là siêu âm

- Sự truyền âm:

Tốc độ truyền âm phụ thuộc tính chất của môi trường: mật độ môi trường, tính đàn hồi, nhiệt độ của môi trường

Tốc độ truyền âm trong các môi trường:vkhí<vlỏng<vrắn

Âm truyền đi rất kém trong các chất như: bông, nhung, xốp, thủy tinh

Trong chất rắn, sóng âm là sóng ngang và sóng dọc Trong chất khí và chất lỏng sóng âm chỉ là sóng dọc

- Các đặc trưng vật lí của âm: (Tần số âm, Cường độ âm và mức cường độ âm, Đồ thị dao động của âm)

o Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất của âm

o Cường độ âm và mức cường độ âm:

Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tảiqua một đơn

vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông, kí hiệu W/m2

o Mức cường độ âm:

L(B) = log(I/I0) Trong đó I0 là cường độ âm chuẩn (âm có tần số 1000Hz, cường độ I0 = 10  12 W/m2);

Đơn vị của mức cường độ âm là Ben, kí hiệu B

hoặc đơn vị đêxiben (dB)1 dB = (1/10)B L(dB) = 10 log(I/I0)

o Đồ thị dao động của âm

Khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f0 (gọi là âm cơ bản) thì bao giờ nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra các âm có tần số 2f0, 3f0 (gọi là hoạ âm thứ 2,3 ) Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm gọi là đồ thị dao động của âm

o Các đặc trưng sinh lí của âm(Độ cao, Độ to, Âm sắc)

Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với tần số âm

Độ to của âm là đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với đặc trưng vật lí mức cường độ âm

Âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra

Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm

1.1.3Hiện tượng giao thoa

- Hiện tượng giao thoa là hiện tượng hai hay nhiều sóng kết hợp khi gặp nhau thì có những điểm chúng tăng cường hoặc triệt tiêu (giảm bớt) lẫn nhau

- Điều kiện xảy ra hiện tượng giao thoa là:

Hai sóng phải là hai sóng kết hợp

Hai sóng kết hợp là hai sóng được gây ra bởi hai nguồn có cùng tần số, cùng pha hoặc độ lệch pha không đổi

- Phương trình sóng tổng hợp tại một điểm M trong vùng có giao thoa:

Phương trình dao động của hai nguồn:

u S1 u S2  Acost

Phương trình sóng tổng hợp tại điểm M:

Hình 0-2: Phương trình sóng tổng hợp tại điểm M

- Vị trí cực đại và cực tiểu của giao thoa (trong trường hợp hai nguồn sóng kết hợp đồng pha)

Những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng từ 2 nguồn tới nó bằng một số nguyên lần bước sóng là cực đại của giaothoa:

o Đặc điểm:

Khoảng cách giữa hai bụng sóng (hoặc hai nút) liền kề là λ/2

Khoảng cách giữa một bụng sóng và một nút sóng liền kề là λ/4

o Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có hai đầu A, B cố định là:

Chiều dài của sợi dây l =AB phải bằng một số nguyên lần nửa bước sóng:

Ở hình 1-3, mô tả cách tạo ra sóng bề mặt, sử dụng những tấm kim loại đặt trên bề mặt vật liệu

áp điện Khi có dòng điện, vật liệu áp điện sinh ra những dao động trên bề mặt, những sóng đó gọi là sóng R-SAW (Raleigh Surface Acoustics Wave)

Hình 0-3: Mô hình hệ tạo sóng âm bề mặt

Việc truyền sóng trong chất rắn và lỏng có thể tính toán theo công thức của Campell và Jonh Theo đó:

(1)

Trong đó là độ dịch chuyển các hạt, là thế năng của chất lỏng, k = là số sóng, v là vận tốc sóng, là hằng số suy giảm theo phương vuông góc bề mặt vật áp điện, là hệ số quan hệ, là tỉ trọng chất lỏng, là hệ số đàn hồi của chất lỏng

Theo công thức (1) thì sóng bề mặt phụ thuộc mật độ chất lỏng, và theo đó thì biên độ và pha của sự giao động các hạt sẽ thay đổi đối với các vật liệu khác nhau

1.3 Hiện tượng Áp điện và ứng dụng

1.3.1 Hiện tượng Áp điện

Hiện tượng áp điện là hiện tượng xảy ra với vật liệu khi đặt vào một điện trường thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại, khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó sinh ra dòng điện

Người ta phân biệt hiệu ứng áp điện dưới 2 dạng như sau:

Hiệu ứng thuận: Nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói một cách khác là khi nén hoặc kéo dãn một số tinh thể gốm theo những phương đặc biệt trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu và do đó có một hiệu điện thếgiữa hai bề mặt

Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộc vào chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ dãn ra hay nén lại Và nếu như ta đặt lên tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và dãn liên tục vào môi trường bao quanh tức là tạo ra sóng âm

1.3.2Ứng dụng của hiện tượng áp điện

Hiện tượng này được đề cập đầu tiên vào năm 1817 và được nghiên cứu từ những năm 1880 Cho đến ngày nay, hiệu ứng này được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, phục vụ đời sống như: bật lửa, máy đo, máy siêu âm, động cơ kích thước nhỏ, … Thậm chí còn được ứng dụng trong các kỹ thuật hàng không, vũ trụ cũng như những ứng dụng đơn giản khác

1.4 Kết luận chương

Trong luận văn này, tác giả mô phỏng lại hiệu ứng áp điện trên nền vật liệu áp điện, từ đó khảo sát những tác động của nó lên hệ thống vòi phun mực và ứng dụng của vật liệu áp điện với vòi phun mực thông minh

BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN KÍCH CỠ GIỌT CHẤT LỎNG 2.1 Nguyên lý hoạt động máy in phun dùng tinh thể áp điện

2.1.1 Máy in phun

Trong luận văn này, tác giả mô phỏng lại hiệu ứng áp điện trên nền vật liệu áp điện, từ đó khảo sát những tác động của nó lên hệ thống vòi phun mực và ứng dụng của vật liệu áp điện với vòi phun mực thông minh

Máy in phun hoạt động theo theo nguyên lý phun mực vào giấy in Mực in được phun qua một

lỗ nhỏ theo từng giọt với một tốc độ lớn (khoảng 5000 lần/giây) tạo ra các điểm mực đủ nhỏ để thể hiện bản in sắc nét

Đa số các máy in phun thường là các máy in màu Để in ra màu sắc cần tối thiểu 3 loại mực Các màu sắc được thể hiện bằng cách pha trộn ba màu cơ bản với nhau

Trước đây các hộp mực màu của máy in phun thường được thiết kế cùng khối, tuy nhiên nếu in nhiều bản in thiên về một màu nào đó sẽ dẫn đến hiện tượng có một màu hết trước, để tiếp tục in cần thay hộp mực mới nên gây lãng phí đối với các màu còn lại chưa hết Ngày nay các hộp màu được tách riêng biệt và tăng số lượng các loại màu để phối trộn (nhiều hơn 3 màu - không kể đến hộp màu đen) sẽ cho bản in đẹp hơn, giảm chi phí hơn trước

So sánh trong các thể loại máy in thì máy in phun thường có chi phí trên mỗi bản in lớn nhất Các máy in phun thường có giá thành thấp (thấp hơn máy in lasez) nhưng các hộp mực cho máy in phun lại có giá cao, số lượng bản in trên bộ hộp mực thấp

2.1.2 Nguyên lý hoạt động vòi phun mực dùng tinh thể áp điện

Hình 0-1: Mô hình đầu phun mực dùng tinh thể áp điện

Trong hình vẽ trên là một dạng của vòi phun sử dụng tinh thể áp điện, khi thanh áp điện biến dạng, nó tác động lên mực một lực đẩy, cung cấp cho mực năng lượng có thể thắng năng lượng sức căng bề mặt và tạo thành giọt Về lý thuyết, bộ phận áp điện có thểtrực tiếp điều khiển chất lỏng mực Tuy nhiên, trong thực tế, để ngăn ngừa tương tác không mong muốn giữa mực in và vật liệu áp điện, người ta ngăn cách chúng bởi màng mỏng đàn hồi Nguyên lý này được sử dụng trong các thiết bị của Dataproducts, Trident và Epson

Trong ví dụ trên, điện trường được sản sinh ra giữa các điện cực song song với phân cực hóa của vật liệu áp điện Ngoài ra, có thể sử dụng tinh thể áp điện ở các chế độ điện trường vuông góc với

sự phân cực của tinh thể áp điện Tuy vậy chúng có chung nguyên lý là sự hình thành giọt mực dựa trên sự biến dạng của tinh thể áp điện phát động dưới tác dụng của điện áp đặt vào, dẫn tới thay đổi thể tích, làm mực dao động giải phóng ra hạt mực nếu dao động lớn hơn lực liên kết cố hữu trong nó

2.2Bài toán kiểm soát kích thước giọt mực

2.2.1 Nhu cầu kiểm soát kích thước giọt mực

Có nhiều kỹ thuật in phun khác nhau, một trong số đó là cách phun mực mà theo đó từng giọt mực riêng được tích điện bởi một điện cực trước khi chia nhỏ từ dòng mực Những giọt mực được tích điện bị làm lệch hướng sau khi đi qua điện trường, sau đó rơi vào máng chặn và được thu hồi lại Những hạt không bị tích điện rơi ra và bám vào giấy Chất lượng in phụ thuộc vào chất lượng và tính liên tục của dòng mực phun ra Kích cỡ giọt mực đóng vai trò quan trọng đối với độ nét và chất lượng của bản in

Bên cạnh việc ứng dụng trong máy in phun, việc kiểm soát kích cỡ giọt mực vô cùng quan trọng trong một số ngành khác, đặc biệt là ngành công nghệ sinh học Ngày nay, công nghệ chế tạo có thể sản xuất ra những thiết bị siêu nhỏ để có thể mang thuốc đến từng tế bào trong cơ thể con người, chính vì vậy, cần có những thiết bị có thể hoạt động chính xác trong việc kiểm soát lượng thuốc sử dụng Với ưu điểm nhỏ gọn, hoạt động được với tần số cao, thiết bị đầu phun sử dụng tinh thể áp điện

là ứng cử tốt nhất trong lĩnh vực này

2.2.2 Các phương pháp thực hiện

Để giải quyết bài toán tính toán thể tích giọt mực, có 2 phương án thường sử dụng: Tính toán

lý thuyết và Mô phỏng số Ở đây chỉ nói đến đầu phun mực sử dụng tinh thể áp điện làm bộ chấp hành

