Khảo Sát Mạch Đo Kích Thước Bằng Sóng Siêu Âm

Khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm giúp xác định chính xác kích thước và hình dạng của các đối tượng trong nhiều lĩnh vực.

• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Đề tài: Khảo Sát Mạch Đo Kích Thước Bằng Sóng Siêu Âm
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: SÓNG SIÊU ÂM - CƠ SỞ - CÁC PHẦN TỬ CỦA SÓNG SIÊU ÂM
• 1.1. SÓNG SIÊU ÂM VÀ CƠ SỞ CỦA SÓNG SIÊU ÂM
• 1.2. BIẾN TỬ SIÊU ÂM
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA SÓNG SIÊU ÂM
• 2.1. DÙNG SIÊU ÂM TRONG KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM
• 2.2. THIẾT BỊ TẨY RỬA SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM
• 2.3. HỆ THỐNG PHÁT HIỆN ĐỘT NHẬP VÀ DI ĐỘNG
• 2.4. THIẾT BỊ ĐO KHOẢNG CÁCH SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM
• 2.5. THIẾT BỊ GIA CÔNG VẬT LIỆU CỨNG BẰNG SIÊU ÂM
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ ĐO KÍCH THƯỚC BẰNG SÓNG SIÊU ÂM
• 3.1. Chức năng các khối
• 3.2. Mạch thu phát sóng siêu âm
• 3.3. Mạch điều khiển thu phát
• 3.4. Mạch giải mã hiển thị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Khảo Sát Mạch Đo Kích Thước Bằng Sóng Siêu Âm

Khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Phương pháp này sử dụng sóng siêu âm để đo đạc kích thước của các vật thể với độ chính xác cao. Sóng siêu âm có khả năng truyền qua nhiều loại vật liệu, giúp xác định kích thước mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Điều này mang lại nhiều lợi ích trong các ứng dụng công nghiệp và y tế.

1.1. Khái Niệm Về Sóng Siêu Âm

Sóng siêu âm là dao động cơ học có tần số cao hơn 20 kHz, không thể nghe thấy bằng tai người. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến công nghiệp. Việc hiểu rõ về sóng siêu âm là cần thiết để áp dụng hiệu quả trong khảo sát mạch.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Kỹ Thuật Siêu Âm

Kỹ thuật siêu âm đã được phát triển từ những năm 1950 và đã có nhiều ứng dụng trong y học và công nghiệp. Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh, nghiên cứu về sóng siêu âm đã được chú trọng nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Khảo Sát Mạch Đo Kích Thước

Mặc dù có nhiều ứng dụng, việc khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm vẫn gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, việc lựa chọn thiết bị phù hợp là rất quan trọng. Thứ hai, độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố như môi trường truyền sóng và chất liệu của vật thể. Cuối cùng, việc xử lý tín hiệu thu được cũng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo kết quả chính xác.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác

Độ chính xác của mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tần số sóng, môi trường truyền và chất liệu của vật thể. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện độ chính xác trong phép đo.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Lựa Chọn Thiết Bị

Việc lựa chọn thiết bị phát và thu sóng siêu âm phù hợp là một thách thức lớn. Các thiết bị này cần phải đáp ứng được yêu cầu về tần số và độ nhạy để đảm bảo kết quả đo chính xác.

III. Phương Pháp Khảo Sát Mạch Đo Kích Thước Bằng Sóng Siêu Âm

Phương pháp khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, sóng siêu âm được phát ra từ biến tử phát và sau đó được phản xạ lại từ bề mặt của vật thể. Tín hiệu phản xạ sẽ được thu lại và xử lý để xác định kích thước của vật thể. Việc áp dụng các công nghệ mới trong xử lý tín hiệu cũng giúp nâng cao độ chính xác của phép đo.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Mạch Đo

Mạch đo kích thước hoạt động dựa trên nguyên tắc phát và thu sóng siêu âm. Khi sóng siêu âm va chạm vào bề mặt vật thể, một phần sóng sẽ được phản xạ lại. Thời gian từ khi phát đến khi thu sóng sẽ được sử dụng để tính toán khoảng cách.

3.2. Thiết Bị Cần Thiết Để Khảo Sát

Các thiết bị cần thiết cho khảo sát bao gồm biến tử phát, biến tử thu, và các mạch xử lý tín hiệu. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến kết quả khảo sát.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Khảo Sát Mạch Đo Kích Thước

Khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Trong y tế, nó được sử dụng để đo kích thước của các cơ quan nội tạng. Trong công nghiệp, phương pháp này giúp kiểm tra kích thước và chất lượng của sản phẩm. Việc áp dụng sóng siêu âm trong đo lường mang lại nhiều lợi ích về độ chính xác và hiệu quả.

