Nghiên cứu phương pháp phục hồi biến tử áp điện trong đầu dò của máy đo sâu, dò cá

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHỤC HỒI BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN TRONG ĐẦU DÒ CỦA MÁY ĐO SÂU, DÒ CÁ RESEARCH METHODS OF RECOVERY PIEZOELECTRIC ELEMENT IN TRANSDUCER OF THE FISH FINDER MACHINE Lê Trọng Dũng1, Nguyễn Duy Tâm2, Trương Văn Chương3, Nguyễn Văn Ơn4, Trần Tiến Phức5 Ngày nhận bài: 21/9/2015; Ngày phản biện thông qua: 08/12/2015; Ngày duyệt đăng: 15/3/2016 TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả phục hồi các biến tử áp điện làm đầu dò siêu âm của máy đo sâu, dò cá không còn sử dụng được, theo hai phương pháp: Giữ nguyên dạng các biến tử, chỉ phân cực lại (nếu điện cực còn tốt), mạ lại điện cực rồi phân cực (nếu điện cực đã bị hỏng) hoặc nghiền nhỏ các biến tử đã hư hỏng hoàn toàn để lấy nguyên liệu chế tạo mẫu gốm áp điện khác. Kết quả thực nghiệm cho thấy biến tử chỉ phân cực lại có tần số cộng hưởng theo bán kính gần trùng với ban đầu, hệ số chuyển đổi điện cơ kp tăng từ 0.31 lên 0.55. Biến tử xử lý phủ cực và phân cực lại, tần số cộng hưởng theo phương chiều dày và bán kính đều dịch chuyển về tần số cao, hệ số chuyển đổi điện cơ dao động theo phương bán kính kp tăng từ 0.56 lên 0.62. Với phương pháp o nghiền và thiêu kết lại, hệ số kp sau khi nung tại nhiệt độ 1150 C là 0.54, bằng 80% so với không thiêu kết là 0.66. Như vậy, ta có thể khôi phục lại các biến tử áp điện đã hư hỏng theo cả hai phương pháp tùy theo loại đã vỡ hay loại chỉ bong điện cực và lão hóa. Từ khóa: áp điện, phục hồi, chuyển đổi điện cơ, dò cá ABSTACT The paper shows the results of the recovery of the unworkable piezoelectric element which was used in ultrasonic homing device of the fi sh fi nder machine. We try to recover the unworkable piezoelectric element follow two methods. The fi rst method was polarize or plate again the element electrodes. The second was to grind up the completely damage elements and then use this material to fabricate the new elements. The results show that the piezoelectric element with only electrode re-polarization has the resonant frequency follow the radius which was nearly equal to the origin frequency and radius, the electromechanical conversion coeffi cient kp increases from 0,31 to 0,55. While the coated and polarized electrode element has the resonant frequency follow the thickness direction and the radius shift to the high frequency, the electromechanical conversion coeffi cient kp follow the radius direction, and kp increases from 0,56 to 0,62. With the new elements fabricated 0 by annealing at 1150 C has kp is 0,54 that is equal to 80% of kp of without annealing element. From the research results, we can recover the unworkable piezoelectric element used in transducer of the fi sh fi nder machine follow two methods mentioned above depending the status of the devices. Keywords: piezoelectric element, recovery, electromechanical conversion coeffi cent, fi sh fi nder 1 Lê Trọng Dũng, 2Nguyễn Duy Tâm: Viện Hải dương học Nha Trang 3 Trương Văn Chương, 4Nguyễn Văn Ơn: Trường Đại học Khoa học Huế 5 Trần Tiến Phức: Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Nha Trang 26 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 I. ĐẶT VẤN ĐỀ gốm bằng nhiều phương pháp khác nhau Để chế tạo một biến tử áp điện dùng [1,2,3]. Hình 1 mô tả một quy trình chế tạo trong đầu dò của máy đo sâu, dò cá thì từ biến tử áp điện bằng phương pháp phản ứng các vật liệu được phối trộn và tạo ra bột pha rắn. Hình 1. Quy trình chế tạo một biến tử gốm áp điện theo phương pháp tổng