Sáng kiến kinh nghiệm Cảm biến áp suất không dây với việc truyền sóng siêu âm từ xa

 1. PHẦN MỞ ĐẦU 
1.1. Lí do chọn đề tài 
 Với sự phát triển rất mạnh mẽ của cảm biến áp suất không dây đã làm giảm kích 
thước và giá tiền của các linh kiện, máy móc, vì thế cuộc sống của chúng ta trở nên tiện 
nghi hơn... Do đó việc sử dụng công nghệ xử lý cảm biến được áp dụng rộng rãi. Trong 
quy trình sản xuất dạng màng đã làm xuất hiện áp suất ở các lớp chuyển tiếp, công nghệ 
này lại được áp dụng cho việc tự kích hoạt các cảm biến từ xa thông qua hiệu ứng áp 
điện. Các thông tin về áp suất bên trong các lỗ hổng được đo bởi dãy các xung siêu âm. 
Áp suất này được xác định bằng cách nhân số xung với một giá trị ngưỡng đặt trước. 
Việc phân tích bộ phận phát và truyền xung siêu âm được nghiên cứu thông qua khuôn 
kim loại. 
 Tôi chọn đề tài “Cảm biến áp suất không dây với việc truyền sóng siêu âm từ 
xa” nhằm tìm hiểu nguyên lí đo áp suất các lỗ hổng trong máy đúc khuôn dạng phun và 
kiểm tra điều kiện xử lý. 
1.2. Điểm mới của đề tài 
 Nghiên cứ u về sự phát triển của cảm biến áp suất không dây với việc truyền sóng 
siêu âm từ xa 
 1 kim loại mà không giới hạn bởi hiệu ứng chắn tĩnh điện. Công nghệ siêu âm đã được sử 
dụng rất lâu trong việc kiểm tra và thẩm định các tính chất của vật liệu mà không phá 
hủy chúng. Trong ứng dụng này, hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch 
được sử dụng ở dạng tích hợp. Dựa trên việc ứng dụng của sự phun các chất polime ở 
dạng nóng chảy, một phần tử gốm áp điện đầu tiên sẽ phát ra các điện tích tỉ lệ với áp 
suất nóng chảy. Các điện tích này sẽ áp đặt lên phần tử áp điện thứ hai làm cho nó dao 
động và phát ra các tín hiệu siêu âm. Những bài báo cáo này đã được thảo luận trong 
các nguyên lí cơ học về máy phát xung siêu âm sử dụng bộ phát bằng gốm áp điện cũng 
như việc sử dụng các xung siêu âm cho quá trình truyền dữ liệu không dây qua các 
khuôn dạng phun. 
2.2. Số hóa giá trị áp suất nóng chảy 
 Để nhận được các khái niệm về sự truyền dữ liệu không dây qua khuôn, hai hạn 
chế về mặt thiết kế phải được xem xét ở đây. Trước hết, bản thân các cảm biến này phải 
được cung cấp năng lượng cần thiết cho việc phát và truyền tín hiệu. Thứ hai các tín 
hiệu được truyền không dây xuyên qua thép làm khuôn sao cho dữ liệu nhận được là tín 
hiệu có ý nghĩa, không bị nhiễu và duy trì nội dung của thông tin. Trong suốt quá trình 
chế tạo khuôn, sự thay đổi áp suất nóng chảy trong các lỗ hổng vào cỡ 100- 200MPa. 
Vi phân áp suất (sự biến thiên áp suất nhỏ) này đủ kích hoạt cảm biến gốm áp điện để 
sinh ra điện tích ở đầu ra, và các điện tích này tỉ lệ với vi phân áp suất. Để năng lượng 
tiêu thụ cực tiểu, vi phân áp suất này phải bị gián đoạn để tạo ra một loạt tín hiệu dạng 
xung hơn là tín hiệu liên tục. 
 Hình 2: Số hóa áp suất lỗ hổng 
 1) quan sát; 2) số hóa 
 3 chuyển mạch và ngưỡng đặt ở đơn vị, 3) một đĩa áp điện thứ hai (bộ phát siêu âm) dùng 
để phát xung siêu âm. 
 Hình 4: Cấu hình của cảm biến không dây 
2.3. Bộ phận phát xung siêu âm 
 Dưới tác dụng của hiệu ứng áp điện nghịch, một phần tử áp điện có thể thay đổi 
hình dạng của nó (co vào hoặc giãn ra) khi vật liệu đó chịu tác dụng của điện trường 
ngoài. Những tính chất này được áp dụng cho bộ phận phát siêu âm. Một điện trường 
xoay chiều với biên độ không thay đổi được đặt vào bản gốm áp điện mỏng sẽ phát ra 
sóng hình sin. Tuy nhiên, theo định luật bảo toàn năng lượng, việc phát ra một điện 
trường dao động phải tiêu thụ năng lượng và vì vậy, nó không phù hợp với giả thiết về 
mẫu thiết kế cảm biến tự kích hoạt. Trong sự so sánh này, có một vụ nổ ngắn chiếm 
một vài chu kỳ sóng được xem như là cái mang thông tin về áp suất. Việc phát ra vụ nổ 
nhỏ ngắn này cũng phù hợp với việc bật hay tắt một vi chuyển mạch đối với bộ phận 
phát ngưỡng. 