4.1. Ứng Dụng Trong Y Tế

Trong y tế, sóng siêu âm được sử dụng để thực hiện các phép đo không xâm lấn, giúp bác sĩ xác định kích thước và hình dạng của các cơ quan nội tạng. Điều này rất quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp, khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm giúp kiểm tra chất lượng sản phẩm. Phương pháp này cho phép phát hiện các khuyết tật mà mắt thường không thể nhìn thấy.

V. Kết Luận Về Khảo Sát Mạch Đo Kích Thước Bằng Sóng Siêu Âm

Khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Với những ứng dụng đa dạng trong y tế và công nghiệp, phương pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và cải tiến trong tương lai. Việc nghiên cứu và ứng dụng sóng siêu âm không chỉ nâng cao chất lượng giảng dạy mà còn góp phần vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật.

5.1. Tương Lai Của Kỹ Thuật Siêu Âm

Kỹ thuật siêu âm sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các công nghệ mới. Việc nghiên cứu sâu hơn về sóng siêu âm sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực khác nhau.

5.2. Đề Xuất Nghiên Cứu Thêm

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về ứng dụng của sóng siêu âm trong các lĩnh vực khác nhau. Việc này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các phương pháp đo lường hiện tại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm" được thực hiện bởi sinh viên Phan Văn Lộc (MSSV: 98221436, lớp 98NKĐĐ) dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Quách Thanh Hải tại Bộ môn Điện tử, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 3 năm 2002.

Bối cảnh thực tiễn của nghiên cứu xuất phát từ sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự kết hợp giữa kỹ thuật điện tử và công nghệ siêu âm. Lĩnh vực siêu âm mang lại nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, quân sự và y học. Tuy nhiên, tại thời điểm thực hiện đề tài (năm 2002), kỹ thuật siêu âm chưa được ứng dụng rộng rãi trong nước, nguồn tài liệu tham khảo chuyên ngành còn hạn chế và các linh kiện điện tử chuyên dụng cho siêu âm tương đối khó tìm trên thị trường.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu sơ lược về bản chất vật lý, cơ sở truyền sóng và các phần tử biến tử siêu âm.
2. Khảo sát các ứng dụng kỹ thuật cơ bản của sóng siêu âm trong thực tế sản xuất và đời sống.
3. Thiết kế, tính toán và thi công thực nghiệm mạch đo kích thước (khoảng cách) ứng dụng sóng siêu âm nhằm củng cố kiến thức điện tử và tích lũy kinh nghiệm thực hành.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là các vấn đề kỹ thuật của sóng siêu âm, cụ thể là cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạch đo kích thước sử dụng biến tử siêu âm. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc khảo sát lý thuyết cơ bản và thực hiện mô hình phần cứng thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong mốc thời gian tháng 3/2002. Tác giả đặt ra giả thiết nghiên cứu: việc đo kích thước bằng sóng siêu âm phụ thuộc chặt chẽ vào môi trường truyền dẫn do vận tốc truyền âm thay đổi theo từng chất liệu và điều kiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt lý thuyết, đề tài dựa trên cơ sở vật lý âm học và lý thuyết mạch điện tử:

• Khái niệm sóng đàn hồi và phân vùng phổ âm thanh: sóng đàn hồi lan truyền trong môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí) và không truyền được trong chân không.
• Lý thuyết về các dạng sóng âm: sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt và sóng bản mỏng (sóng Lamb).
• Cơ chế chuyển đổi năng lượng điện cơ thông qua hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) của các tinh thể tự nhiên ($\text{SiO}_2$), muối Rochelle ($\text{NaKC}_4\text{H}_4\text{O}_6$) và gốm nhân tạo ($\text{BaTiO}_3$, $\text{PbZrTiO}_3$), cùng hiệu ứng từ giảo (magnetostrictive effect) của các vật liệu từ như Niken, Coban, Pecmendur.
• Cơ sở truyền và phản xạ sóng tại mặt phân cách dựa trên sự chênh lệch trở kháng âm ($Z = \rho v$) và hiệu ứng dịch tần Doppler ($\Delta f = \frac{2 f v \cos\theta}{V}$).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo hai hướng chính:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: Thu thập, chọn lọc và hệ thống hóa lý thuyết từ các giáo trình chuyên ngành vi mạch tương tự, kỹ thuật xung số, cẩm nang vi mạch tuyến tính và tài liệu kỹ thuật siêu âm.
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Trực tiếp tính toán thông số linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý, lắp ráp và căn chỉnh mạch điện phần cứng bằng các công cụ, thiết bị đo kiểm điện tử.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I - Chương I: Sóng siêu âm - Cơ sở và các phần tử của siêu âm

Chương này trình bày toàn diện các khái niệm nền tảng về trường âm và các linh kiện chuyển đổi năng lượng âm học:

