nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả đã nêu trong luận văn này là do tôi thực
hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo TS. Trương Văn Chương. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố.
Tác giả
Nguyễn Văn Thanh
Luận văn thạc sỹ với đề tài Nghiên cứu chế tạo máy phát
siêu âm chế độ xung được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại
học Khoa học, Đại học Huế. Trong suốt thời gian thực hiện luận
văn, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu, cả về vật
chất lẫn tinh thần.
Trước hết, tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, các
cán bộ, giảng viên của Khoa Vật lý, trực tiếp là Bộ môn Vật lý
Chất rắn (Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế) đã tạo mọi
điều kiện để luận văn này được hoàn thành.
Xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng
dẫn TS. Trương Văn Chương. Thầy luôn theo dõi sát
sao và hướng dẫn giải quyết triệt để những vướng mắc mà tác
giả gặp phải. Thầy đã tập cho học trò của mình tư duy và
niềm đam mê khoa học.
Đồng cảm ơn NCS. Lê Quang Tiến Dũng (Đại học Khoa
học Huế), kỹ sư Nguyễn Hoàng Tuấn (Công ty Huetronics) về
những hộ trợ tích cực trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin ghi vào đây lời tri ân đến bạn trong gia đình lớp Cao
học Vật lý Khóa 2011 (2011 – 2013) về những tình cảm tốt
đẹp, sự giúp đỡ vô tư trong những lúc tác giả khó khăn nhất.
Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến ba mẹ và
những người thân. Công cha, nghĩa mẹ, tình cảm gia đình là
động lực to lớn thôi thúc tác giả hoàn thành luận văn này.
MỤC LỤC

Trang
- Trang phụ bìa
- Lời cam đoan
- Lời cảm ơn
- Mục lục
- Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
- Danh mục các bảng
- Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ SIÊU ÂM 4
1.1. Giới thiệu 4
1.2. Phương pháp liên kết giữa khối điện tử với biến tử áp điện dải rộng
có hiệu quả cao
1.3. Mạch điện tử phát xung tạo ra điện áp cao và thu nhận tín hiệu đang
được áp dụng cho biến tử áp điện dải tần rộng
1.3.1. Một số mạch cổ điển để điều khiển cảm biến siêu âm 7
1.3.2. Mạch điện tử được phát triển để tạo xung điều khiển cảm biến tần
số cao đạt hiệu quả cao
1.3.3. Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu dải tần rộng 13
1.4. Phân tích ảnh hưởng của quá trình hồi tiếp điện trong sự truyền xung
điện áp cao của cảm biến áp điện
1.4.1. Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 1 16
1.4.2. Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 2
1.4.3. Ảnh hưởng của sự truyền xung theo thời gian trong giả thuyết 3 20
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN TRÊN
CƠ SỞ HỆ VẬT LIỆU GỐM PZT(51/49) – 0.4%kl MnO
2
-
0.15%kl ZnO-2%kl LiBiO
2

21
2.1. Chế tạo gốm 21
2.2. Một số thông số cơ bản của gốm 23
2.2.1. Cấu trúc và vi cấu trúc 23
2.2.2. Phổ phân bố năng lượng EDS 24
2.2.3. Khối lượng riêng và hằng số điện môi 24
2.3. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ 25
2.4. Đặc tính trễ sắt điện của vật liệu 26
2.5. Tính chất áp điện 27
2.6. Chế tạo biến tử gốm áp điện kiểu Langevin 29
2.7. Lắp ráp cụm biến tử 32
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÁY PHÁT SIÊU ÂM CHẾ ĐỘ XUNG 35
3.1. Thiết kế mạch điện tử 35
3.1.1. Phương pháp kích thích biến tử siêu âm 35
3.1.2. Thiết kế mạch phát siêu âm 37
3.1.3. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiểu biến tử siêu âm 38
3.1.3.1. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm liên tục 38
3.1.3.2. Nguyên lý hoạt động 38
3.1.3.3. Đo tần số, biên độ tín hiệu

41
3.1.4. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiểu biến tử siêu âm kiểu xung
42
3.1.4.1. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung

42
3.1.4.2. Đo tần số và tín hiệu ra của mạch phát xung

46

3.2. Xác định công suất âm 49
3.3. Ứng dụng sóng siêu âm trong kiểm soát tảo độc tại các hồ nuôi tôm 51
3.3.1. Kết quả xử lý bằng máy siêu âm tần số 26 kHz với mẫu tự nhiên

