Thiết kế và thi công bồn rửa dùng sóng siêu âm

Các số liệu ban đầu: Bồn rửa siêu âm có dung tích 2 lít, sử dụng biến tử phát sóng siêu âm với tần số 40Khz, công suất 60W.. Đề tài gồm: Thiết kế, thi công mạch công suất tạo ra điện áp

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỒN RỬA

DÙNG SÓNG SIÊU ÂM

GVHD: HÀ A THỒI SVTH: NGUYỄN PHÚ CƯỜNG MSSV:16341004

SVTH: NGUYỄN LỘC DƯƠNG MSSV:16341007

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2018

SKL 0 0 6 5 1 0

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỒN RỬA

DÙNG SÓNG SIÊU ÂM

GVHD: KS Hà A Thồi SVTH: Nguyễn Phú Cường

16341004 Nguyễn Lộc Dương

16341007

Hệ đào tạo: Đại học chính quy (CT) Mã hệ: 1

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỒN RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Bồn rửa siêu âm có dung tích 2 lít, sử dụng biến tử phát sóng siêu âm với tần số 40Khz, công suất 60W

2 Nội dung thực hiện:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên tắc tạo sóng siêu âm, khảo sát các máy rửa

thực tế hiện có trên thị trường

- Tìm hiểu các loại cảm biến tử siêu âm, mạch công suất và mạch tạo xung, mạch nguồn, bồn rửa

- Thiết kế mạch tạo xung, mạch công suất, mạch nguồn, mạch điều khiển

- Thi công mạch (điều khiển, mạch nguồn, công suất), thi công phần khung cho

bồn rửa

- Lắp ráp, vận hành hệ thống và kiểm tra các thông số

- Chạy thử, sửa lỗi phần cứng và phần mềm

- Cân chỉnh hệ thống

- Viết báo cáo

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp

iv

TP HỒ CHÍ MINH VIỆT NAM

Khoa Điện - Điện Tử ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỒN RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM

2 Tìm kiếm các kiến thức, thông tin để làm đề tài Viết

đề cương cho đề tài

3

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên tắc tạo sóng siêu

âm, khảo sát các máy rửa thực tế hiện có trên thị trường

Tìm hiểu các loại cảm biến tử siêu âm, mạch công suất và mạch tạo xung, mạch nguồn, bồn rửa

4-7

Tính toán, lựa chọn linh kiện, vật liệu, mô phỏng và thiết kế mạch tạo xung, mạch công suất, mạch nguồn, mạch điều khiển

v

thi công phần khung cho bồn rửa

12 Lắp ráp, vận hành hệ thống và kiểm tra các thông số

13 Chạy thử, sửa lỗi phần cứng và phần mềm

14-15 Hoàn thiện hệ thống, viết báo cáo

16 Nộp báo cáo, gặp giáo viên phản biện

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

vi

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao

chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài Nguyễn Lộc Dương Nguyễn Phú Cường

vii

Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Hà A Thồi - Giảng viên bộ môn Điện tử công nghiệp – y sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài

Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 163410A đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài

Cảm ơn đến cha mẹ đã luôn động viên chúng con cố gắng

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài Nguyễn Lộc Dương Nguyễn Phú Cường