Vùng phổ âm	Dải tần số	Đặc tính lan truyền
Vùng hạ âm	$1\text{ Hz} - 16\text{ Hz}$	Dao động cơ học dưới ngưỡng nghe của tai người
Vùng âm tần	$16\text{ Hz} - 20\text{ kHz}$	Vùng âm thanh cảm nhận được bởi tai người
Vùng siêu âm	$20\text{ kHz} - 10\text{ MHz}$	Năng lượng lớn, bước sóng ngắn, tính định hướng cao
Vùng cao tần	Từ $10\text{ MHz}$ trở lên	Dùng trong các cấu trúc kiểm tra vi mô chuyên sâu

Nội dung phân tích các đặc trưng vật lý của sóng siêu âm bao gồm mật độ năng lượng cao (ví dụ: năng lượng sóng siêu âm $1\text{ MHz}$ gấp một triệu lần sóng âm $1000\text{ Hz}$ ở cùng biên độ), tính định hướng theo góc mở $\sin\theta = 1{,}22 \frac{\lambda}{D}$, chiều dài vùng gần $r \approx \frac{D^2}{4\lambda}$, và trở kháng âm $Z = \rho v$.

Chương I làm rõ hiện tượng phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách hai môi trường theo định luật Snell, hệ số phản xạ năng lượng $R = |\frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1}|^2 \times 100%$, sự suy giảm biên độ theo khoảng cách $A_x = A_0 e^{-\alpha x}$, cùng hai hiện tượng đặc thù trong môi trường chất lỏng là chảy âm (acoustic streaming) và xâm thực sóng (cavitation).

Phần biến tử siêu âm phân loại chi tiết:

• Biến tử áp điện: Hoạt động ở tần số cao, công suất nhỏ. Phân tích cấu trúc thạch anh ($\text{SiO}_2$) cắt theo các trục X (trục điện), Y (trục cơ), Z (trục quang); gốm áp điện Titanat Bari ($\text{BaTiO}_3$) nung ở $1320^\circ\text{C}$ và phân cực $1-2\text{ kV/mm}$ ở $120^\circ\text{C}$; gốm PZT ($\text{PbZrTiO}_3$) chịu nhiệt đến $330^\circ\text{C}$.
• Biến tử từ giảo: Hoạt động ở tần số thấp, công suất lớn (hàng trăm Watt đến hàng chục Kilowatt). Trình bày hiệu ứng từ giảo thuận/nghịch trên thanh Niken, hiện tượng nhân đôi tần số khi không phân cực từ ($f' = 2f$) và giải pháp đặt từ trường phân cực tĩnh $H_0 = \text{const}$ để tuyến tính hóa dao động, cùng quy trình ủ cán mỏng lá Niken $0{,}1 - 0{,}5\text{ mm}$ ở $850^\circ\text{C}$ nhằm triệt tiêu tổn hao dòng điện Fuco.

Phần I - Chương II: Các ứng dụng cơ bản của sóng siêu âm

Chương II khảo sát 6 nhóm ứng dụng kỹ thuật và thực tiễn của sóng siêu âm:

1. Kiểm tra chất lượng sản phẩm (NDT): Khảo sát phương pháp bóng âm (thu tín hiệu truyền qua) và phương pháp xung phản xạ (xung dội dùng 1 hoặc 2 biến tử). Đưa ra dải tần số lựa chọn theo cấu trúc vật liệu: Nhôm/Đồng ($10\text{ MHz}$), Sứ gốm ($2\text{ MHz}$), Thép đúc ($0{,}5 - 2\text{ MHz}$).
2. Thiết bị tẩy rửa siêu âm: Khai thác hiện tượng xâm thực sóng ở dải tần $20 - 60\text{ kHz}$ và nhiệt độ dung dịch $30 - 50^\circ\text{C}$. Chương khảo sát thành phần hóa chất tẩy rửa chuyên dụng:

Đối tượng tẩy rửa	Thành phần dung dịch	Nhiệt độ làm việc
Thép rất bẩn	$\text{Na}_3\text{PO}_4\ (30\text{ g/l}) + \text{NaCl}\ (5 - 25\text{ g/l})$	$50^\circ\text{C}$
Thép thông thường	Thủy tinh lỏng $(20\text{ g/l}) + \text{Na}_2\text{CO}_3\ (30\text{ g/l}) + \text{Na}_3\text{PO}_4\ (5\text{ g/l})$	$50^\circ\text{C}$
Thép rỉ sét	$\text{HNO}_3\ (40%) + \text{HCl}\ (10%) + \text{H}_2\text{O}\ (50%)$	$50^\circ\text{C}$
Thép hợp kim Cr, Ni	$\text{H}_2\text{SO}_4\ (4%) + \text{HNO}_3\ (9%) + \text{HCl}\ (13%) + \text{H}_2\text{O}\ (74%)$	$50^\circ\text{C}$
Kim loại nhôm	$\text{NaOH}\ (100\text{ g/l}) + \text{NaBr}\ (50\text{ g/l})$	$40 - 60^\circ\text{C}$