53
3.3.2. Kết quả kiểm tra sự phục hồi tảo sau khi xử lý siêu âm

54
3.3.3. Kết quả kiểm soát tảo độc tại các hồ nuôi tôm

56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61
1. Về lý thuyết 61
2. Về thực nghiệm 61
3. Về ứng dụng 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
PZT51/49 Pb(Zr
0.51
Ti
0.49
)O
3
LBO Chất chảy LiBiO
2
850(a) Mẫu chế tạo bằng hóa chất Trung quốc
850(b) Mẫu chế tạo sử dụng ZrO
2
và TiO
2

của Hàn quốc
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
kl Khối lượng
Th linh kiện thyristor
ns Nano giây
μs Micro giây
T Transistor
T
MF
Transistor MosFet
D Diode
V
out
Điện áp đầu ra
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Khối lượng riêng và hằng số điện môi của hệ gốm PZT51/49 –
0.4%kl MnO
2
-0.15%kl ZnO-2%klLiBiO
2
25
Bảng 2.2. Các giá trị E
c
và P
r
của mẫu 850(a) và 850(b) 27
Bảng 2.3 Một số thông số áp điện của gốm phân cực ở nhiệt độ 130
0
C, thời
gian 15 phút tại các điện trường khác nhau 28

Bảng 2.4. Khối lượng riêng và vận tốc âm của vật liệu 30
Bảng 2.5. Thông số hình học của các biến tử 31
Bảng 2.6. Các đặc trưng cộng hưởng của mẫu và 32
Bảng 2.7. Các thông số hình học của khối kim loại nhôm và thép 33
Bảng 3.1. Các tham số của đường làm khớp 50
Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của mạch phát siêu âm 51
Bảng 3.3. Kết quả xử lý siêu âm mẫu tảo tự nhiên với tần số khác nhau trong
điều kiện phòng thí nghiệm 54
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Mạch điện tử của máy phát áp điện dạng xung
Hình 1.2. Mạch tạo xung dùng để điều khiển cảm biến áp điện dải tần
rộng. Mạch dựa trên chuyển mạch thyristor
Hình 1.3. Mạch phát xung cho điện áp cao để điều khiển bộ cảm biến. Kết
nối hai SCRs để có được xung biên độ cao hơn
Hình 1.4. Sơ đồ khối của một mạch phát làm tăng đột biến điện áp để điều
khiển cảm biến tần số cao hoạt động trong dải tần rộng 10
Hình 1.5 Tầng khuếch đại sử dụng transistor công suất 10
Hình 1.6. Bộ chuyển đổi cao áp sử dụng khả năng nạp xả của tụ điện 11
Hình 1.7. Mạch hạ áp và mạch biến đổi điện áp cho biến tử áp điện 11
Hình 1.8 Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu siêu âm dải rộng 13
Hình 1.9. Dạng xung điều khiển hoạt động của bộ áp điện 15
Hình 2.1. Quy trình công nghệ gốm truyền thống 21
Hình 2.2. Phổ nhiễu xạ tia X của gốm PZT51/49 – 0.4%kl MnO
2
-0.15%klZnO-2%klLiBiO
2
được thiêu kết tại 850
0
C 23
Hình 2.3 Ảnh SEM của của gốm PZT51/49 - 0,4%kl MnO

2
-0.15%kl ZnO-
2%kl LiBiO
2
được thiêu kết tại 850
0
C 23
Hình 2.4. Phổ EDS của gốm nung thiêu kết tại 850
0
C 24
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ của gốm nung
thiêu kết tại 850
0
C 25
Hình 2.6. Sơ đồ mạch Sawyer-Tower 26
Hình 2.7. Đường trễ sắt điện của của gốm PZT51/49 - 0,4%kl MnO
2
-0.15%kl ZnO-2%kl LBO được thiêu kết tại 850
0
C 26
Hình 2.8. Phổ cộng hưởng của gốm áp điện phân cực tại 30kV/cm, nhiệt
độ 130
0
C, thời gian 15 phút 27
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của hệ số áp điện d
31
(a) và hệ số liên kết điện cơ k
p
vào điện trường phân cực.
Hình 2.10. Biến tử Langevin kép 30

Hình 2.11. Biến tử áp điện sau khi được chế tạo 31
Hình 2.12. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) mẫu , (b) mẫu 32
Hình 2.13. Mặt cắt của biến tử ghép
Hình 2.14. Biến tử ghép đã chế tạo 33
Hình 2.15. Phổ cộng hưởng áp điện của hệ biến tử 34
Hình 3.1. Sơ đồ khối của máy phát siêu âm kiểu hội tụ 35
Hình 3.2. Mô hình biến tử Butterworth- Van Dyke 36
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại công suất đẩy-kéo 38
Hình 3.4. Sơ đồ điện tử của mach phát siêu âm liên tục dạng 1 39
Hình 3.5. Sơ đồ điện tử của mach phát siêu âm liên tục dạng 2 40
Hình 3.6. Mạch điện tử của máy phát siêu âm liên tục dạng 2 40
Hình 3.7. Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát lắp theo mạch liên
tục dạng 1
Hình 3.8. Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát lắp theo mạch liên
tục dạng 2
Hình 3.9. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung dạng 1
Hình 3.10. Mạch điện tử của siêu âm chế độ xung dạng 2
Hình 3.11. Sơ đồ mạch điện của mạch phát siêu âm chế độ xung dạng 2
Hình 3.12. Dạng tín hiệu khi bị sai lệch tần số hay bị nhiễu
Hình 3.13. Dạng xung của mạch tạo xung dạng 1
Hình 3.14. Dạng xung của khối tạo xung mạch dạng 2
Hình 3.15. Dạng tín hiệu ra của toàn mạch
Hình 3.16. Thiết bị siêu âm tổng hợp vật liệu
Hình 3.17. Máy phát siêu âm diệt tảo
Hình 3.18. Mô hình đo công suất siêu âm
Hình 3.19. Sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian dưới tác dụng của
siêu âm
Hình 3.20. Tế bào Microcystis sp. trước (A) và sau (B) khi xử lý siêu âm.