viii

TRANG BÌA i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

MỤC LỤC viii

LIỆT KÊ HÌNH VẼ xi

LIỆT KÊ BẢNG xiii

TÓM TẮT xiv

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

1.4 Giới hạn 2

1.5 Bố cục 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan lý thuyết sóng siêu âm 4

2.1.1 Bản chất và đặc điểm sóng siêu âm 4

2.1.2 Các thông số đặc trưng sóng siêu âm 5

2.1.3 Sự bức xạ, sự phản xạ, sự hấp thụ sóng siêu âm 7

2.2 Biến tử siêu âm 8

2.2.1 Vai trò và phân loại biến tử siêu âm 8

2.2.2 Biến tử áp điện 8

2.3 Giới thiệu phần cứng 10

2.3.1 Module 1 relay 10

2.3.2 Module 1 relay SSR 10

ix

2.3.4 Màn hình cảm ứng Arduino TFT Shield 2.4 inch 13

2.3.5 Biến áp xung 14

2.3.6 Mạch dao động 15

2.3.7 Cảm biến siêu âm bằng gốm áp điện (PZT) 18

2.4 Mô hình và cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm 19

2.4.1 Mô hình 19

2.4.2 Cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm 20

2.5 Khảo sát một số bồn rửa siêu âm hiện có trên thị trường 25

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 26

3.1 Giới thiệu 26

3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 26

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 26

3.2.2 Chức năng từng khối 26

3.2.3 Tính toán và thiết kế mạch 27

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 35

4.1 Giới thiệu 35

4.2 Thi công hệ thống 35

4.2.1 Thi công board mạch 35

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 37

4.3 Thi công mô hình 39

4.4 Lập trình hệ thống 40

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 40

4.4.2 Phần mềm lập trình 43

4.5 Hướng dẫn sử dụng, thao tác 47

x

4.5.2 Quy trình thao tác 48

Chương 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 49

5.1 Kết quả 49

5.2 Nhận xét và đánh giá 49

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52

6.1 Kết luận 52

6.2 Hướng phát triển 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

xi

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2.1: Hiệu ứng áp điện thuận 9

Hình 2.2: Hiệu ứng áp điện nghịch 9

Hình 2.3: Cấu tạo biến tử áp điện 10

Hình 2.4: Module 1 relay 10

Hình 2.5: Module 1 Relay SSR 11

Hình 2.6: Arduino Mega 2560 12

Hình 2.7: Màn hình cảm ứng Arduino TFT Shield 2.4 inch 14

Hình 2.8: Biến áp xung 15

Hình 2.9: Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp 16

Hình 2.10: Mạch dao động R-C 17

Hình 2.11: Mạch dao động L-C 17

Hình 2.12: Cảm biến siêu âm PZT 18

Hình 2.13 Mô hình bồn rửa siêu âm 19

Hình 2.14: Hiện tượng kết hợp và phá vỡ các bọt khí 20

Hình 2.15: Mô tả tính tẩy rửa 1 21

Hình 2.16: Mô tả tính tẩy rửa 2 21

Hình 2.17: Mô tả tính tẩy rửa 3 21

Hình 2.18: Mô tả tính tẩy rửa 4 22

Hình 2.19: Dạng sóng gián đoạn chùm xung 22

Hình 2.20: Dạng sóng tần số liên tục thay đổi 23

Hình 2.21: Ảnh hưởng của sóng và hóa chất dưới tác động thời gian và nhiệt độ 24

Hình 4.1: Sơ đồ thi công mạch công suất 35

Hình 4.2: ELCB trên bồn rửa 37

Hình 4.3: Kết nối màn hình lcd với kit arduino 37

Hình 4.4: Kit Arduino (a) và màn hình cảm ứng (b) được gắn trên tấm alumium 38

Hình 4.5: Gắn board mạch công suất bên trong khung bồn rửa 38

Hình 4.6: Khung chân bồn rửa 39

Hình 4.7: Gắn bồn rửa vào khung chân 39

Hình 4.8: Bồn rửa sau khi đã gắn đầy đủ các board mạc 39

Hình 4.9: Lưu đồ hoạt động của bồn rửa 40

Hình 4.10: Lưu đồ điều khiển nhiệt độ 41

Hình 4.11: Lưu đồ điều khiển thời gian 42

xii

Hình 4.14: Vùng thông báo trong giao diện phần mềm lập trình Arduino 44

Hình 4.15: Chọn port và board trong phần mềm lập trình Arduino 45

Hình 4.16: Lưu đồ quy trình vận hành 48

Hình 5.1: Rửa linh kiện trong bồn 49

Hình 5.2: Chùm chìa khóa trước khi rửa 50

Hình 5.3: Chùm chìa khóa trong quá trình rửa 50

Hình 5.4: Chùm chìa khóa sau khi rửa xong 51

xiii

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega2560 13

Bảng 2.2: Một số dung dịch tẩy rửa thông dụng 24

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của bồn rửa siêu âm hiệu GT Sonic 25

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 36

xiv

Theo sự phát triển của kỹ thuật, việc tẩy rửa các chi tiết chính xác nhỏ bé ngày càng quan trọng Bằng sức người thì vừa tốn thời gian, vừa tốn sức, lại không thể sạch hoàn toàn, nhất là đối với những chi tiết phức tạp, nhiều lỗ, rãnh Nhưng nhờ sóng siêu âm, mọi chuyện trở nên dễ dàng Với thiết bị máy làm sạch bằng sóng siêu âm đã mang lại nhiều sự tiện dụng và hiệu quả cao trong việc làm sạch với người dùng

Phương pháp làm sạch bằng bồn rửa siêu âm là một phương pháp hiện đại và an toàn Vì vậy, nhóm quyết định thực hiện đề tài thiết kế và thi công bồn rửa dùng sóng siêu âm Đề tài gồm:

Thiết kế, thi công mạch công suất tạo ra điện áp và tần số cung cấp cho biến tử, biến tử sẽ tạo dao động cơ học với tần số 40Khz