Dữ liệu đầu vào là các tính chất vật lý của hệ thống phun, các thuộc tính của chất liệu áp điện

và chất lỏng, điện thế đặt vào tinh thể áp điện

Với việc tính toán lý thuyết, người thực hiện cần căn cứ vào các giá trị lý thuyết để tính ra kích thước giọt mực được đẩy ra khỏi vòi phun Việc này trên thực tế rất khó khăn, và mất rất nhiều thời gian, chưa kể độ chính xác của các tính toán

Với cách thức mô phỏng số, kết quả của mô phỏng sẽ mang lại một cái nhìn trực quan hơn, từ

đó giúp việc phán đoán các hướng đi cho bài toán được thuận lợi hơn, cũng như hỗ trợ cho việc tính toán lý thuyết tìm ra các giải bài toán

2.2.3 Lựa chọn phương pháp

Các hiện tượng vật lí nói chung thường được miêu tả bằng các phương trình toán học, thông thường đó là các phương trình vi phân từng phần Giải pháp giải tích cho phương trình vi phân từng phần đòi hỏihàm diễn tả theo biến phụ thuộc liên tục trong một miền nào đó Tuy nhiên ở đây ta gặp một khó khăn thực sự khi xây dựng phương trình vi phân cho chất lỏng ở hai môi trường khác nhau, môi trường chất lỏng và môi trường khí Chất lỏng trong môi trường chất lỏng được diễn tả theo phương trình dòng chảy chấtlỏng không bị nén Navier-stokes Trong khi đó chất lỏng trong môi trường khítuân theo phương trình khuếch tán Cahn – Hilliard Ngoài ra nó phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng bên môi trường lỏng, tính chất chấtlỏng bên môi trường khí và tương tác chất lỏng cấu trúc rắn, cấu trúc rắn với môi trường khí Đó là một bài toán cực kỳ phức tạp Trong đề tài này tác giả tiếp cận bài toán theo phương pháp xấp xỉ, theo đó xây dựng một mô hình nguyên lí từ đó tìm hiểu tác động của một số tham số chính, dự đoán chiều hướng ảnh hưởng của những tham số đó, từ đó tìm ra một giải pháp gần tối ưu để thiết kế nên hệ thống chúng ta cần

Sau khi xây dựng được mô hình toán, công đoạn tiếp theo sử dụng công cụ mô phỏng để giải

hệ phương trình vi phân.Chúngta có thể chọn một số chương trình như Matlab, Ansys, hay Comsol… Trong đề tài này ta chọn Comsol vì tính trực quan của phần mềm, và Mathlab để xử lý các kết quả thu được từ mô phỏng

2.3 Kết luận chương

Trong chương này, tác giả đưa ra các lựa chọn để giải bài toán tính thể tích khối chất lỏng phun

ra từ đầu phun mực Từ những khó khăn, thuận lợi của các phương pháp cũng như thời gian thực hiện,

tác giả chọn phương pháp mô phỏng số với công cụ Comsol Multiphysics để mô phỏng và trực quan hóa hiện tượng vật lý của vòi phun mực Từ đó có thể đưa ra hướng đi đúng đắn cho bài toán này

Trong chương tiếp theo, tác giả trình bày chi tiết việc mô phỏng với Comsol và những kết quả

đã đạt được tới thời điểm hiện tại

MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VỚI COMSOL MULTIPHYSICS 3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

3.1.1 Mô hình giả định

Để thực hiện mô phỏng, mô hình đầu phun mực có gắn cảm biến SAW được thể hiện trên hình 3-1 Khi bộ chấp hành được kích hoạt, mực được bơm ra, khi đó mặt thoáng giữa chất lỏng và không khí trên đầu phun mực thay đổi Chất lỏng trong đầu phun mực thay đổi dẫn đến tín hiệu nhận được trên IDT (interdigital transducer) đầu ra của cảm biến thay đổi Thông qua việc giám sát thay đổi về biên độ, tần số và pha của tín hiệu trên IDT đầu ra so với IDT tham chiếu, các thông số về giọt mực lối

ra như thể tích, vận tốc và hình dạng hoàn toàn có thể ước đoán

Cấu tạo của cảm biến SAW bao gồm hai IDT, một đóng vai trò phát và cái còn lại là bộ thu, được đặt trên một cấu trúc vật liệu áp điện khối (bulk piezoelectric) Khi đặt vào IDT phát một tín hiệu dao động điều hòa, sóng SAW sẽ được tạo ra và truyền trên bề mặt cấu trúc đến IDT thu Các thay đổi

về cấu trúc, tính chất của hệ thống trên đường truyền sóng gây ra do dòng chất lỏng sẽ được biến điệu

và thu được trên IDT thu

(a)