3. Hệ thống phát hiện đột nhập và di động: Dựa trên hiệu ứng dịch tần Doppler $\Delta f = \frac{2 f v \cos\theta}{V}$, làm việc ở dải tần $38 - 40\text{ kHz}$.
4. Thiết bị đo khoảng cách: Dựa trên nguyên lý đo thời gian truyền xung $L = \frac{v \cdot t}{2}$ và quy đổi thời gian sang số lượng xung đếm hiển thị.
5. Gia công vật liệu cứng: Sử dụng biến tử từ giảo kích động hạt mài (Oxid nhôm, kim cương) để khoan cắt vật liệu cứng, giòn như thủy tinh, gốm sứ và ứng dụng khoan răng trong nha khoa.
6. Ứng dụng trong y khoa: Chẩn đoán hình ảnh khối u sớm ở não, tim, mắt, gan, sỏi thận, theo dõi tim thai và phẫu thuật thần kinh chọn lọc bằng chùm siêu âm hội tụ không gây chảy máu.

Phần II: Thiết bị đo kích thước bằng sóng siêu âm

Phần này đi sâu vào cấu trúc phần cứng chi tiết của hệ thống đo kích thước, bao gồm sơ đồ khối chức năng, nguyên lý hoạt động và tính toán thông số linh kiện cho từng khối: khối dao động phát, khối điều chế số lượng xung, khối công suất phát, khối chuyển mạch thu phát, khối khuếch đại thu, khối logic điều khiển trình tự, khối tạo xung đếm, khối đếm BCD và giải mã LED 7 đoạn.

Thiết kế và triển khai hệ thống đo kích thước

Hệ thống đo kích thước được thiết kế hoàn toàn bằng các vi mạch rời CMOS, vi mạch tương tự Op-amp và linh kiện bán dẫn phổ dụng:

Tên khối chức năng	Vi mạch / Linh kiện chính	Thông số kỹ thuật và nhiệm vụ
Dao động tạo xung phát	IC CD4011 (cổng NAND)	Mạch dao động đa hài phi trạng thái bền CMOS, tạo xung vuông dải tần $100\text{ kHz} - 200\text{ kHz}$ ($C = 1000\text{ pF}$, $R = 3{,}3\text{ k}\Omega$ nối tiếp biến trở $\text{VR} = 5\text{ k}\Omega$).
Điều khiển số lượng xung	IC CD4011	Mở cổng trong khoảng thời gian $T = 200,\mu\text{s}$ để cho phép một chùm từ 20 đến 40 xung đi qua ($R = 27\text{ k}\Omega$ nối tiếp $2{,}2\text{ k}\Omega$).
Khuếch đại công suất phát	Transistor BC109	Transistor NPN ($I_{C\max} = 0{,}1\text{ A}$, $h_{FE} = 200 - 500$) hoạt động ở chế độ khóa đóng ngắt, nâng dòng cấp cho biến tử phát siêu âm.
Chuyển trạng thái thu/phát	IC CD4066	Vi mạch 4 khóa tương tự CMOS chiều ($R_{on} = 80 - 250,\Omega$), đóng dẫn tín hiệu phát đến biến tử và cách ly hoàn toàn mạch thu trong thời gian phát để chống quá tải.
Khuếch đại tín hiệu thu	3 tầng Op-amp $\mu\text{A}741$	Mạch khuếch đại không đảo 3 tầng ghép liên tiếp, nâng tín hiệu mức microvolt ($\mu\text{V}$) lên mức Volt tương thích logic ($R_1 = 10,\Omega, R_2 = 2\text{ M}\Omega$).
Điều khiển chu trình thu/phát	IC CD4017	Mạch đếm Johnson 10 trạng thái được cấp xung nhịp $3{,}3\text{ Hz}$ ($T = 0{,}3\text{ s}$): ngõ ra $Q_5$ kích hoạt xóa (Reset) mạch đếm, $Q_6$ kích phát chùm xung và chuẩn bị nhận tín hiệu phản hồi để chốt dữ liệu.
Dao động xung đếm	IC CD4069 (cổng NOT)	Tạo chuỗi xung nhịp clock chuẩn tần số $163\text{ kHz} - 328\text{ kHz}$ cấp cho bộ đếm, quy đổi thời gian truyền sóng thành đơn vị đo chiều dài thực tế ($1\text{ mm}$ tương ứng 1 xung).
Đếm thập phân sang BCD	IC MC14553 / CD4553	Vi mạch đếm đồng bộ 3 digit BCD tích hợp mạch chốt và mạch dao động quét hiển thị đa hợp (Multiplexing) qua các transistor lái anode.
Giải mã và hiển thị	IC CD4511 & 3 LED 7 đoạn	Giải mã BCD sang mã 7 đoạn điều khiển trực tiếp 3 LED 7 đoạn loại Katot chung (Common Cathode).
Bộ nguồn cấp điện	Biến áp, Cầu Diode 1A, LM7809	Cung cấp điện áp ổn định $+9\text{ V DC}$ cho toàn bộ các khối mạch CMOS và Op-amp.

Chu trình hoạt động của mạch diễn ra tuần hoàn:

1. Mạch định thời $3{,}3\text{ Hz}$ kích IC CD4017 bắt đầu chu kỳ mới.
2. Tại $Q_5$, lệnh Reset đưa toàn bộ bộ đếm MC14553 về trạng thái 0.
3. Tại $Q_6$, cổng NAND mở cho phép chùm $20 - 40$ xung siêu âm tần số cao qua transistor BC109 đưa ra biến tử phát, đồng thời IC CD4066 đóng mạch phát và khóa ngõ vào mạch khuếch đại thu.
4. Cùng lúc, xung clock tần số cao ($163 - 328\text{ kHz}$) bắt đầu được nạp vào bộ đếm MC14553.
5. Khi chùm sóng phát đi gặp vật cản và phản xạ trở lại biến tử thu, tín hiệu điện áp nhỏ được 3 tầng $\mu\text{A}741$ khuếch đại, kích hoạt mạch logic chốt giữ dữ liệu (chân DIS của MC14553 chuyển lên mức cao).
6. Giá trị số xung đếm được giải mã qua CD4511 và hiển thị cố định trên 3 LED 7 đoạn nhờ phương pháp quét tần số cao, hoàn tất một phép đo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Tổng hợp đầy đủ hệ thống cơ sở lý thuyết về âm học siêu âm, cơ chế bức xạ, suy giảm, phản xạ, khúc xạ và các công thức tính toán biến tử áp điện, từ giảo.
• Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý phần cứng cho hệ thống đo kích thước không tiếp xúc, phối hợp hoạt động đồng bộ giữa các IC logic CMOS (CD4011, CD4069, CD4017, CD4066, MC14553, CD4511) và Op-amp $\mu\text{A}741$.
• Mạch phần cứng đạt các chỉ tiêu: kết cấu nhỏ gọn, chi phí linh kiện thấp, sử dụng nguồn đơn $+9\text{ V}$, khả năng chống nhiễu tốt nhờ cấu hình khóa tín hiệu thu trong thời gian phát và phương pháp quét hiển thị LED 7 đoạn tiết kiệm đường mạch.
• Giải quyết được bài toán đo kích thước tại các vị trí hoặc môi trường mà phương pháp thủ công khó tiếp cận.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận bao gồm:

• Thiết bị chỉ thực hiện đo đạc chính xác khi bề mặt vật thể đo có khả năng phản xạ âm tốt; đối với các vật thể hấp thụ âm hoặc không tạo ra sóng phản xạ thì hệ thống không thể đo được.
• Sai số phép đo còn chịu ảnh hưởng bởi sự dao động vận tốc truyền âm trong không khí khi nhiệt độ và độ ẩm môi trường thay đổi.
• Chưa tích hợp vi điều khiển để tự động bù nhiệt hoặc tự động hiệu chỉnh phi tuyến tính cho các môi trường đo phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khi thực hiện các môn học về Kỹ thuật xung - số, Mạch tích hợp tương tự hoặc làm đồ án tốt nghiệp liên quan đến cảm biến siêu âm.

Nội dung phần tính toán mạch dao động đa hài CMOS, tầng khuếch đại vi sai Op-amp độ nhạy cao, phương pháp ghép nối khối đếm BCD MC14553 với vi mạch giải mã CD4511 quét LED 7 đoạn và bảng dữ liệu dung dịch tẩy rửa siêu âm là những phần có giá trị ứng dụng thực hành trực tiếp.

Câu hỏi thường gặp

Đồ án sử dụng loại biến tử siêu âm nào cho mạch đo kích thước?
Mạch sử dụng biến tử siêu âm áp điện (piezoelectric transducer) nhờ ưu điểm kích thước nhỏ gọn, làm việc tốt ở dải tần số cao và công suất tiêu tán nhỏ, phù hợp cho các thiết bị đo lường điện tử.

Tại sao mạch cần khối chuyển trạng thái thu phát sử dụng IC CD4066?
Khối chuyển mạch CD4066 có nhiệm vụ cách ly hoàn toàn ngõ vào của mạch khuếch đại thu trong suốt thời gian phát xung công suất cao. Điều này ngăn ngừa hiện tượng xung phát truyền trực tiếp sang mạch thu gây quá tải hoặc kích hoạt chốt dữ liệu sai lệch trước khi sóng phản xạ từ vật cản quay về.