Thiết kế phần mềm điều khiển hoạt động cho bồn rửa

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt trong đời sống xã hội là một xu hướng thiết yếu Trong các ngành sản xuất công nghiệp, trong lĩnh vực y tế, dân dụng … các thiết bị làm sạch có vai trò quan trọng

Các phương pháp làm sạch cổ điển như sử dụng tay kết hợp các loại dung dịch không đảm bảo độ sạch của các chi tiết cần làm sạch đặc biệt đối với chi tiết có kết cấu phức tạp, có độ bám dính tạp chất cao Kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu về công nghệ làm sạch được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị tẩy rửa với hiệu quả cao, tốc độ nhanh mà các phương pháp khác không đáp ứng được Từ yêu cầu đó, nhóm đã lựa chọn đề tài thiết kế và thi công bồn rửa sử dụng sóng siêu âm

Đây là một đề tài mang tính thực tiễn mà nhóm đã chọn với mong muốn tạo ra một sản phẩm có thể ứng dụng được trong đời sống xã hội Dựa trên những tính chất vật lý rất hữu dụng của sóng siêu âm về sự dao động để làm cho thiết bị có tác dụng tẩy rửa với hiệu suất cao hơn các phương pháp tẩy rửa thông thường

Đề tài các khóa trước đã thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp nhưng chưa thấy đạt hiệu quả tốt trong việc làm sạch Vì vậy, nhóm em quyết định thực hiện đồ án “thiết kế và thi công bồn rửa dùng sóng siêu âm” với mong muốn đạt được hiệu quả làm sạch cho đồ dùng

1.2 Mục tiêu

- Thiết kế và chế tạo bồn rửa sử dụng sóng siêu âm

- Thiết kế và thi công mạch khuếch đại công suất

- Thiết kế phần mềm điều khiển hoạt động của máy

1.3 Nội dung nghiên cứu

NỘI DUNG 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên tắc tạo sóng siêu âm, khảo sát các máy rửa thực tế hiện có trên thị trường

NỘI DUNG 2: Tìm hiểu các loại biến tử siêu âm, mạch công suất, mạch nguồn, bồn rửa

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2

NỘI DUNG 3: Thiết kế mạch tạo xung, mạch công suất, mạch nguồn, mạch điều khiển

NỘI DUNG 4: Thi công mạch (điều khiển, mạch nguồn, công suất), thi công phần khung cho bồn rửa

NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện

NỘI DUNG 6: Lắp ráp, vận hành hệ thống và kiểm tra các thông số

NỘI DUNG 7: Chạy thử, sửa lỗi phần cứng và phần mềm

NỘI DUNG 9: Cân chỉnh hệ thống

NỘI DUNG 10: Viết báo cáo

NỘI DUNG 11: Báo cáo đề tài tốt nghiệp

1.4 Giới hạn

Bồn rửa siêu âm có dung tích 2 lít

Sử dụng biến tử phát sóng siêu âm với công suất 60W, tần số 40Khz

1.5 Bố cục

Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm, vai trò và phân loại biến

tử siêu âm dùng trong bồn rửa, mô hình và cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này gồm tính toán và thiết kế sơ đồ khối hệ thống, tính toán và thiết kế mạch, sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương này gồm thi công board mạch, lắp ráp và kiểm tra các module, viết lưu

đồ giải thuật và lập trình cho vi điều khiển

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày kết quả đã thu được và định hướng phát triển đề tài

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan lý thuyết sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng dọc, tức là dao động cùng chiều với chiều lan truyền của sóng Sóng siêu âm chỉ lan truyền trong môi trường giãn nở (không thể lan truyền trong chân không) Sóng âm tạo nên một sức ép làm thay đổi áp lực môi trường Tại một vị trí nào đó trong môi trường, ở nửa chu kỳ đầu của sóng áp lực tại đó tăng Trong nửa chu kỳ sau, áp lực lại giảm gây ra hiệu ứng cơ học của siêu âm

2.1.1 Bản chất và đặc điểm sóng siêu âm

Bản chất

Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc các phân tử, chúng được liên kết với nhau bằng các lực nguyên tử Nếu có một nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu do một lực căng tác dụng, nguyên tử đó sẽ dao động Do có sự liên kết giữa các nguyên tử nên sự dao động của một nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kế cận dao động theo

Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ

Qua trên ta nói năng lượng cơ học hay sóng cơ học đã được truyền từ vị trí này đến vị trí khác trong môi trường Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực

cơ học vào môi trường truyền âm

Bước sóng là khoảng đường sóng truyền được trong khoảng thời gian một chu

kỳ T Các nguyên tử ở cách nhau một quãng đường sẽ có cùng một trạng thái dao động tức là dao động cùng pha khi sóng truyền qua môi trường

