Tần số cộng hưởng của chấn tử siêu âm ?

[zzogod]

Chào mọi người!
Cho mình hỏi: Làm sao để xác định được tần số cộng hưởng của chấn tử siêu âm? Vì mình có một cái chấn tử, nhưng không biết thông số của nó.

[x_ray]

theo như mình hiểu thì trên mỗi đầu dò nó đều ghi rõ dãi tần số cộng hưởng mà bạn... Nếu không thấy thì botay.com

[zzogod]

Cái chấn tử này nó nằm trên máy cũ nên không thấy thông số. Không biết làm cách nào để đo các thông số đây.

[HTTTTH]

Tần số cộng hưởng của chấn tử siêu âm áp điện có 2 loại (mode): theo chiều dày và theo bán kính. Với những ứng dụng khác nhau, chấn tử được kích thích ở một trong hai tần số này. Ngoài ra còn có thể kích thích ở tần số hài cộng hưởng, nhưng hiệu quả thấp hơn.
1/. Bạn có thể tìm xem tại trang web: http://www.ctdco.com.tw
Nếu chấn tử bạn có có kích thước trùng với kích thươc của chấn tử trong catalogue của hãng thì bạn có thể xác định được (gần đúng) tần số cộng hưởng của chấn tử của bạn.
2/. Tần số cộng hưởng của chấn tử siêu âm áp điện tỷ lệ với kích thước theo mode cộng hưởng, gọi là hằng số tần số. Ví dụ với PZT (loại vật liệu chế tạo chấn tử áp điện thông dụng nhất hiện nay) thì hằng số tần số của cộng hưởng theo chiều dày (Nt) vào khoảng 1850Hz.m, còn theo bán kính là (Np) khoảng 2000Hz.m . Ví dụ một chấn tử có đường kính 10mm (10^-2m) thì tần số cộng hưởng bán kính là 200kHz (2*10^5 Hz). Cứ lấy đường kính nhân với tần số sẽ được Np. Với Nt thì tương tự: Ví dụ chấn tử dày 1mm sẽ có tần số cộng hưởng theo chiều dày là 1,85MHz.
Tất nhiên với vật liệu khác thì các hằng số tần số này sẽ khác đi.
3/. Xác định tần số cộng hưởng chính xác nhất nhờ phép đo phổ trở kháng cộng hưởng [đo Z(f)] bằng các máy đo chuyên dụng, ví dụ như HP 4192A (tại Viện KHVN). Khi tần số điện áp kích thích thay đổi (từ 0 đến vô cùng) thì modul trở kháng Z thay đổi và có nhiều cặp đỉnh. Ta quan tâm 2 đỉnh đầu tiên là cặp đỉnh cộng hưởng cơ bản theo bán kính: Đỉnh có trở kháng thấp tại tần số "cộng hưởng" và đỉnh có trở kháng cao tại tần số "phản cộng hưởng". Tần số ứng với trở kháng cực tiểu chính là tần số cộng hưởng của chấn tử mà bạn đang cần xác định.
Chúc bạn nhanh chóng xác định được tần số của chấn tử mà bạn đang có. Thân.

[zzogod]

Cám ơn bạn! Mình đã biết được loại chấn tử, nó trùng với kích thước chấn tử trong catalog.

[HTTTTH]

OK, bây giờ bạn có thể lắp một mạch tạo dao động, cấp cho tầng công suất có tải là cái chấn tử đó. Chỉnh tần số dao động bằng (hoặc cao hơn chút ít) tần số cộng hưởng của chấn tử, khi đó chấn tử sẽ hoạt động với hiệu suất lớn nhất.
Ngược lại để xác định chính xác tần số cộng hưởng của chấn tử, bạn đo biên độ điện áp trên chấn tử trong khi chỉnh tần số dao động. Tần số ứng với biên độ cực đại chính là tần số cộng hưởng đúng.

[zzogod]

Trong catalog của chấn tử, điện trở cộng hưởng là 10000 Mega ohm. Không biết có đúng hay không, vì giá trị này thường nhỏ. Còn điện trở lớp cách điện mới lớn vậy, mà catalog chỉ ghi điện trở cộng hưởng, chẳng lẽ nó ghi sai. Chấn tử của mình sử dụng cho máy hàn siêu âm. Giờ mình ko biết lấy giá trị nào để tính toán thiết kế?

[HTTTTH]

Như bài trên tôi đã viết, một phần tử áp điện có 2 điểm cộng hưởng. Trở kháng cộng hưởng lớn ứng với tần số cộng huỏng fp. Tần số cộng hưởng có trở kháng nhỏ là fs mà fs < fp. Do đó bạn phải thiết kế mạch làm việc ở tần số nằm giữa 2 tần số này, gần về phía fs hơn.
Nếu trong catalog có thông số kp của chấn tử, bạn sử dụng công thức này để tìm ra fs:
kp = sqrt{(2.51(fp-fs)/fp - [(fp-fs)/fp]^2}
Bạn phải chỉnh được tần số dao động để có được điểm làm việc thích hợp thì bạn mới có thể "hàn" được. Thiết kế máy hàn siêu âm thường dùng tần số không cao lắm, sử dụng kiểu dao động theo chiều dày thì hợp lý hơn.
Bạn có tài liệu hay về máy hàn siêu âm không?