Hình 3.21. Thí nghiệm xử lý siêu âm ở tần số 47.6 kHz ở phòng thí nghiệm

Hình 3.22. Mẫu tảo nở hoa trước (A) và sau (B) khi xử lý
Hình 3.23. Số lượng tế bào tảo chết sau khi siêu âm ở các tần số khác nhau

1
MỞ ĐẦU
Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học phát triển khá nhanh
trong thời gian hiện nay. Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồn
siêu âm mà chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời
sống, khoa học và công nghệ.
Trong nông nghiệp, sóng siêu âm có tác dụng rất hiệu quả đến quá trình
xử lý giống, kích thích sinh trưởng. Dưới tác động của sóng siêu âm, các chất
vi lượng trong đất được giải phóng và năng suất cây trồng được nâng cao, tác
dụng cải tạo đất hiệu quả hơn. Sóng siêu âm đã được ứng dụng trong việc
thăm dò, đánh bắt hải thuỷ sản. Trong y học, nhờ những tiến bộ vượt bậc của
kỹ thuật điện tử - tin học - tự động hóa, các thiết bị chẩn đoán, thăm dò, điều
trị, phẫu thuật và vi phẫu thuật hiện đại dựa trên nguyên lý sóng siêu âm đã
được đưa vào sử dụng. Kỹ thuật điều trị bằng siêu âm cũng ngày càng tỏ ra
hiệu quả trong việc điều trị nhiều loại bệnh khác nhau. Làm sạch bằng siêu
âm được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đời sống là
một trong những ví dụ điển hình về tính hiệu quả của siêu âm [12, 13, 14].
Như chúng ta đã biết, nhiệt độ cao và áp suất lớn là hai thông số vật lý
quan trọng nhất trong bất kỳ một quá trình nào liên quan đến việc chế tạo vật
liệu. Có thể nói, ai làm chủ được hai thông số này, người đó có thể chế tạo
được bất kỳ một vật liệu nào theo mong muốn. Hiện nay, người ta đang quan
tâm nghiên cứu ứng dụng siêu âm công suất cao để chế tạo các vật liệu vô cơ,
hữu cơ, vật liệu điện tử có cấu trúc nanô [10, 11, 15].
Với một nguồn phát siêu âm công suất lớn, hiệu ứng cavitacy hình
thành các bọt khí có áp suất nội đến hàng nghìn atmotphe, nhiệt độ biểu kiến
khoảng 5000

0
K, tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đạt tới 10
10
K/s. Các phản ứng
hoá học không thể xảy ra trong điều kiện thường, sẽ dễ dàng thực hiện khi có
mặt của sóng siêu âm công suất cao. Các dung dịch khác nhau không thể hoà
2
tan vào nhau sẽ dễ dàng trộn lẫn nhau một cách đồng nhất dễ dàng khi có mặt
siêu âm. Trong xử lý chất thải bảo vệ môi trường, siêu âm hiện đang được chú
trọng như một tác nhân siêu oxy hoá tiên tiến. Siêu âm có thế làm gia tăng tốc
độ, hiệu suất chiết tách các hợp chất quý mà các phương pháp thông thường
không thể đạt được. Sóng siêu âm còn được sử dụng để kiểm soát sự phát
triển của tảo độc trong các hồ nuôi thủy sản [16, 17].
Về lĩnh vực này, ở nước ta hiện nay, năm 2009 nhóm nghiên cứu gồm
tiến sỹ Trương Văn Chương, thạc sỹ Lê Quang Tiến Dũng, thạc sỹ Nguyễn
Đình Tùng Luận và thạc sỹ Thân Trọng Huy, Khoa Vật lý – ĐH Khoa học
Huế, là nhóm đầu tiên đã chế tạo thành công thiết bị phát siêu âm với tần số
33.2 kHz và công suất siêu âm 117w [1, 2, 3, 4].
Năm 2010, thạc sỹ Nguyễn Văn Thông đã nghiên cứu chế tạo thành
công máy phát siêu âm công suất đa tần [7]. Tác giả đã lắp ráp thành công
máy phát siêu âm công suất đa tần sử dụng hai cụm biến tử ghép được điều
khiển bởi hai mạch điện tử riêng lẻ hoạt động đồng thời trong khay chứa siêu
âm trên nguyên lý hiệu ứng tạo phách để tạo ra một dải tần số rộng. Từng
biến tử được ghép trong một tổ hợp phản xạ và bức xạ siêu âm để tập trung
năng lượng siêu âm vào trong khay chứa. Mạch điện tử được đo đạc chỉnh lý
phù hợp với hệ biến tử để khai thác hiệu suất cao nhất. Máy phát có công suất
trung bình 156.5w, bồn rửa có kích thước đảm bảo yêu cầu sử dụng trong các
phòng thí nghiệm để tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu điện tử có cấu trúc
nano. Năm 2011, trên hệ gốm Pb(Zr
0.51