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5

- Vận tốc

Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển

động của sóng được gọi là vận tốc v của sóng

Đặc điểm

Sóng âm là dao động của các hạt của các chất rắn, chất lỏng và chất khí, đó là các chất đàn hồi Nói một cách khác sóng âm thanh là sóng đàn hồi lan truyền trong môi trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được sóng âm

- Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm ( chẳng hạn với cùng một biên

độ dao động, năng lượng sóng tại tần số 1MHz lớn gấp 106

lần năng lượng sóng tại tần

số 1KHz)

- Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên

có tính định hướng cao, năng lượng sóng truyền đi theo một phương nhất định Lợi dụng tính chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp

- Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm thực sóng xảy ra trong chất lỏng Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng

2.1.2 Các thông số đặc trưng sóng siêu âm

Âm trở của môi trường

Trở kháng âm của môi trường còn gọi là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trường, được xác định theo biểu thức:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6

Z V

Với : V là vận tốc truyền sóng trong môi trường (m/s)

là mật độ khối lượng của môi trường (Kg/m3)

Z là trở kháng âm của môi trường (Rayls)

Như vậy tổng trở âm học là một thông số phụ thuộc môi trường truyền sóng Vận tốc sóng âm

Vận tốc của sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu đặc trưng bởi độ nén và mật độ, không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thước

của vật liệu

- Độ nén:

Vận tốc sóng siêu âm tỉ lệ thuận với độ nén của vật liệu Vật liệu càng khó nén vận tốc sóng lan truyền càng nhanh Trong môi trường chất khí các phân tử cách xa nhau nên sự liên kết giữa chúng yếu, mỗi hạt phải di chuyển một khoảng cách tương đối lớn trước khi có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền

thấp

Trong môi trường lỏng và đặc biệt là chất rắn, các phân tử ở gần hơn nên sự liên kết giữa chúng mạnh , mỗi hạt chỉ cần di chuyển một khoảng cách ngắn để có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền cao

- Mật độ:

Các vật liệu có mật độ dày đặc thường tạo bởi những phần tử lớn, các phần tử này do có quán tính lớn nên khó dịch chuyển và cũng khó dừng lại Do vậy, nếu xét riêng mật độ thì vật liệu có mật độ càng lớn thì vận tốc sóng càng giảm

Trong môi trường lỏng, mật độ và độ nén thường tỉ lệ nghịch nên vận tốc truyền sóng đa số giống nhau

Trong chất rắn độ nén thường rất lớn hơn mật độ nên vận tốc truyền sóng cao

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7

Cường độ sóng âm thể hiện sự truyền năng lượng qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng cho bởi biểu thức:

Sự bức xạ sóng âm phụ thuộc vào các yếu tố chính:

- Kích thước của biến tử càng lớn sự bức xạ càng cao

- Đặc trưng của môi trường cho phép bức xạ nhiều hay ít

- Nguồn dao động cung cấp cho biến tử

Với cùng một bước sóng lan truyền, kích thước biến tử càng lớn thì góc tập trung năng lượng bức xạ càng hẹp, tính định hướng của biến tử càng cao

Xét riêng về mặt tần số thì khi tăng tần số, tính định vị cũng tăng Tuy vậy, sự hấp thụ của môi trường cũng tăng làm giảm sóng tryền xa

Sự phản xạ sóng

Khái niệm về mặt phẳng âm: mặt phẳng âm là mặt phẳng có bề mặt nhận sóng có

độ nhấp nhô nhỏ thua 10 lần bước sóng Phản xạ sóng khi truyền sóng vuông góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi trường

Khi truyền sóng vuông góc trên giới hạn phân cách hai môi trường thì một phần năng lượng truyền qua, một phần năng lượng sẽ phản xạ lại môi trường thứ nhất Tỉ lệ thành phần truyền qua và thành phần phản xạ phụ thuộc vào trở kháng âm của hai môi trường

Hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi truyền sóng từ môi trường có vận tốc truyền sóng nhỏ sang môi trường có vận tốc truyền sóng lớn

Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng

Trong quá trình lan truyền sóng trong môi trường, cường độ sóng bị suy giảm dần do sự hấp thụ của môi trường và do sự tán xạ của sóng Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào các yếu tố:

- Tính dẫn nhiệt, hệ số ma sát, tính không đồng nhất của môi trường

- Tần số của sóng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8

2.2 Biến tử siêu âm

2.2.1 Vai trò và phân loại biến tử siêu âm

Biến tử siêu âm là thiết bị trực tiếp biến đổi năng lượng điện có tần số siêu âm thành dao động cơ học có cùng tần số Ngược lại một biến tử siêu âm cũng có khả năng biến đổi dao động cơ học thành dao động điện có tần số tương ứng