 Sự phát ra điện tích hoạt động dựa trên sự tương tác điện cơ trong vật liệu áp 
điện, ví dụ như đĩa gốm áp điện, và có thể được mô tả bởi mối liên hệ giữa hai biến điện 
và cơ như sau: 
 eD
 E = - S + (1) 
 ss
và T = cE S - eE (2) 
ở đây T là ứng suất cơ học sinh ra trên vật liệu gốm áp điện, S là biến dạng cơ học 
tương ứng, D là cảm ứng điện, E là cường độ điện trường, cE là hằng số đàn hồi của vật 
liệu, e là hằng số ứng suất của gốm áp điện và εS là hằng số độ thẫm điện môi. Từ 
 5 T
ở đây mang ý nghĩa lực tác dụng gây ra bởi điện trường tác dụng lên đĩa áp điện 
 z
 2u
theo trục z, ρ là mật độ khối lượng của đĩa, z là gia tốc của các phần tử trong đĩa áp 
 t2
điện dọc theo trục z. Rút E từ phương trình (1) thay vào phương trình (2), sau đó tiếp 
tục thay T ở phương trình (2) vào (3) ta sẽ nhận được 
 22uee2  u  D
 z ()cE z z (4) 
 tz22ssz
Có thể viết lại dưới dạng thu gọn như sau 
 22u11  uk2  D
 z z z (5) 
 t2 v 2  z 2ez1 k 2 
 e2
ở đây k là hệ số cặp điện cơ mô tả cho hiệu ứng chuyển đổi năng lượng giữa 
 cEs
cơ năng và điện năng, v là tốc độ âm trong bộ phận áp điện truyền, và Dz là cảm ứng 
điện được sinh ra từ dòng áp đặt lên đĩa áp điện. 
 Khi năng lượng trên phần tử áp điện thứ nhất vượt quá giá trị ngưỡng, chuyển 
mạch sẽ cung cấp dòng xuyên qua phần tử áp điện thứ hai. Nếu xét gần đúng, dòng này 
được xem như là một xung tương tác lên đĩa áp điện. Và xung trả lời được suy ra từ 
phương trình (5). Giải phương trình (5) có nghiệm là 
 tv z
 D( ), z d
 dk 2 z d
 u(,) t z T (6) 
 z 2e tv z
 Dz( ), 0
 z d
 2
 2 k
với kT và Dz được mô tả trong Hình 5b. Phương trình (6) chỉ ra rằng dưới tác 
 1 k 2
dụng của xung kích thích, đĩa áp điện phát ra hai sóng cơ học, một sóng lan truyền theo 
chiều dương của trục z và một sóng dọc lan truyền theo chiều âm của trục z như Hình 
5c. Tốc độ sóng lan truyền theo chiều dương của trục z được cho bởi công thức sau 
 tv z tv z d
 vzo(,)()() t z v  (7) 
 dd
 7 
 n 1
 Tzo(,)()()(())() t z v Z  t2 t  r 1 r 2 t 3 t 2  tv 2 n 1 d t 4 t 2 r 1  tv 2 nd  (12) 
 n 1
 Theo phương trình (12), dạng xung này phụ thuộc vào trở kháng vật liệu. Hình 6 
là đồ thị mô tả sự phụ thuộc này. 
Chú ý trong trường hợp 1, Z1=0 biểu diễn cho trở kháng của không khí. Khoảng thời 
gian tồn tại các xung được điều chỉnh bởi việc sử dụng các vật liệu có trở kháng khác 
nhau hay bằng cách thay đổi mặt sau của các vật liệu trong bộ phận truyền để tìm thấy 
xung với độ dài thời gian khác nhau.Vì trở kháng âm của không khí thấp, nếu mặt sau 
của các bộ phận truyền là không khí sẽ tạo ra các xung siêu âm dài nhất, và năng lượng 
chuyển đổi cực đại. Tuy nhiên, xung mà rất dài là điều không mong muốn nếu các cảm 
biến đó có độ phân giải cao. 
 Hình 7: Xung dài và xung ngắn 
 1. Xung dài, có nhiễu. 
 2. Xung ngắn, không có nhiễu 
 Hình 6: Hình ảnh xung siêu âm 
 Hình 7 chỉ ra một phần của đường cong áp suất lỗ hổng. Hai xung siêu âm liên 
tục được phát ra khi áp suất giảm xuống vào cỡ 20MPa. Độ dốc của các đường cong áp 
suất xác định khoảng thời gian giữa hai xung kế cận nhau. Khi một xung siêu âm kéo 
dài hơn so với khoảng thời gian giữa hai xung đó, và xung thứ hai sẽ được phát ra trước 
khi xung kết thúc, sẽ dẫn đến sự nhiễu tín hiệu. Sự nhiễu tín hiệu này gây ra khó khăn 
cho các bộ phận nhận tín hiệu trong việc phân biệt rõ rệt chúng. Vì vậy, bản thân các 
thiết kế về mặt sau của vật liệu phải phát ra các xung siêu âm với thời gian phù hợp. 