Hệ thống quy đổi khoảng cách sang số xung đếm như thế nào?
Khi sóng siêu âm truyền đi và phản xạ trở lại trong $1\text{ giây}$, quãng đường truyền là $v\text{ (m)}$. Do khoảng cách từ biến tử đến vật cản bằng một nửa quãng đường ($L = \frac{v \cdot t}{2}$), mạch dao động tạo xung đếm được thiết lập ở dải tần số từ $163\text{ kHz}$ đến $328\text{ kHz}$ để mỗi xung nạp vào bộ đếm MC14553 tương ứng với $1\text{ mm}$ khoảng cách thực tế.

Biến tử từ giảo cần điều kiện gì để dao động phát sóng không bị méo dạng?
Biến tử từ giảo phải được phân cực mạch từ bằng một từ trường không đổi $H_0 = \text{const}$. Phân cực tĩnh giúp triệt tiêu hiện tượng nhân đôi tần số góc ($2\omega$) và đưa điểm làm việc vào đoạn tuyến tính nhất của đường cong biến thiên kích thước $\Delta l / l$ theo cường độ từ trường $H$.

Giải pháp hiển thị 3 chữ số trên LED 7 đoạn được thực hiện như thế nào trong mạch?
Tác giả sử dụng IC đếm 3 digit MC14553 kết hợp với IC giải mã CD4511. MC14553 xuất lần lượt mã BCD của từng hàng (đơn vị, chục, trăm) ra các ngõ ra chung $Q_0 - Q_3$ và đồng thời cấp xung điều khiển quét qua các chân $\text{DS}_1, \text{DS}_2, \text{DS}_3$ để đóng ngắt transistor cấp nguồn cho từng LED 7 đoạn theo phương pháp quét đa hợp dựa trên hiện tượng lưu ảnh của mắt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm" của sinh viên Phan Văn Lộc đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết âm học siêu âm và các ứng dụng kỹ thuật thực tiễn. Tác giả đã thiết kế và triển khai thành công mô hình phần cứng mạch đo kích thước không tiếp xúc sử dụng hoàn toàn linh kiện rời và vi mạch số/tương tự chuẩn. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của kỹ thuật đo khoảng cách bằng sóng siêu âm, đồng thời tạo tiền đề tham khảo kỹ thuật cho các đề tài phát triển hệ thống cảm biến và đo lường điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG Il: CAC UNG DUNG CO BAN CUA SONG SIEU AM I DUNG SIEU AM TRONG K TRA CHAT LUGNG SAN PHAM 24 1. Phương pháp bóng âm 25 2. Phương pháp xung phản xạ 27 3. Một số vấn đề cần chú ý 31 II.

THIẾT BI TAY RỬA SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM 1. Các yêu cầu của phương pháp tẩy rửa bằng sóng siêu âm 32 3. Nguyên lý hoạt động của thiết bị tẩy rửa dùng sóng siêu âm 34 4. đặc điểm của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm 34 11.

HỆ THỐNG PHÁT HIỆN ĐỘT NHẬP VÀ DI ĐỘNG 1. Các khái niệm ban đầu 35 2. Cơ sở của hệ thống phát hiện đột nhập và di động 35 3. chức năng và nhiệm vụ của từng thành phần trong hệ thống 37 IL THIET BI DO KHOẢNG CÁCH SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM 1.

Cơ sở đo khoảng cách bằng sóng siêu âm 38 2. Nguyên tắc chung 39 3. Chức năng nhiệm vụ - yêu cầu từngkhối 40 IV. THIET BI GIA CONG VAT LIEU CỨNG BẰNG SIÊU ÂM 1.

hoạt động của thiết bị 42 4. ỨNG DỤNG SÓI AM TRONG NGANH Y KHOA PHAN IL: THIẾT BỊ ĐO KÍCH THƯỚC BẰNG SÓNG SIÊU ÂM A. Chức năng các khối 45 8. MACH THU PHAT SONG SIEU AM.

BG dao động tạo xung 47 2. Mach tao xung cấp cho mạch công suất biến tử phát 48 4Ä. Mạch điều khiển số lượng xung đưa đến biến tử 49 4. Mạch công suất phát 50 5.

Khoi chuyển trạng thái cho biến tử thu phát 50 6. Mạch khuếch đại tín hiệu thư 51 C. MACH DIEU KHIEN THU PHAT. Mạch tạo xung Clock cấp cho điều khiển đóng mở thu phát 52 2.

Mạch điều khiển đóng mở thu phat va reset s2 3. Mạch điều khiển tác động thu phát 54 4. Bộ tạo xung chốt giữ 55 D. MACH GIAI MA HIEN THI 1.

Dao động tạo xung Clock cấp cho mạch đếm thập phan sang BCD 55 2. Mạch đếm thập phân sang BCD 56 3. Hiển thị giải mã led 7 đoạn 58 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CUA TOAN MACH 60 Luan Yan Tot Aghiep DAN NHAP 1, Đặt vấn để ; Cùng với sự phát triển cửa khoa học kỹ thuật ngày càng iến bộ. Ngành điên tử đã đồng góp nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống, đánh dấu bước nhảy vọt về khoa học kỹ thuật trong thế giới hiện đại.