Theo hai chức năng đó, biến tử được phân chia thành biến tử thu sóng và biến tử phát sóng

- Biến tử phát sóng

Một dao động điện có tần số siêu âm sau khi được xử lý và khuếch đại đến mức cần thiết được đưa đến biến tử phát sóng Biến tử phát sóng sẽ biến đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền trong môi trường nhằm thực hiện một chức năng nào

sẽ cung cấp cho các thiết bị chỉ thị, đo lường, cảnh báo

Các biến tử thu sóng thường là các biến tử áp điện có độ nhạy cao

2.2.2 Biến tử áp điện

Hiệu ứng áp điện thuận

Một tấm thạch anh có bề dày lo được phủ một lớp bạc lên hai bề mặt để tạo thành các điện cực Trên hai bản cực người ta nối một điện kế như hình vẽ:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9

Ngược lại khi tác động một lực nén sao cho bề dầy của tấm mỏng biến đổi với

l1 = lo - l, người ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên phải Như vậy trên hai bản cực của tấm mỏng các điện tích đã đổi chiều

Qua trên nhận thấy rằng khi lực tác động lên bề mặt tấm mỏng là các dao động

cơ học biến đổi thì trên hai điện cực của tấm mỏng sẽ xuất hiện một tín hiệu điện xoay chiều có cùng tần số biến đổi với dao động cơ học

Các loại vật liệu mang tính chất như trên được gọi là vật liệu áp điện

Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử thu sóng siêu âm

Theo đó có thể kết luận rằng khi đặt lên bề mặt tấm áp điện một tín hiệu điện xoay chiều có tần số f thì bề dày của tấm mỏng sẽ biến đổi liên tục với cùng tần số và như vậy một dao động cơ học đã được bức xạ ra ngoài môi trường

Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sóng siêu âm

(a) Kim điện kế lệch bên trái

(b) Bề dày tấm áp điện co lại (a) Bề dày tấm áp điện dãn ra

(b) Kim điện kế lệch bên phải

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10

Hình 2.3: Cấu tạo biến tử áp điện

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11

ngắt nguồn AC, không sử dụng đƣợc để đóng ngắt nguồn DC, trong Relay SSR có tích hợp sẵn opto cách ly (photo triac) nên sử dụng rất an toàn

Module đƣợc thiết kế phù hợp cho các ứng dụng đóng ngắt nguồn AC cần tần suất đóng ngắt nhiều

Hình 2.5: Module 1 Relay SSR Thông số kỹ thuật:

- Sử dụng Relay SSR: OMRON G3MB-202P

- Số Relay: 1

- Điện áp kích: 5VDC

- Dòng tiêu thụ: 20mA/1 Relay SSR

- Điện áp đóng ngắt tối đa: 75 - 240VAC (50/60Hz)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12

2.3.3 Arduino Mega2560

Giới thiệu Arduino Mega2560

Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển, xây dựng dựa trên Atmega

2560 Nó có 54 chân I/O (trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm chân ouput với chức năng PWM), 16 chân đầu vào Analog, 4 UART, 1 thạch anh 16Mhz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn, 1 header, 1 nút nhấn reset Nó chứa mọi thứ cần thiết hỗ trợ cho người lập trình vi điều khiển, đơn giản chỉ việc kết nối nó với máy tính bằng cable USB là có thể bắt đầu học tập

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega2560

Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Số lượng chân Input Analog 16

Dòng điện DC với chân 3.3V 50 mA

Bộ nhớ flash 256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

2.3.4 Màn hình cảm ứng Arduino TFT Shield 2.4 inch

Màn hình cảm ứng Arduino TFT Shield 2.4 inch được thiết kế dạng shield để có thể gắn trực tiếp lên Arduino Mega2560 một cách dễ dàng và thực hiện chức năng hiển thị, điều khiển qua cảm ứng điện trở trên màn hình Màn hình có kích thước nhỏ gọn, tiện lắp đặt, bộ thư viện và code mẫu đi kèm màn hình đầy đủ, dễ lập trình Màn hình có chất lượng hiển thị tốt, cảm ứng có độ bền cao, phù hợp cho các ứng dụng hiển thị và điều khiển qua màn hình cảm ứng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14

Hình 2.7: Màn hình cảm ứng Arduino TFT Shield 2.4 inch Thông số kỹ thuật:

- Nguồn: 3.3 ~ 5VDC

- Chip điều khiển: ILI9340, ILI9341, ILI9320, SPFD5408

- Độ phân giải : 240 x 320 pixel

- Màu sắc: 18 bit, lên đến 262,000 màu

Biến áp xung là biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chục KHz, như biến

áp cao trong các bộ nguồn xung, biến áp xung cao áp Lõi được làm bằng ferit, do hoạt động ở tần số cao nên công suất rất mạnh, so với biến áp nguồn thông thường có cùng trọng lượng thì biến áp xung có thể cho công suất mạnh gấp hàng chục lần

Biến áp lõi sắt từ thường chỉ làm việc ở dải tần số thấp (phổ biến 50Hz/60Hz), cá biệt có trường hợp lên đến vài trăm Hz (nhưng chất lượng thép phải tốt)

Còn biến áp xung ít nhất cũng phải làm việc ở tần số vài chục đến cỡ trăm KHz,

nên lõi của nó phải là chất liệu đặc biệt (vẫn thường là lõi Ferit) Với cỡ tần số này thì

phải có thêm một số linh kiện khác kết hợp với nó để thành các mạch dao động (tần số cao), hồi tiếp, bảo vệ, nắn (chỉnh lưu), lọc cao tần Và đương nhiên, với tần số cao như thế thì dây quấn của biến áp xung giảm đi rất nhiều lần, điều này sẽ làm tiết kiệm dây quấn hơn so với biến áp thường

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15

Công suất của biến tử siêu âm khoảng 60W (công suất thứ cấp) từ đó ta tính toán được công suất tối đa của biến áp khoảng 80W (công suất sơ cấp), công suất hiệu dụng 70-90%

Hình 2.8: Biến áp xung

a Cấu tạo

+ Số vòng dây của biến áp xung thường ít Lõi được làm bằng ferit hay hợp kim pemeloid trong khi lõi của biến áp thường là thép silic Biến áp xung cộng thêm các tín hiệu xung, biến đổi cực tính của các xung và lọc bỏ thành phần một chiều của dòng điện

+ Các biến áp trong sạc điện thoại và máy tính bây giờ đều sử dụng biến áp xung

và có thêm 1 bộ băm xung ở tần số cao nữa đi kèm và hỗ trợ

b Nguyên lý hoạt động

Làm tăng biên độ điện áp hoặc dòng mà vẫn duy trì được dạng xung ban đầu, không bị méo Độ dài xung (ở các máy điều khiển tự động) sẽ vào khoảng 0.1 μs, ngắn hơn chu kỳ của điện lưới hàng triệu lần, nghĩa là tần số lớn gấp hàng triệu lần, đến MHz

2.3.6 Mạch dao động

Tổng quan về dao dộng

Về cơ bản, ngành điện tử liên quan đến công việc xử lý và điều chế các dạng sóng hoặc các tín hiệu Điều này có thể bao gồm việc khuếch đại hoặc sửa dạng tín hiệu, hoặc trộn hai hay nhiều sóng để có một tín hiệu ngõ ra phức hợp được điều chế, hoặc xử lý một tín hiệu phức hợp để lấy thành phần gốc của tín hiệu này

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16

Tất cả các quá trình này đều đòi hỏi việc sử dụng các mạch tạo sóng Vì vậy chúng hình thành một dạng mạch điện tử quan trọng và thiết kế để tạo ra các dạng sóng có chất lƣợng cao hay có tần số ổn định Mạch tạo sóng có thể có một hay nhiều ngõ ra, tín hiệu ngõ ra có thể đƣợc điều chế hay không điều chế

Điều kiện dao động

= Vfb/V2 : mạch hồi tiếp, có hệ số hồi tiếp

Vfb : tín hiệu hồi tiếp

V1 : tín hiệu ngõ vào

V2 : tín hiệu ngõ ra

AF = A/(1- A) : độ lợi vòng kín khi có hồi tiếp Nếu A = 1 thì hệ số khuếch đại của hệ thống sẽ trở nên vô cùng lớn Điều đó có nghĩa là khi không có tín hiệu vào thì trong mạch vẫn xuất hiện tín hiệu ngõ ra, ta nói lúc đó mạch dao động

Vậy điều kiện để mạch dao động tạo sóng sin đó chính là:

Điều kiện cân bằng pha: tổng độ lệch pha trong một vòng kín phải bằng 0 hay

3600

Điều kiện cân bằng biên độ: độ lợi trong một vòng kín phải bằng 1

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 17

Mạch dao động tạo sóng sin

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 18

RFC là cuộn cảm cao tần, có điện cảm rất lớn trong vùng tần số dao động Vì vậy, ta xem như cuộn RFC hở mạch tại vùng tần số dao động