Ti
0.49
)O
3
- 0.4%wt MnO
2
– 0.25%wt
ZnO thạc sỹ Đặng Anh Tuấn đã thành công trong việc chế tạo biến tử, thiết kế
mạch phát sóng siêu âm và hoàn thiện máy phát siêu âm dưới nước [5].
Năm 2012, thạc sỹ Lê Quang Quý Tú đã chế tạo thành công máy phát
siêu âm công suất kiểu hội tụ. Lần đầu tiên, bằng cách sử dụng thêm chất
chảy LiBiO
2
(LBO), tác giả đã tổng hợp được gốm Pb(Zr
0.51
Ti
0.49
)O
3
- 0.4%kl
3
MnO
2
– 0.15%kl ZnO – 2%kl LBO có tính áp điện tốt nhưng chỉ cần thiêu kết
tại 850
0
C. Đây là một kết quả mới, tạo điều kiện thuận lợi trong việc chế tạo
các biến tử gốm áp điện có chất lượng cao [6].
Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng của siêu âm công suất
cao vẫn còn hạn chế. Để thúc đẩy và góp phần vào lĩnh vực này và trên cơ sở

trang thiết bị tại phòng thí nghiệm khoa lý Trường đại học Khoa học Huế, tôi
chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung” làm đề
tài cho Luận văn Thạc sỹ.
Các nội dung chính của luận văn được triển khai trong ba chương.
Chương 1 : Tổng quan về điện tử siêu âm
Trong chương này, trình bày các phương pháp nâng cao hiệu quả sự
liên kết giữa đầu thu phát siêu âm với phần mạch điện tử. Các phản ứng của
biến tử áp điện với các xung cao áp điều khiển được phân tích chi tiết.
Chương 2: Nghiên cứu chế tạo biến tử áp điện trên cơ sở hệ vật liệu
gốm Pb(Zr
0.51
Ti
0.49
)O
3
–0.4%wt MnO
2
-0.15%wt ZnO – 2%kl LiBiO
2
- Chế tạo vật liệu trên cơ sở gốm

Pb(Zr
0.51
Ti
0.49
)O
3
–
0.4%wt MnO
2

-0.15%wt ZnO – 2%kl LiBiO
2
.
- Thiết kế biến tử Langevin.
Chương 3: Chế tạo máy phát siêu âm chế độ xung.
- Thiết kế cải tiến mạch điện tử kích thích phát sóng siêu
âm chế độ liên tục.
- Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm tổng hợp vật liệu
và dưới nước chế độ xung.
- Xác định các thông số của máy phát siêu âm tổng hợp
vật liệu và dưới nước chế độ xung.
- Thử nghiệm ứng dụng.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ SIÊU ÂM
1.1 Giới thiệu.
Hiện nay, các thiết bị thu phát sóng siêu âm chủ yếu sử dụng biến tử
gốm áp điện. Một thiết bị siêu âm gồm hai bộ phận chính là biến tử và mạch
điện tử. Để thiết bị này hoạt động tốt, ngoài việc lựa chọn biến tử gốm áp điện
phù hợp, chúng đòi hỏi phải chế tạo các mạch điện tử đặc thù.
Trong các thiết bị phân tích, kiểm tra bằng siêu âm, để có thể nhận dạng
tốt cấu trúc bên trong và giảm tín hiệu nhiễu, cần thiết phải tạo được mạch
siêu âm phát xung với độ chính xác cao.
Những đòi hỏi trên đã đặt ra một số yêu cầu riêng cho hệ thống điện tử sử
dụng cho các ứng dụng siêu âm dải tần rộng:
1. Việc sử dụng chế độ phát xung cho hệ thống kiểm tra siêu âm. Điều đó
đòi hỏi quá trình chuyển tiếp kích thích điện của bộ phát áp điện (biến tử áp
điện).
2. Lưu ý tới độ chính xác của bộ phận kích thích đối với xung điện rất
ngắn có biên độ đỉnh cao tới hàng ngàn vôn