[zzogod]

Cám ơn bạn! Mình đang nghiên cứu một số tài liệu trên mạng. Cái đầu hàn hoạt động ở tần số 20 kHz, công suất 800W. Vậy làm cách nào để tính được điện áp cấp cho đầu hàn?

[HTTTTH]

Bạn hàn cái gì (vật liệu, kích thước điểm hàn ) mà công suất đến 800W?
Tôi đang nghĩ đến cái 80W thôi. Hàn nhôm với kim loại khác (kể cả nhôm), tiếp điểm khoảng 1mm2. Ví dụ như hàn một sợi dây nhôm đường kính 1mm vào tấm mạch đồng.

[zzogod]

Vật liệu mình hàn là 1 thanh đồng vào 1 tấm đồng. Bề mặt tiếp xúc hàn là 3 mm. Mình không biết công suất cần để hàn là bao nhiêu? Còn 800W là công suất tối đa của đầu hàn (welding transducer), theo trong catalog. Theo bạn thì công suất cần là bao nhiêu? Cám ơn bạn đã quan tâm!

[HTTTTH]

Trong máy hàn siêu âm, siêu âm được dẫn qua đầu hàn là vật liệu có trở kháng âm nhỏ như nhôm, đuya-ra, ma-giê... Những vật liệu này có nhiệt độ nóng chảy khá thâp. Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như hợp kim ti-tan (90%Ti + 6%Al + 4%V) thì khá đắt tiền. Nếu dùng nhôm hay đuya-ra làm đầu hàn, khi bạn hàn đồng thì đầu hàn sẽ bị nóng chảy trước.
Cấu trúc của đầu hàn siêu âm gồm có tầng phản xạ (backing layer) - chấn tử (transducer) - tầng phối hợp (và để dẫn dao động cơ từ chấn tử tới đầu hàn) có dạng nón cụt (horn). Tầng phối hợp này phải có trở kháng âm học nhỏ, tầng phản xạ cần trở kháng âm học lớn (có thể dùng thép hoặc thép không rỉ) . Phải tính các kích thước sao cho sóng dao động cơ từ tâm chấn tử đi vào tầng phối hợp rồi đi ra ở đầu horn đạt biên độ tối đa. Tức là tại đầu hàn có năng lượng siêu âm cực đại. Khi đó mật độ năng lượng siêu âm tại đầu hàn lớn nhất để có thể "hàn" được. Sự "hàn" ở đây chính là làm nóng chảy cục bộ vật liệu cần hàn.
Chẳng hạn, bạn hàn dây đồng 3mm, đầu hàn có kích thước phi 5 -> S = 3,14*(2,5)^2 = khoảng 16mm2. Công suất siêu âm 80W -> Mật độ năng lượng siêu âm đã là 500W/cm2. Nếu P=800W, mật độ này đạt tới 5kW/cm2 !!!
Bạn cần tra thêm giá trị trở kháng âm của một số vật liệu để tìm được vật liệu thích hợp làm đầu hàn: trở kháng âm thấp nhưng nhiệt độ nóng chảy cao, để có thể hàn được đồng.

[HTTTTH]

Vật liệu mình hàn là 1 thanh đồng vào 1 tấm đồng. Bề mặt tiếp xúc hàn là 3 mm. Mình không biết công suất cần để hàn là bao nhiêu? Còn 800W là công suất tối đa của đầu hàn (welding transducer), theo trong catalog. Theo bạn thì công suất cần là bao nhiêu? Cám ơn bạn đã quan tâm!

Có lẽ 800W là mật độ công suất, 800W/cm2. Mà bạn có thể cho tôi biết kích thước của chấn tử của bạn không? Tôi hơi băn khoăn về giá trị công suất này đó nhé.

[zzogod]

Mình sẽ gửi hình ảnh kích thước của transducer trong catalog. Còn đầu hàn đã có sẵn trên máy, đã được sử dụng nhưng giờ hư phần máy.phát.

[HTTTTH]

Như vậy là thiết bị của bạn còn phải có thêm horn, nối tiếp về phía cục nhôm. Cục nhôm thì không bị nóng, mà đầu ra của horn mới nóng.
Thì ra đây là chấn tử kiểu Langevin 4 phiến áp điện, bạn lưu ý đừng đụng vào con vít nhé. Đụng vào là cụm chấn tử này hoạt động kém ngay.
Tôi có 1 bài ứng dụng về hàn polymer bằng siêu âm, do máy tính hỏng nên mất file rồi. Chỉ nhớ rằng nó hoạt động đồng thời ở 2 tần số là 20kHz và 67kHz. Hàn liên tục. Hàn được mấy tấm polymer đặt chồng lên nhau, quên mất (hình như là 8 lượt)
Còn thiết bị hàn nhôm thì tôi có xem rồi, chấn tử bé tí, vì dây nhôm chỉ có đường kính khoảng 0,1-0,3mm. Cũng chồng 4 biến tử lên nhau.