2.3.7 Cảm biến siêu âm bằng gốm áp điện (PZT)

Hiện nay có hai loại hiệu ứng vật lý có thể tạo ra nguồn sóng siêu âm công suất lớn là: Hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) và hiệu ứng áp điện (Piezoelectric) Trong đề tài nhóm em chọn cảm biến có hiệu ứng áp điện để tạo ra sóng siêu âm

Hình 2.12: Cảm biến siêu âm PZT

Nguyên lý hiệu ứng áp điện (Piezoelectric)

Một số vật liệu nhựa như tinh thể thạch anh, barium titanate có dao động sóng cơ khi áp lên nó những dòng điện tích xoay chiều Tuy nhiên những vật liệu này thường dao động không ổn định và khả năng chịu tải cơ học thấp Từ những năm 1940 các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo ra cảm biến Piezoelectric có công suất lớn, độ bền cao với cơ học và môi trường đặc biệt rất ổn định về mặt tần số

Tuy nhiên hiệu ứng biến dạng trong Piezoelectric thường bé hơn nhiều so biên độ dao động của từ giảo Thông thường biên độ dao động của Piezoelectric thường nằm trong khoảng 0.1µm ÷ 7µm Tuy vậy tần số làm việc của Piezoelectric có thể lên đến 5MHz

Xét về phương diện công suất thì cảm biến siêu âm từ giảo có công suất cao hơn nhiều so với cảm biến siêu âm Piezoelectric Xét về phương diện biến đổi năng lượng thì cảm biến Piezoelectric có khả năng biến đổi thuật nghịch – Điện năng – Cơ năng – Điện năng Kích thước vật lý của cảm biến siêu âm nhỏ gọn thường được dùng để chế tạo máy rửa siêu âm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19

Cấu tạo của cảm biến siêu âm Piezoelectric:

Dưới tác dụng của điện tích đặt trên hai điện cực của cảm biến, lớp gốm cùng điện cực kim loại chịu một lực xoắn rất lớn Do cảm biến có cấu tạo dạng xuyến nên lực có dãn ra biên là không lớn, lực chủ yếu xuất hiện trên bề mặt hình xuyến tạo ra những dao động sóng đứng Nếu ta gắn chặt cảm biến vào một tấm thép – tấm thép sẽ dạo động, tạo ra sóng cơ có công suất lớn truyền theo phương vuông góc với trục xuyến Để sóng cơ truyền ra bể rửa hiệu suất cao, ta cần gắn chặt bề mặt cảm biến với đáy bể thông qua lớp cách điện nhưng có điện trở sóng gần với trở sóng của thành bể

2.4 Mô hình và cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm

2.4.1 Mô hình

Thùng rửa: Thường sử dụng loại vật liệu không rỉ, không bị ăn mòn bởi các dung dịch hóa chất dùng để tẩy rửa như axit, xút, muối Ngoài ra vật liệu chế tạo vỏ thùng cần phải có vận tốc truyền âm cao

Màng dao động hay còn gọi là tấm mỏng truyền sóng được chế tạo bằng đồng hoặc thép không rỉ có chức năng phân bố năng lượng siêu âm trên toàn bộ diện tích đáy thùng rửa Mặt khác màng dao động còn có chức năng bảo vệ biến tử tránh những

va đập mạnh khi cho chi tiết vào thùng rửa

Biến tử: Chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ học tạo hiệu ứng xâm thực trong quá trình tẩy rửa

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20

2.4.2 Cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm

Phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực sóng siêu

âm xảy ra trong chất lỏng được mô tả như sau:

Trong chất lỏng thông thường tồn tải một số lượng lớn các bọt khí Khi chiếu một chùm tia siêu âm có tần số và biên độ thích hợp vào trong chất lỏng, dưới tác dụng của dao động cơ học siêu âm và do có sự chênh lệch về khối lượng riêng các hạt khí sẽ chuyển động hỗn loạn trong chất lỏng Trong quá trình chuyển động hỗn loạn các bọt khí kết hợp tạo nên những bọt khí có kích thước lớn hơn Khi đạt đến một giới hạn nào

đó sự chênh lệch áp suất đủ lớn bọt khí sẽ bị vỡ tung ra thành nhiều hạt nhỏ tạo nên sức va đập mạnh và áp suất rất lớn, kèm theo đó nhiệt độ trong chất lỏng tăng dần Tóm lại hiện tượng xâm thực sóng siêu âm xảy ra trong chất lỏng là quá trình hình thành, kết hợp và phá vỡ các bọt khí liên tục xảy ra trong chất lỏng nhằm tạo ra sức va đập tăng cường nhiệt độ và áp suất trong dung dịch tẩy rửa