3. Để hệ thống áp điện đạt hiệu quả cao trong quá trình phát và thu dải tần
rộng thì việc tối ưu hóa giữa mạch điện tử và hệ thống áp điện là cần thiết.
Rõ ràng là, không thể dễ dàng đạt được cùng một lúc tất cả các yêu cầu
trên vì các thông số ảnh hưởng tới biên độ đều có sự chồng chập. Việc thiết
lập tối ưu của một thông số nào đó lại phụ thuộc vào thiết lập của một thông
số khác.
Một ví dụ điển hình là sự tạo ảnh siêu âm sử dụng mảng áp điện dải tần
rộng. Mạch điện tử phải hoạt động với độ chính xác cao để điều khiển các
phần tử mảng với các xung điện 300-400V và thời gian bé hơn 30nano giây.
5
Nói chung, thời gian và tần số của các tín hiệu kiểm tra ảnh hưởng lớn tới
chất lượng ảnh thu được.
Nội dung chương này tập trung vào việc, giải thích các giai đoạn cần có
điện áp cao để điều khiển các bộ chuyển đổi áp điện dải tần rộng. Sự phụ
thuộc của các xung điều khiển kết hợp với mạng tải bên ngoài cũng được
phân tích. Mạch sơ đồ khối đơn giản để kết nối đầu dò với bộ phận tiếp nhận
trong các ứng dụng siêu âm cũng được trình bày. Cuối cùng, phân tích chi tiết
các phản ứng điện trong các xung cao áp điều khiển đầu dò áp điện. Xem xét
một số điều kiện làm việc điển hình. Với mục đích này, một số đặc tính của
các dạng sóng điều khiển liên quan sẽ được giới thiệu và thảo luận bằng một
loạt các phương pháp tiếp cận phân tích tuyến tính liên quan đến tình huống
thực tế trong các ứng dụng siêu âm y tế và công nghiệp.
1.2. Phương pháp liên kết giữa khối điện tử với biến tử áp điện dải rộng
có hiệu quả cao [8].
Trong hầu hết các ứng dụng siêu âm dải tần rộng, khi biến tử áp điện
được ghép với mạch điện và các bộ phận khác thì bộ phận kích thích điện và
bộ phận tiếp nhận kích thích điện đều không tương thích. Điều đó dẫn tới việc
các đầu dò áp điện không nhận được điện áp kích thích đầy đủ. Kết quả là quá
trình thu phát siêu âm không thể đạt được hiệu quả tốt nhất. Rất khó để đảm
bảo được hiệu quả cao trong quá trình chuyển đổi điện cơ đồng thời với các

đặc tính tốt trên toàn bộ dải tần, đặc biệt là dải tần rông với sự thay đổi thấp
(gợn sóng thấp). Các yêu cầu về tần số liên quan tới việc tạo ra các xung siêu
âm ngắn. Có một số chương trình phù hợp với các ứng dụng đặc biệt, nhưng
không thể áp dụng trong điều kiện dải tần rộng, vì đặc trưng truyền của quá
trình xung được sử dụng để điều khiển biến tử. Hơn nữa, trong một số trường
hợp trở kháng trong các mạch phát xung được sử dụng để điều khiển là biến
6
thiên theo thời gian. Đây là hai điều phức tạp trong việc phân tích các vấn đề
liên quan tới phối hợp trở kháng tại thời điểm phát.
Điều khiển các giai đoạn trong ứng dụng dải tần rộng thường bao gồm
các bộ phận điều kiển tốc độ tăng thế cao áp (giá trị trở kháng thấp) phải được
mắc phù hợp với bộ cảm biến. Giả sử điều kiện làm việc là tuyến tính, khi đó
các hàm lối ra được coi là một hàm mũ của các xung trong mạch ghép IR
CC
:
Điều khiển đầu ra (t) = IR
cc
(t)*V
0
exp(-t/τ) (1.1)
Với V
0
và τ là biên độ và thời gian giảm của hàm thực tế.
Hình 1.1 là sơ đồ chung của khối phát. Nó bao gồm hàng loạt các bộ
phận mạng kết nối song song. Trong một số ứng dụng, một trong hai mạng
kết nối có thể không cần thiết (không có). Trở kháng của các mạng này có thể
thay đổi theo thời gian trong một số giai đoạn của quá trình chuyển tiếp.
Trở kháng Z
S
thường có giá trị điện trở thấp và khối Z