hợp pha rắn Chúng ta biết rằng, các mẫu gốm sau khi tử có xu hướng giảm dần hay nói cách khác phân cực có kích thước và tính chất khác với chúng sẽ bị lão hoá theo thời gian. Khi chịu chưa phân cực (hình 2). Theo quy luật, chúng tác động của của các điều kiện bất lợi như sự luôn có xu hướng quay về tình trạng ban đầu, va đập, nhiệt độ cao, đặc biệt là quá trình hoạt nghĩa là theo thời gian, tính áp điện của biến động liên tục làm tốc độ lão hóa tăng lên. Hình 2. Mẫu gốm áp điện trước và sau khi phân cực Ngoài những nguyên nhân bất khả kháng II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU như trên làm cho biến tử áp điện trong đầu dò Các mẫu nghiên cứu là các biến tử áp điện có hiệu suất giảm đi, chúng còn có thể bị hư của các đầu dò trong máy đo sâu dò cá đã bị hỏng như lớp điện cực bị bong, rộp hoặc lớp hư hỏng, không còn được sử dụng. Để khôi phối hợp trở kháng tách khỏi biến tử cũng dẫn phục các biến tử áp điện, chúng tôi đã tiến đến mất khả năng làm việc của đầu dò. Như hành bằng phương pháp thực nghiệm theo hai vậy, thường xuyên có một số lượng lớn đầu dò cách: Một là khôi phục nguyên dạng, không không còn đáp ứng cho máy đo sâu, dò cá. Mặt thay đổi kích thước; hai là phá mẫu, nghiền khác, máy đo sâu, dò cá đã trở nên phổ biến nhỏ, đúc mẫu và thiêu kết lại (mẫu được thu trong khai thác thủy sản ở Việt Nam nhưng đầu nhỏ phù hợp với nghiên cứu thí nghiệm). dò đang hoàn toàn phải nhập khẩu. Từ đó, việc 1. Phân cực lại biến tử áp điện nghiên cứu để đưa ra các giải pháp khôi phục, Để tránh hiện tượng làm rạn nứt mẫu khi đặc biệt là khôi phục biến tử áp điện, phần gia tăng nhiệt độ do ứng suất trong biến tử, chính của đầu dò siêu âm trong máy đo sâu, chúng tôi kết hợp 2 phương pháp: làm mất dò cá, có một ý nghĩa rất quan trọng. phân cực bằng cao thế một chiều (DC) sau đó TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 27 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 gia nhiệt với tốc đô 1oC/phút tới 500oC và lưu trong một giờ [1,4]. Phủ điện cực bằng keo bạc (1) trên bếp hồng ngoại, sau đó đem ủ ở nhiệt độ 500oC trong hai giờ. Phân cực với điện trường 20 kV/cm ở nhiệt độ 120oC trong 30 phút, (2) giữ nguyên điện trường và hạ xuống nhiệt Với f , f là tần số phản cộng hưởng và độ phòng. a r cộng hưởng. 2. Phá mẫu và thiêu kết lại Làm sạch lớp điện cực trên biến tử. Nghiền III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN biến tử thành bột mịn bằng cối, trộn với chất 1. Chế tạo keo bạc chảy LBO (LiBiO2), bù 3% Oxyt chì (PbO) tiếp Keo bạc là hỗn hợp của Oxyt bạc với nhựa tục nghiền trên máy nghiền hành tinh trong 24 thông và các phụ gia khác được hoà tan trong giờ. Ép tạo khuôn hình tròn với đường kính xăng. Ag2O được tạo ra và kết tủa khi cho 13mm, chiều dày 2mm ở áp lực 2 tấn/cm2, AgNO3 tác dụng với NaOH theo phản ứng nung thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau: 900, 2AgNO3 + 2NaOH > Ag2O +2NaNO3 +H2O 1100, 1150 và 1200oC với tốc độ gia nhiệt 5oC/ Hỗn hợp keo bạc bao gồm Ag2O, dung môi phút. Mẫu sau khi thiêu kết được gia công lại hoà tan (xăng), nhựa thông, một ít Pb(BO2)2. theo tiêu chuẩn IRE-61 [5]. Chế tạo keo bạc H2O, Bi2O3 và thầu dầu. Khi nung ở nhiệt độ từ AgNO3 (Phần này chúng tôi sử dụng theo cao Ag được tạo thành bám lên mặt gốm. phương pháp tạo keo bạc từ phòng thí nghiệm 2. Mẫu phân cực lại vật lý chất rắn, Trường Đại học Khoa học Huế). 