Những tiến bộ này đã tạo nên những sắn phẩm mang đẩy trí tuỆ sáng tạo của con người. Trong sự phát triển khoa học đó, ngành siêu âm" cũng ra đời đã đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển này, Sự kết hợp giữa lĩnh vực diện tử và kỹ thuật siêu âm đã cho ra những sẵn phẩm kỹ thuật ứng dụng rất phong phú trong công nghiệp, nông nghiệp, quân sự, y học v. Vì vậy nghiên cứu về lĩnh vực siêu ầm điểu quan trọng để làm nền tang cho các kỹ thuật tiến bộ sử dụng lĩnh vực siều âm và làm tài liệu tham khảo cho những bạn sinh viền am này để sáng tao ra những ứng dụng kỹ thuật mới và tiến bộ hơn, 2. Gidi han của vấn để: * Có rất nhiều những ứng dụng của kỹ thuật siêu âm trong nhiều lĩnh vực của đời Xông, Nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên người làm để tài không thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật siéu âm.

Người làm để tài có thể Gm hiểu những vấn để cơ bản của kỹ thuật siêu âm như sau :. + Sơ lược về sóng siêu âm. + Các ứng dụng cơ bản của sóng siều âm. + Khảo sát mạch đo kích thước bằng sóng siêu âm.

Mục tiêu nghiên cứu : Để tìm hiểu sâu hơn về kỹ thật siêu âm, ta phải tiến hành khảo sát mạch ứng cụ thể vào thực tế, Khi làm thực tế sẽ tiếp xúc được nhiều kinh nghiệm trong quá dụng khảo sát, mở rộng kiến thức vé các ứng dụng siêu âm và củng cố được các kiến trìnhthức cơ bản của kỹ thuật điện tử, 4. Đối tượng nghiên cứu : Do thời gian có hạn nên người nghiên cứu không thể giới thiệu được hết các ứng dụng của siêu âm. Trong thời gian ngắn chỉ có thể tham khảo những điều cơ bản của kỹ thuật siêu âm. Vì vậy đối tượng để nghiên cứu chủ yếu là những vấn để của kỹ thuật siêu âm mà cụ thể là khảo sát mạch đo kích thước dùng sóng siêu âm.

Trang| Luin Yan Tot Sghiep 5. Giả thiết nghiên cứu ; Việc đo kích thứoc bằng sóng siêu am này chưa đựợc khả thỈ lắm. Vì vận tốc truyền của sóng siều âm trong mỗi chất liệu là khác nhau. Phương pháp nghiên cứu và phương tiện nghiên cứu : Phương pháp tham khảo tài liệu : Tham khẩo và chọn lọc các tài liệu để rút ra các kiến thức có liên quan để tổng hợp dưa vào đổ án, => Phương tiện : tạp chí điện tứ ; các sách kỹ thuật chuyên môn.

Phương pháp thực nghiệm : ve hiện thi công trực tiếp mạch điện để từ đó có thể rút ra các kinh nghiệm thực ác qui trình thực hiên để có kết quả chính xác đưa vào để tài. Phương tiện : các dụng cụ liền quan phục vụ cho quá trình thi công. Trang 2 Luan Yan Tot Äfuep + PHẨNT SƠ LƯỢC VỀ SÓNG SIÊU ÂM Nương 1 SONG Situ AM - CƠ SỞ - CÁC PHẨN TỬ CỦA SIÊU ÂM 1 SÓNG SIÊU ÂM VÀ CƠ SỞ CỦA SÓNG SIÊU ÂM: óng siêu âm là gì ? a. Khái niệm: £ ngày chúng ta trao đổi với nhau chủ yếu bằng âm thanh.

Chúng ta hehe nhac, nghe điện thoại. chính là nghe các ám thanh.Trẻ em tập nghe đài, nói là làm quen, với các âm thanh, Ngày này còn người hiểu rò sóng ấm thanh là các dao động cơ học (sóng đàn hồi) lần tuyền trong môi trường đàn hồi. Sóng âm thanh đều có thể truyền được trong chất ran. Chan khong không phải là môi trường đàn hồi nên chúng được xem là môi trường cách ấm lý tưởng Sóng đàn hồi được phân chia theo các vùng tần số sau: + Vùng hạ âm : tân số dao động từ 1Hz đến 16Hz, + Vùng âm tân : tần số đao động từ 16Hz đến 20KHz.