G
thường là tụ
điện khá lớn so với điện dung của phần tử áp điện trong các bộ phận chuyển
đổi. Mạch nối song song được tạo thành bởi một điện trở R
D
hồi tiếp, một
cuộn dây L
O
và một khối chỉnh lưu.
Các mạch tiếp nhận kết hợp thường có cấu trúc đơn giản, bởi vì chúng
thường được tạo ra bởi sự kết hợp của các thành phần điện trở và dẫn nạp.
Trong trường hợp này, hiệu quả của việc kết nối những yếu tố này sử dụng
chỉ dùng để điều chỉnh và hồi tiếp. Trong các loại xung phổ biến, chỉ với một
bộ chuyển đổi áp điện làm việc liên tục như một máy phát và máy thu, các
yếu tố hồi tiếp và điều chỉnh trong các giai đoạn tiếp nhận thường được sử
dụng chung với các giai đoạn phát.
7
Hình 1.1. Mạch điện tử của máy phát áp điện dạng xung.
Các giải pháp kết hợp các mạch chuyển đổi cũng đã được đề xuất để
nâng cao hiệu quả của bộ chuyển đổi.
1.3. Mạch điện tử phát xung tạo ra điện áp cao và thu nhận tín hiệu đang
được áp dụng cho biến tử áp điện dải tần rộng [9].
Hầu hết các ứng dụng đầu dò áp điện dải tần rộng hoạt động trong dải
tần số từ 0,5 MHz và 10 MHz. Sự kích thích các đầu dò áp điện đã được thực
hiện với xung điện áp cao trong khoảng thời gian cực ngắn. Trong các ứng
dụng đặc biệt của các thiết bị siêu âm với độ chính xác cao (sử dụng đầu dò
20MHz), việc tăng khoảng thời gian kích thích là cần thiết.
Trong nhiều trường hợp, để hạn chế sự suy giảm của sóng siêu âm, ta
cần tăng mạnh tần số phát. Vì lý do này, các bộ chuyển đổi áp điện phải có
biên độ điện áp rất lớn ,có thể lên đến 500V.

1.3.1 Một số mạch cổ điển để điều khiển cảm biến siêu âm
Để phát ra được xung điện áp cao trong thời gian ngắn, rất nhiều mạch
điện tử đã được sử dụng. Phương trinh 1.2 và 1.3 thể hiện điện áp đầu ra với
đỉnh lớn hơn 220V. Một cấu hình thông thường được trình bày chi tiết trong
8
hình 1.2. Nó sử dụng một linh kiện thyristor (Th) để chuyển đổi điện áp cao
và xả nhanh của tụ điện C thông qua điện trở R
D
và bộ chuyển đổi. Tần số xả
lặp lại này thường dao động tử 0.5 đến 5kHz. Thời gian xung tạo ra trên R
D
khi đầu dò không tải, trong quá trình chuyển đổi các giai đoạn trong Th, có
thể tính theo biểu thức:
( ) ( )
)/exp(1/)(
DConoout
CRtCRtVtV −−−=
(1.2)
t
on
là thời gian cần thiết để thyristor đạt đến trạng thái bão hòa.

Hình 1.2. Mạch tạo xung dùng để điều khiển cảm biến áp điện dải tần rộng. Mạch
dựa trên chuyển mạch thyristor.
Các mạch đặc biệt trong đưa ra thời gian điện áp tăng từ 150-250nano
giây (ns). Các nội dung liên quan đến tần số không đủ để sử dụng cho các ứng
dụng trên 2MHz. Hạn chế của mạch, tùy thuộc vào hiệu quả t
on
, có thể khắc
phục bằng cách sử dụng một thyristor nhanh hơn, nhưng các thiết bị có loại

như vậy chỉ sử dụng trong phạm vi điện áp thấp. Việc lựa chọn này thể hiện
trong hình 1.3, với một loạt các kết nối thyristor giảm áp, một xung có độ lớn
đỉnh (giá trị điện áp của xung) cao hơn sẽ được tạo ra. Bằng cách lặp lại
chương trình này trong một loạt các giai đoạn, có thể tạo ra các xung có điện
áp cao cần thiết. Tuy nhiên, sai số thời gian trong quá trình các thyristor tạo ra
xung sẽ mang tới tác hại, có thể làm sai lệch tín hiệu siêu âm nhận được. Một
bất lợi của các thiết bị này là tổn thất rất cao trong trạng thái tắt.
9
Hình 1.3. Mạch phát xung cho điện áp cao để điều khiển bộ cảm biến. Kết nối hai
SCRs để có được xung biên độ cao hơn.
Với những lý do này, nó tạo ra sự lựa chọn tốt hơn cho việc chuyển đổi
điện áp cao. Công suất của transistor MosFet (T
MF
) đáp ứng tất cả các yêu cầu
và không có những hạn chế trên. Loại mạch này dựa trên các linh kiện đã
được đề xuất trong nhiều tài liệu. Mạch này có thể tạo ra xung có độ lớn đỉnh
240V và độ giảm trở kháng 300 Ω. Sự gia tăng thời gian liên quan tới xung
đầu ra là 100ns và do đó nó có thể dùng để điều khiển đầu dò có tần số cộng
hưởng dưới 3MHz. Một linh kiện chuyển mạch nhanh hơn sẽ cần thiết để kích
thích thích hợp cảm biến dải tần rộng trong hầu hết các ứng dụng.
1.3.2. Mạch điện tử được phát triển để tạo xung điều khiển cảm biến tần
số cao đạt hiệu quả cao.
Hình 1.4 là sơ đồ khối của một bộ phát xung, được phát triển đặc biệt
để kích thích hiệu quả cho đầu dò dải tần rộng từ tần số 30MHz. Mạch phát
xung được thiết kết như hình 1.1.