 9 không đổi, bộ phận truyền bằng gốm áp điện cần phải được thiết kế để có trường ngắn 
so với chiều dày khuôn phun. 
 Áp suất thay đổi không chỉ dọc theo trục của đĩa áp điện mà còn vuông góc với 
trục đó, nên nó thể hiện sự phụ thuộc mạnh vào góc, được mô tả trong mô hình chùm. 
 Hình 9: Vị trí của bộ phận nhận tín hiệu 
Hình 9 minh họa cho mô hình chùm, chỉ ra sự phụ thuộc về chiều dài và góc tương đối 
vào áp suất xung siêu âm. Cực đại áp suất được xác định nằm trên trục của đĩa. Khi góc 
tăng, áp suất giảm và giảm từ 0 đến giá trị α. Dãy nằm trong góc α được gọi là cam 
chính ( hay còn gọi vấu chính). Hơn thế nữa, việc tăng góc sẽ làm tăng áp suất đối đỉnh 
thứ hai của nó, rồi sau đó áp suất lại giảm về giá trị 0. Mô hình này sẽ được lặp lại khi 
ta tăng góc, nhưng giá trị đỉnh của áp suất sẽ giảm đi một cách đáng kể. Đối với cảm 
biến tự kích hoạt, việc giảm năng lượng tiêu thụ và cực đại chiều dài tín hiệu trên vùng 
nhận là ưu tiên nhất. Khi quan sát mô hình chùm, vị trí các bộ phận nhận để nhận được 
tín hiệu mạnh nhất là dọc theo trục của đĩa gốm áp điện. Trong Hình 9, người ta giả 
thiết mức cường độ xung siêu âm dọc theo trục của đĩa áp điện là 0 dB và ở góc θ là -
10dB. Để nhận tín hiệu có mức cường độ âm lớn hơn - 10dB, bộ phận nhận phải đặt 
trong một vòng tròn với bán kính là Ttan(θ) và ở điểm giữa trục của đĩa áp điện, ở đây 
T là độ dày của thép làm khuôn dạng phun. 
2.5. Những nghiên cứu thực nghiệm 
 Những nghiên cứu thực nghiệm ngày nay hướng về khảo sát các bộ phận phát và 
thu nhận xung siêu âm. Xét đĩa nhôm dài 30 cm và dày 4 cm. Một bộ phận phát xung 
 11 đến độ chính xác của phép đo,ở đó đầu nhận có thể xem nó như tín hiệu kế tiếp, thể 
hiện cho sự thay đổi giả của áp suất nóng chảy bởi một giá trị vi phân đặt trước. Vì vậy 
việc khử xung bề mặt là rất quan trọng. Trong khi xung bề mặt truyền dọc theo bề mặt 
đĩa và xung khối truyền dọc xuyên qua đĩa, khoảng cách truyền của các xung bề mặt là 
khá xa so với xung khối. Vì sự tán xạ, áp suất của các xung là tỉ lệ thuận với khoảng 
cách, và sau đó, xung bề mặt nhanh chóng tắt dần hơn so với xung khối, như trong Hình 
11. Do đó phương pháp tách ngưỡng gần đúng có thể khử được xung bề mặt. 
 Hình 12: Sự tắt dần của xung bề mặt theo hàm của khoảng 
 cách. 
Các thí nghiệm đều hướng đến để xác định độ tắt dần của xung truyền trên bề mặt. Bộ 
phận phát và nhận đều được cài đặt trên một bề mặt của đĩa nhôm, với vị trí của bộ 
phận phát được gắn chặt và vị trí của bộ phận nhận được di chuyển. Biên độ của xung 
bề mặt nhận được giảm khi bộ phận nhận dịch chuyển ra xa bộ phận phát và theo biểu 
thức lí thuyết thì tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, như trong Hình 12. Hơn thế 
nữa, vì các chất sôi ở áp suất cao thể hiện sự suy giảm đối với các xung truyền trên bề 
mặt, ảnh hưởng của nó sẽ bị giảm. Việc sử dụng bộ phận nhận mà không nhạy với sóng 
mặt sẽ làm giảm ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu. Sau đó một phương trình được đưa 
 0, 08x
ra để mô tả sự tắt dần của các sóng mặt như sau : Axo A e ở đây Ax là biên độ 
của xung ở khoảng cách x tính từ bộ phận phát và A0 là biên độ được đo tại x=0. 
 13