+ Vùng siêu âm : tẩn số dao động từ 20KHz đến 10MH¿, + Vùng cao tấn : tần số dao 4 động từ 10MH¿ trở lên, eo léi Vin on lãi Tóm lại : Sóng siêu âm là dao =——- ><--- > động cơ họcsóng đàn hổi) truyền trong môi trường vật 1 chất và chiếm dãy tần số từ i | nas 20KHz đến I0MHz. et i Ĩ ặc điểm cửa sóng siêu | | are * Sóng siêu âm mang năng lượng lớn so với sóng âm, Biểu đồ phân bố năng lượn Trang ở Xuận Tân Tốt Sighiep Ví dự : ĐỂ đun sôi một lít nước mà lấy năng lượng từ nguồn sóng âm phát ra có tan số khoảng 1000Hz thì phải huy động 7 triệu người la của con người suốt 12 giờ. Trong khi đó năng lượng sóng siêủ âm tần số,I hét liên tye trong. MHz sẽ lớn gấp một triệu lần năng lượng sóng âm ở tần số 1000Hz với điều kiện cùng một biên Sóng siều âm mang năng lượng lớn như vậy nên cường độ của nó có thể độ dao động.

trăm, hang đạt tớihàng ngàn W/em), s Sóng siêu âm có bước sóng ngắn (4 = ? nên nó có tính định hướng rất cao, nghĩa là năng lượng sóng phát ra được tập trung vào một phương nhất định. ® Trong một điều kiện nhất định sẽ xảy ra hiện tương xâm thực sóng. + Khoảng cách truyền sóng siêu âm phụ thuộc vào bản chất của môi trường sóng. truyền * Cường độ và độ ổn định của sóng siéu âm phụ thuộc vào biến tử phát sóng am siêu ® Sông siGu Aim có Khổ năng truyền xiên quá các vật thể.

Phần loại sóng siêu ấm ; Ta trên cơ sở so sánh phương truyền sóng với chiểu dịch chuyển của các hạt trong môi trường tuyển sóng mã người ta chia ra làm các loại sau : a. Song doc : Là sóng mà có phương dịch chuyển của các hạt trong môi trường truyền sóng cùng Ä 5 oy Phuong truyén ——> Phung truyén > Chiều chuyển động của. các hạt trong môi trường phương với phương truyền sóng. + Sóng dọc truyền với vận tốc lớn.

+ Môi trường truyền sóng Ïš chất rắn, lồng, khí, Trang 4 Luan Yan Tét Ngtiep b. Song ngang : Hinh thanh khi céc phan uf trong m6i trường chuyển động vuông góc với phương, truyền sóng. Sóng này chỉ xuất hiện trong môi trường chất rắn. Sóng này có vận tốc Phương truyền Phương truyền — 2 ———_—> <9>-<0> Chiều chuyển động chủ yếu t † cầu các hạt trong môi trường: SST YI ° Chiều chuyển động của.

các hạt của môi trường truyền thấp, © Sóng mặt: Là sông truyền ở bể mãi phân cách giữa hai mồi trường khác nhau. TOF Z9: Ze PN0 ogy WO 3 Là sỏng truyền ở bể mặt phán cách giữa hai môi trường khác nhau. Sóng bản mỏng(lamh): = acta Sóng lamb đối xứng: 3 MORI oy YR Rp RORY ý oN Sóng lamb không đối xứng: Vv NOR Rp v„vaŸ CRO MIR WV ov aN Trang§ kuận Yan Tot Nghiep 3. Các thông số đặc trưng của môi trường truyền : 4.

Âm trở (trở kháng âm) là đặt trưng tính chất của môi trường truyền sóng, có thể gọi là độ vang hay độ đội của sóng âm trong môi trường. “Trở kháng âm của môi trường : Z=pv +7 :Rayls + p :mật độ môi trường(kg/m”) + v :vận tốc lan truyỄn trong mồi trường. Vân tốc : là quảng dưỡng sóng truyển di dược trong một đơn vị thời gian. Vận tốc phụ thuộc.

\ầu mốt số yếu tố sau: ®- Đồ nền: vật liệu càng khó nén thì vận tốc truyển ấm cảng cao và ngược lại. ® Mẫt đề ÿ vật Hệu có mát đó dày đát tạo bởi các hạt lớn thì vận tốc lan truyền càng, tha ` + Trong cùng một môi trường thì vận tốc truyền sóng không thay đổi, tức vận tốc không phụ thuộc vào tần số mà chỉ phụ thuộc vào kết cấu của môi trường mà thôi. + Chất rắn : Sóng đọc ; với - 1z là hệ số đàn hổi với Œ:là độ cứng, Sóng mặt : Luan Yan Tốt Aghi¢p + Chất lồng - khí: c. Âm áp và cường độ : P=2zZa Âm ấp(áp suất âm) là đại lượng đặc trưng sức căng, sức nén của vật liệu.

+ /: là tần số lan truyền, + Z là trở kháng ẩm, + &: là biên độ dao động, Cường độ: 4.