10
Hình 1.4. Sơ đồ khối của một mạch phát làm tăng đột biến điện áp để điều khiển
cảm biến tần số cao hoạt động trong dải tần rộng.
Sự chuyển đổi MosFet sử dụng như một máy phát điện, nó được điều

khiển bởi một chu trình chi tiết tại hình 1.5, dòng mà các transistor bổ sung T
2
và T
3
cung cấp cần thiết để chuyển đổi nhanh chóng của transistor T
MF
(xem
mạch máy phát hình 1.6). Cần lưu ý rằng một cổng của transistor có điện
dung cao khoảng 1500pF. Kết quả là, việc kiểm soát tại cửa ra phải được thực
hiện thông qua các mạch trở kháng rất thấp để tối ưu hóa thời gian chuyển
tiếp như mong muốn.
Hình 1.5 Tầng khuếch đại sử dụng transistor công suất.
11
Hình 1.6 Bộ chuyển đổi cao áp sử dụng khả năng nạp xả của tụ điện.
Trong mạch điện hình 1.6, một diot Zener Z đặt giữa cực D của T
MF
và
tụ C, tạo ra thay đổi điện áp qua T
MF
và bộ chuyển đổi. Trong quá trình như
vậy, khi T
MF
bắt đầu xả sẽ gần bằng với trường hợp bão hòa khi không có mặt
của diode Z.

Hình 1.7 Mạch hạ áp và mạch biến đổi điện áp cho biến tử áp điện.
12
Một ảnh hưởng quan trọng của linh kiện này là tránh sự biến dạng của
xung trong nửa chu kỳ hoạt động khi thu được tín hiệu sóng siêu âm. Nếu
không có diode zener này, nửa chu kỳ hoạt động sẽ được nối đất qua diot D

1
(xem hình 1.7) tụ C và T
MF
, tạo ra sự bóp méo tín hiệu.
Khối thứ 3 này bao gồm 1 cuộn dây L
O
có thể điều chỉnh mắc song
song với điện trở R
D
. Mắc cuộn dây cho phép điều khiển dạng xung ra phụ
thuộc thời gian. D
1
và D
2
ngăn chặn các tín hiệu dao động từ mạch cộng
hưởng C - L
O
truyền về, nó chỉ cho phép cảm biến hoạt động ở nửa chu kỳ âm
đầu tiên, và xung sẽ quay về sẽ bị triệt tiêu khi đi qua R
L
và D
1
. Sử dụng nhiều
diode tín hiệu, cho phép điện áp đỉnh (thông qua D
1
) và dòng phân cực ngược
gần 500V (thông qua D
2
).
Các mạch hình thành bởi L

O
, D
1
và D
2
trong mạng hạ áp, cải thiện biên
độ và hình dạng trong các nhánh ra vì hai lý do:
1. Nó có hiệu quả có thể thay thế hiệu quả hạ áp của một R
D
điện trở có
giá trị thấp để giảm đi sự biến đổi của biên độ
2. Nó có thể làm cho sự truyền xung là diễn ra độc lập khi transistor T
MF
đạt đến ngưỡng giới han.Việc này rất liên quan đến khả năng tồn tại của các
thiết bị trong mạch.
Các điện trở có giá trị thấp (R
L
<< R
D
) có tác dụng bảo vệ các thiết bị
điện tử khi có trường hợp ngắn mạch ở đầu ra, và làm giảm sự biến dạng tín
hiệu ở đầu ra. Nếu không có R
L
, thì điện áp ở nửa chu kỳ sau sẽ truyền xuống
đất thông qua D
1
và D
2
.
Một số mạch trước biểu diễn sự điều khiển điện áp cao trong các thiết

bị siêu âm dải tần rộng, do các thiết bị bán dẫn liên quan (T
MF
, D
1
, D
2
). Vì lý
do này, rất khó để tính được chúng bằng các biểu thức phân tích đơn giản.Tuy
nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, ví dụ như khi trở kháng của cuộn dây
13
L
O
trong hình 1.7 là tương đối cao, ωL
O
>> R
D
, sau đó sự tăng vọt điện áp V
out
trên các thiết bị đầu cuối đầu dò có thể được dự đoán bằng các biểu thức sau :
( )
τ
τ
−+
−=
+−
−
TT
RCCt
t
Toout