2.1. Mẫu vẫn còn lớp điện cực tốt Mạ nóng điện cực bằng keo bạc và phân cực Đối với loại mẫu này chúng ta tiến hành tại điện trường 25 kV/cm. Phổ cộng hưởng áp phân cực ở điện trường 20 kV/cm, nếu không điện của mẫu gốm được xác định trên hệ đo có kết quả thì chuyển sang phương pháp thiêu Hiok -3532 tự động hóa. Hệ số chuyển đổi điện kết lại. Kết quả phân tích phổ cộng hưởng cơ theo phương bán kính kp được tính theo áp điện trước và sau phân cực trên máy đo công thức (1), theo phương chiều dày kt theo chuyên dụng Hioki-3532 và Impedance HP- các công thức chuẩn IRE-61 và 87 [5,6]. 4193A cho thấy mẫu đã được phục hồi. Hình3. Phổ cộng hưởng áp điện của biến tử trước và sau khi phân cực lại Trở kháng Zmin giảm nhiều, hiệu số tần Tần số cộng hưởng (fr) và phản cộng hưởng cộng hưởng tăng lên gần (fa) đều dịch về cả hai phía tần số thấp và tần số gấp đôi so với trước khi phân cực (bảng 1). cao. Sự mở rộng phổ cho thấy đặc tính áp điện 28 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 của biến tử đã đươc cải thiện. Đặc biệt là fa Tính toán hệ số chuyển đổi cơ điện dao động đã dịch về vùng cộng hưởng của mạch theo phương bán kính kp theo công thức (1) điện tử thu phát sóng siêu âm (50kHz) nên đã tăng gần gấp đôi so với lúc chưa phân độ nhạy của máy càng được nâng cao. cực lại. Bảng 1. Các thông số trước và sau khi phân cực lại của biến tử Tham số của biến tử fa (kHz) fr (kHz) Δf (kHz) kp Trước khi phân cực 52.4 54.5 2.1 0.309 Sau khi phân cực 50.2 57.8 7.6 0.557 2.2. Mẫu bong lớp điện cực giống như thí nghiệm phần trên (mục 2.1) cho Mẫu được làm mất phân cực và phân cực thấy đặc tính gốm đươc cải thiện so với trước. lại với cao thế 20 kV/cm. Kết quả đo cho thấy Ở dao động theo phương chiều dày, phổ áp đối với dao động theo phương bán kính phổ điện dich chuyển về phía tần số cao. Sự dịch cộng hưởng trước và sau gần trùng khớp (hình chuyển tần số này có thể trong quá trình xử lý 4a), trong khi theo phương dao động chiều điện cực đã làm cho kích thước chiều dày thay dày có sự dịch chuyển tần số cộng hưởng đổi. Vấn đề này cần phải lưu ý nếu tần số hoạt khá nhiều sang phía tần số cao (hình 4b). Đối động của máy không thể điều chỉnh được cho với dao động theo phương bán kính, phổ áp phù hợp với tần số cộng hưởng sau khi làm lại điện cũng có xu hướng mở rộng ra cả hai phía điện cực do lấy dao động chuẩn từ thạch anh. a) b) Hình 4. Phổ cộng hưởng áp điện của biến tử trước (BT-01-50) và sau khi làm lại (BT-DCMoi) a) dao động theo phương bán kính, b) dao động theo chiều dày Tính toán cho ta kp trước khi phân cực là 0.563, sau phân cực là 0.622, tăng thêm xấp xỉ 10%. Hiệu số tần số Δf dao động theo phương bán kính cũng được tăng lên. Bảng 2. Các tham sô gốm áp điện trước và sau khi làm lại Biến tử fa (kHz) fr (kHz) Δf (kHz) kp fa (kHz) fr (kHz) Δf (kHz) kt BT-01 49.6 57.3 7.7 0.563 203.1 214 11.1 0.374 BT-DCMoi 49.0 58.8 9.8 0.622 208.8 220.5 11.7 0.353 3. Mẫu đã hỏng phải thiêu kết lại Phân tích đường trễ sắt điện và biến thiên điện môi theo nhiệt độ (hình 5) cho thấy, mẫu gốm áp điện đang nghiên cứu là loại gốm mềm với điện trường kháng , phân cực dư . TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 29 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 Hình 5. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo nhiệt độ (a) và dạng đường trễ sắt điện (b) của mẫu gốm từ biến tử trong đầu dò Hình 6 là phổ cộng hưởng áp điện của mẫu không thiêu kết (BT-Doca). Kết quả tính toán cho thấy, mẫu có hệ số kp=0.66 là khá lớn, gần đạt tới giá trị ban đầu (kp= 0.7). Các biến tử trong đầu dò của máy đo sâu, dò cá được chế tạo trên nền gốm hệ PZT, khi thêm phụ gia LBO và bù chì cỡ 3% khối lượng, thiêu kết 0 o Hình 6. Phổ cổng hưởng áp điện của mẫu gốm trong dải nhiệt độ từ 900 C đến 1200 C. không thiêu kết Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của phổ cộng hưởng áp điện và giá trị kp tương ứng với các mẫu có nhiệt độ thiêu kết khác nhau được chỉ ra trên hình 7. Hình 7. Phổ cộng hưởng áp điện và hệ số kp của gốm được nung thiêu kết tại các nhiệt độ khác nhau: 900, 1050, 1150 và 1200oC 30 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 Trong tất cả các mẫu thiêu kết lại, hệ số Trong đó, mẫu chỉ phân cực lại vừa yêu liên kết điện cơ (kp= 0.54) thấp hơn so với mẫu cầu thiết bị đơn giản hơn vừa đưa tần số cộng không thiêu kết (kp= 0.66), cùng chế độ phân hưởng của đầu dò theo hướng về trùng với tần cực. Chúng ta biết rằng, mẫu gốm khi thiêu kết số hoạt động của máy nên chất lượng thu phát thường được làm từ bột gốm sau khi nung sơ tín hiệu sẽ rất tốt. bộ (nhiệt độ đối nung với hệ PZT cỡ 850oC). Mẫu mạ lại điện cực vừa yêu cầu quy trình Trong thí nghiệm này, khi mẫu gốm thiêu kết và thiết bị phức tạp hơn vừa gây lệch tần số ra lại làm từ chính vật liệu đã thiêu kết (nhiệt độ xa. Hiện tại, chỉ nên sử dụng biến tử áp điện thiêu kết đối với hệ PZT thường là từ 1050 tới loại này trên những máy vi chỉnh được tần số o 1200 C). Do đó, đây có thể là nguyên nhân làm cho đồng bộ với nhau. Cần tiếp tục nghiên cứu cho hệ gốm khi thiêu kết lại có đặc tính áp điện cách loại bỏ điện cực cũ bằng phương pháp kém hơn. ăn mòn hóa học để không làm thay đổi kích IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ thước mẫu nhằm hạn chế gây lệch tần số Hiện tại, trong nước chưa sản xuất được cộng hưởng. đầu dò của máy đo sâu, dò cá cho ngư dân Việt Mẫu thiêu kết lại có quy trình và yêu cầu Nam mà đang phải nhập khẩu. Phần tử quan thiết bị phức tạp nhất. Cần tiếp tục nghiên cứu trọng nhất của đầu dò là biến tử gốm áp điện các giải pháp để ổn định thành phần vật liệu mà các hóa chất để chế tạo nó đòi hỏi độ tinh như ban đầu để đảm bảo hệ số liên kết điện khiết rất cao, chiếm tỉ lệ lớn trong giá thành. Kết cơ và tần số cộng hưởng sau khi khôi phục đạt quả nghiên cứu này đã khẳng định rằng: với được như các đầu dò mới nhập khẩu. Trong điều kiện thiết bị hiện có chúng ta hoàn toàn có đó, xác định chính xác tỉ lệ và cách bù chì do thể khôi phục lại các biến tử thu phát siêu âm bay hơi khi nung thiêu kết gốm ở nhiệt độ cao trong đầu dò của máy đo sâu dò cá đang dùng là yếu tố rất quan trọng sẽ được nghiên cứu phổ biến trên tàu khai thác thủy sản. tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trương Văn Chương (2001), Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật lý của gốm áp điện hệ PbTi03 pha La, Mn, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Viện Khoa học Vật liệu - Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia. 2. Nguyễn Đình Tùng Luận (2011), Chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của gốm áp điện nhiều thành phần (1-x)Pb(ZrzTi1-z)O3-xPb[(Sb1/2Nb1/2)y(Mn1/3Nb2/3)1-y]O3, Luận án Tiến sỹ Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế. 3. Lê Đại Vương (2014), Nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở PZT và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe. Luận án Tiến sỹ Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế. 4. Thân Trọng Huy (2014), Chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của gốm áp điện nhiều thành phần [(1-x) Pb(Zr,Ti)O3– xPb(Mn1/3Nb2/3)O3] (PZTPMnN) pha tạp đất hiếm, Luận án Tiến sỹ Vật lý, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 5. “IRE Standards on Piezoelectric Crystals 1961”, Proc. IRE, pp. 1162 –1169, July 1961. 6. An American National Standard (1987), IEEE Standard on Piezoelectricity, ANSI/IEEE Std 176-1987. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 31