Hình 2.14: Hiện tượng kết hợp và phá vỡ các bọt khí Nếu chi tiết cần tẩy rửa được đặt trong dung dịch tẩy rửa thích hợp cùng với sự kích thích sóng siêu âm dưới tác dụng của hiện tượng xâm thực sóng như đã nêu trên thì các chất bẩn bám trên bề mặt chi tiết sẽ được tách ra và kết tủa lại

Hình dưới đây mô tả quá trình tẩy rửa bề mặt của một vật Để cho dung dịch tẩy rửa hòa tan được các hạt bụi bẩn, thì điều cần thiết là dung dịch cần phải được tiếp xúc trực tiếp với hạt bụi Trong trường hợp này quá trình tẩy rửa đóng vai trò tạo sự tiếp xúc giữa hóa chất hoặc bụi bẩn.[2]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21

Hình 2.15: Mô tả tính tẩy rửa 1 Khi hóa chất hòa tan bụi bẩn thì một lớp hóa chất gần sát bề mặt của vật dần dần

bị bão hòa do vậy tác dụng hòa tan của nó ngày một dày, như vậy quá trình tẩy rửa bị chậm lại hoặc mất hẳn Để quá trình làm sạch nhanh hơn cần bổ xung thường xuyên hóa chất tẩy rửa mới

Hình 2.16: Mô tả tính tẩy rửa 2 Với việc tạo bọt sóng và bắn phá bề mặt bằng bọt sóng, sóng siêu âm đã làm tăng hiệu suất tẩy rửa bằng cách hạn chế sự hình thành lớp hóa chất bão hòa tạo điều kiện cho lớp hóa chất tích cực trực tiếp tiếp xúc với bề mặt vật cần rửa

Hình 2.17: Mô tả tính tẩy rửa 3 Một vài bụi bẩn không hòa tan mà chỉ bám một cách lỏng lẻo trên bề mặt của vật nhờ lực liên kết ion Những bụi bẩn này dễ dàng loại bỏ bằng cách cưỡng bức một lực

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22

lớn hơn lực bám dính của nó với bề mặt là bụi bẩn đã được tách ra khỏi bề mặt một cách dễ dàng

Hình 2.18: Mô tả tính tẩy rửa 4

 Các yêu cầu cần thiết của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm

- Tần số sóng siêu âm:

Tần số sóng siêu âm thường được sử dụng trong khoảng từ 20 đến 60 Khz Khi tần số sóng siêu âm quá cao, các bọt khí có kích thước nhỏ lực va đập giảm Ngược lại khi tần số quá thấp quá trình xâm thực xảy ra chậm Kết quả là hiệu suất tẩy rửa cũng kém theo

- Dạng sóng:

Trong các thiết bị tẩy rửa sử dụng siêu âm nhằm tăng tối đa hiệu quả tẩy rửa người ta dùng các dạng sóng sau:

Gián đoạn chùm xung

Hình 2.19: Dạng sóng gián đoạn chùm xung

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23

Thay đổi tần số liên tục

Hình 2.20: Dạng sóng tần số liên tục thay đổi Nhiệt độ dung dịch:

Cường độ tẩy rửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch Khi nhiệt độ dung dịch quá cao thì áp suất khí trong bọt khí sẽ tăng làm giảm lực va đập trong quá trình xâm thực Nếu nhiệt độ dung dịch quá thấp thì trên bề mặt của chi tiết sẽ xuất hiện sự ngưng tụ chất lỏng có khả năng ăn mòn chi tiết Thông thường nhiệt độ dung dịch được ấn định trong khoảng từ 30-60 C, nói chung nhiệt độ dung dịch được điều chỉnh sao cho phù hợp với từng loại chi tiết

Tác dụng của hóa chất:

Để quá trình rửa đạt hiệu quả cao nhất ngoài các yếu tố như thời gian, nhiệt độ, hóa chất tẩy rửa còn một yếu tố đặt biệt quan trọng khác nữa là mật độ bọt khí siêu âm trong dung dịch tẩy rửa

Lựa chọn hợp chất hóa học thích hợp đặc biệt quan trọng để mang lại thành công toàn diện cho quy trình làm sạch bằng kỹ thuật sóng siêu âm Sự lựa chọn thành phần hóa học này phải được tương thích với thành phần kim loại được rửa và có khả năng tẩy rửa chất bẩn Nó cũng phải có khả năng tạo sự sủi bong bóng tốt Hầu hết những chất tẩy rửa hóa học có thể được sử dụng thuận lợi với kỹ thuật sóng siêu âm