RCC
eeRCVtV
TT
)(
1
)(
)/(
/
(1.3)
[ ]
DTMBT
RhCRRAR //)2/()(
2
33
+=
Tuy nhiên, phương trình (1.3) chỉ có thể sử dụng đầy đủ cho bố trí đặc
biệt trong điều kiện tải điện tại các thiết bị đầu cuối điện đầu ra của mạch phát
xung điện áp cao, và trong các mạch giao diện khác thường được sử dụng
trong hầu hết các ứng dụng băng thông rộng.
1.3.3 Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu dải tần rộng.
Có một số mạch điện tử có thể sử dụng để bộ cảm biến áp điện hoạt
động như một máy thu - phát sóng siêu âm đã được số hóa.
Hình 1.8 Mạch điện tử trong thiết bị thu tín hiệu siêu âm dải rộng.
Hình 1.8 biểu diễn một mạch điện tiêu biểu, với mục đích thu nhận tín
hiệu. Mạch này tương ứng với một chương trình đơn giản cho việc thu nhận
và khử các tín hiệu phản hồi có dải tần rộng tại các thiết bi cảm biến trong
14
ứng dụng siêu âm hoặc nhận xung phản hồi trong hoạt động kiểm tra bằng
siêu âm.
Tại đầu ra của T

1
và T
2
, mạch song song thường hoạt động để nhận hồi
tiếp và giảm điện áp. Giới hạn tại hai cực của gia đoạn thứ hai lớn nhất ≈ ± 5
V của ba nhánh để bảo vệ các thiết bị điện tử tiếp nhận xung điện áp cao được
đưa ra từ đầu ra của đầu dò trong quá trình điều khiển. Mạch này được tạo ra
bởi ba nhánh song song liên tiếp chỉ co dòng chạy theo một đường của mỗi
diot zener và diode tín hiệu. Cần thêm hai nhánh vì giá trị của dòng tạo ra rất
lớn khi đi qua nhánh đầu tiên, dòng điện lớn này được tạo ra vì các điện áp
ngưỡng trong các transistor.
Các tín hiệu xung hạn chế được đưa vào đầu vào của bộ khuếch đại tín
hiệu dải tần rộng, thông qua một bước suy hao tùy chọn. Hình 6.8 là một quá
trình khuếch đại đơn giản với hai bước riêng biệt. Bước đầu tiên được thực
hiện thông qua một trở kháng kết hợp giữa các giá trị trở kháng tương đối cao
trong đầu ra của đầu dò và trở kháng đầu vào thường thấp để làm giảm độ
nhiễu của mạch khuếch đại.
1.4 Phân tích ảnh hưởng của quá trinh hồi tiếp điện trong sự truyền xung
điện áp cao của cảm biến áp điện [8,9].
Trong phần này, dạng xung đưa vào được tạo ra bởi hệ thống phát xung
điện áp cao đã mô tả trong phần trước. Phân tích các chức năng của các thông
số phát và công suất điện đưa vào cũng như điện cực dò trong các mạch thông
thường.
Trong hình 1.9 là một xung điển hình (biên độ cho sẵn), nó được tạo ra
bởi một mạch điện có cấu trúc sơ đồ như đã mô tả trong hình 1.4 - 1.7. Xung
này được đo khi mạch phát xung không liên kết với bộ chuyển đổi áp điện.
Trong các xung điều khiển thực tế, dưới điện áp tải, các dạng sóng bao gồm
cả các điều kiện không lý tưởng khác tùy thuộc vào hàng loạt các yếu tố,
15
trong đó phải được đưa vào hệ thống phân tích chính xác quá trình kích thích

xung.
Hình 1.9 Dạng xung điều khiển hoạt động của bộ áp điện.
Trong hầu hết các ứng dụng, đỉnh xung đầu ra bình thường không có
giá trị biên độ tối ưu (trùng với điện áp đã cung cấp V
0
trong các máy phát
xung), trong đó sử dụng dao động tử 200 đến 500V. Trong thực tế, nếu đầu dò
có trở kháng thấp và đặc biệt là đầu dò có điện dung rất cao, thì giá trị tối ưu
của đỉnh xung thường đạt được rất khác, nó làm giảm phạm vi hoạt động của
các tín hiệu trong một khoảng lớn. Tuy nhiên, bằng các linh kiện phù hợp, các
thông số R
C
, C, R
L
và R
D
trong các mạch ở hình 1.6 và 1.7, những vấn đề này
được giảm thiểu.