Tập bài giảng Kỹ thuật siêu âm tần

, gây ra sóng phản xạ và tán xạ quay về đầu dò và thu nhận được tại đây. Thời gian sóng âm đi đến và quay về từ mặt phản xạ sẽ xác định độ sâu của mặt phản xạ hoặc khoảng cách đi được của chùm siêu âm: 2. tcz  (3.3) Trong đó: c là vận tốc truyền âm; t/2 là thời gian cho sóng âm đi từ mặt phản hồi đến đầu dò. t là thời gian truyền (thời gian từ lúc xung phát đến khi thu nhận một sóng phản xạ) Hình 3.15: Nguyên tắc của phạm vi tín hiệu dội 103 Ví dụ: Thời gian cần thiết để thu được tín hiệu dội biết vận tốc trung bình của siêu âm trong mô là c = 1540m/s, khoảng cách mặt phân cách là 1cm. áp dụng công thức trên ta có: czt 2 = s131540102 2   Độ lớn của biên độ sóng phản xạ phụ thuộc vào biên độ sóng phát đi, góc tới của sóng âm và trở kháng âm của mặt phản hồi. Đầu dò sẽ biến đổi sóng phản xạ thành tín hiệu điện nhờ hiệu ứng áp điện ngược. Tín hiệu điện này mang thông tin về biên độ, thời gian thu lại các thông tin này sau đó được xử lý và thể hiện trên màn hình. 2. Các phương pháp tạo ảnh Cách tạo ảnh siêu âm được phân loại theo số chiều không gian và thời gian mà ảnh được thể hiện. Chiều trong không gian là phương pháp truyền của sóng siêu âm Chiều theo thời gian thể hiện độ sâu theo phương truyền. a. Tạo ảnh kiểu A (Amplitude mode): - ảnh kiểu A là ảnh một chiều không gian và một chiều thời gian. Hình 3.16: Nguyên lý tạo ảnh kiểu A Nguyên lý được thực hiện như sau: P1, P2 là hai xung phát siêu âm. Quá trình có tính chu kỳ, khoảng giữa hai thời điểm phát đầu dò thu tín hiệu phản xạ. V1, V2, V3 là các vật siêu âm trên đường truyền (mặt phản xạ) khi gặp các vật này, một phần sóng siêu âm tiếp tục truyền đi đến các mặt phản xạ khác và phản xạ trở lại, cứ thế tiếp tục ta nhận được các tín hiệu phản xạ khác nhau của các vật phản xạ khác nhau trên đường truyền. Các tín hiệu phản xạ này được chuyển V1 V2 V3 P1 P2 Hai xung phát siêu âm Mặt phản xạ trên đường truyền (khuyết tật) Các tín hiệu phản xạ tại mặt phân cách được chuyển thành tín hiệu điện nhờ hiệu ứng áp điện và thể hiện trên màn hình là xung hình tam giác. (xung tín hiệu phản hồi khuyết tật) T1 T2 T3 104 thành tín hiệu điện nhờ hiệu ứng áp điện của đầu dò và nó được thể hiện trên màn hình là các xung hình tam giác. ảnh kiểu A mô tả cấu trúc vật chất trên đường tia siêu âm đi qua: Tín hiệu hồi âm thể hiện bằng xung dao động hình gai (xung hình tam giác) qua hệ thống trục tung và trục hoành. Chiều cao của xung thể hiện độ lớn của biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí của xung thể hiện khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi. Trên màn hình trục X là trục quét thời gian, tốc độ quét do máy quy định Ta có: z = c.t thời gian t có thể được đo trên máy, c vận tốc sóng siêu âm trong môi trường nước c =1000m/s. Thay trục X làm trục độ sâu, trục Y đặc trưng cho biên độ sóng phản xạ, khoảng thời gian giữa 2 xung phát phụ thuộc vào nhịp phát xung. Do sóng siêu âm bị hấp thụ trong môi trường nên ở độ sâu nào đó năng lượng sóng phản xạ sẽ giảm đi đáng kể nên sóng phản xạ về đầu dò là quá yếu và khi đó bộ thu không làm việc được. Để khắc phục người ta dùng bộ khuếch đại mà bộ khuếch đại của nó có thể thay đổi theo một chương trình đã được lập sẵn để bù lại sự suy giảm của năng lượng sóng siêu âm trên đường truyền. Bộ khuếch đại là TGC (Time Gain Compensation) và được lắp ở đầu thu. Vật thể cần kiểm tra Khuyết tật Đầu dò Phản xạ mặt ngoài Phản xạ mặt ngoài Xung tín hiệu phản hồi khuyết tật Hình 3.17: Hình ảnh thu được theo phương pháp tạo ảnh kiểu A 105 ứng dụng của tạo ảnh kiểu A: Loại hình thể hiện này kiểm tra các môi trường vật chất đơn giản: đo độ sâu, dò khuyết tật . vì có độ chính xác cao. b. Tạo ảnh kiểu B: Hình ảnh thu được biểu diễn trên một mặt phẳng mà các tia siêu âm đi qua nó mô tả cấu trúc vật chất của vật kiểm tra trong mặt phẳng đó qua cường độ sáng tối của các điểm ảnh. *. Tạo ảnh kiểu B tĩnh là (Brightness mode): P1 P2 Tín hiệu chưa khuếch đại TGC TGC Tín hiệu sau khuếch đại TGC Tín hiệu sau khuếch đại TGC t t t II III I Độ KĐ ở độ sâu khác nhau, độ sâu lớn (biên độ sóng phản xạ nhỏ) hệ số khuếch đại càng tăng lên Có TGC đã bù lại phần năng lượng bị môi trường hấp thụ các tín hiệu ở độ sâu hơn cũng có biên độ lớn bằng tín hiệu ở gần đầu dò. Hình 3.18: Bù hệ số khuếch đại theo thời gian Khuyết tật ảnh thu được Phương di chuyển của đầu dò Hình 3.19: Phương pháp tạo ảnh kiểu B tĩnh 106 Tín hiệu hồi âm được thể hiện bởi những chấm sáng. Độ sáng của chấm thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí của chấm sáng xác định khoảng cách đầu dò đến mặt phản xạ. Tạo ảnh kiểu B tĩnh được gọi là kiểu quét tay hay tạo ảnh thời gian không thực. Đầu dò dịch chuyển bằng tay trên bề mặt tiếp xúc. Biên độ sóng phản xạ được đưa qua một mạch so sánh để biến thành một điểm trên màn hình tương ứng với độ sáng của chấm. Ta thấy rằng dù biên độ sóng phản xạ lớn hay nhỏ thì trên màn hình ta chỉ có một điểm sáng với độ chói cố định. Vì đầu dò di chuyển trên những mặt có đường cong khác nhau nên vị trí đầu dò trong không gian được xác định bằng tọa độ cực, nó là hàm số của góc và khoảng cách. Trong khi đó ảnh được tạo ra trên màn hình được biểu diễn trên tọa độ trực giao XY. Vì vậy ở phương pháp này ta cần phải có một bộ phận chuyển tọa độ để làm tương ứng giữa vật và ảnh. ảnh siêu âm là ảnh của mặt cắt theo phương thẳng đứng trong khi đó ảnh ta quan sát trên màn hình là theo phương ngang. Vì vậy phải chuyển tọa độ khi thu nhập ảnh và tọa độ hiển thị lên màn hình. Vì thế trong phương pháp tạo ảnh kiểu B động cần phải có hai bộ chuyển đổi tọa độ. Bộ biến đổi trực giao F(X,Y), bộ biến đổi tọa độ xoay mặt phẳng góc 900. *. Tạo ảnh kiểu B động: (tạo ảnh bằng phương pháp có điều khiển) Có 2 loại: + Tạo ảnh kiểu B động tuyến tính: Đầu dò có nhiều phần tử áp điện được đặt liên tiếp nhau khi đó ta sẽ lần lượt cho các phần tử áp điện phát và thu theo một chương trình đã được định Vật (,r) Bộ biến đổi tọa độ F(x,y) Bộ biến tọa độ xoay mặt phẳng 900 ảnh F(x,y) Hình 3.21: Sơ đồ khối bộ biến đổi ảnh Vật (,r) Bộ biến đổi tọa độ ảnh F(x,y) Hình 3.20: Bộ chuyển đổi tọa độ 107 trước ta sẽ được ảnh siêu âm hai chiều. Số phần tử áp điện thay đổi tùy theo thiết kế của mỗi hãng từ vài chục đến vài trăm phần tử. Chương trình phát thu sóng siêu âm cho mỗi kiểu đầu dò khác nhau. Chương trình này được lập sẵn vào trong bộ nhớ ROM. Để tập trung năng lượng vào các vùng sâu nhất, ta cần phải hội tụ chùm tia, người ta dùng thấu kính điện tử là dựa trên nguyên lý giao thoa của các chùm tia với độ lệch pha khác nhau. + Tạo ảnh kiểu B động dải quạt: Đầu dò chỉ gồm một phần tử áp điện. Sự di chuyển của đầu dò được thực hiện bằng các dao động ở một vị trí cố định được gọi là tâm dải quạt. Biên độ dao động được gọi là góc mở của dải quạt. Góc mở càng rộng, tầm nhìn càng rộng thì độ phân giải kém. Chương trình thu phát sóng siêu âm cho mỗi đầu dò là cố định đối với mỗi loại máy, mỗi chủng loại đầu dò và cho mỗi hãng. Các chương trình được nạp vào bộ nhớ ROM. Việc điều khiển sự dao động của phần tử áp điện thường bằng động cơ nên đôi khi người ta gọi phương pháp này là phương pháp quét cơ điện. c. Tạo ảnh kiểu TM (time modion mode): Tạo ảnh kiểu TM là một cách thể hiện khác của phương pháp tạo ảnh kiểu A. Phương pháp TM cho ta khảo sát sự chuyển động của mặt phân cách trên một đường truyền của sóng siêu âm như trong kiểu A nhưng không phải theo thời gian thực của đối tượng nghiên cứu mà theo quy định của máy. ở phương pháp tạo ảnh kiểu A tại vị trí T1, T2, T3 biểu diễn biên độ của ảnh, nhưng trong trường hợp này ta biểu diễn vị trí T1, T2, T3 bằng các điểm trên màn hình qua mạch so sánh và cho phương truyền di chuyển từ trên xuống dưới hoặc ngược lại. Hình 3.22 : Phương pháp tạo ảnh kiểu TM Đường quét theo phương truyền của sóng siêu âm là đường quét nhanh. Đường quét để tách nhanh mang thông tin về độ sâu của vật cản trên đường truyền của sóng siêu âm. Đường quét chậm thường được thiết kế có vận tốc bằng vận tốc của máy đo tín hiệu BCG nghĩa là 25 và 50mm/s. Người ta dùng hai vận Đầu dò Chiều quét Phương truyền sóng siêu âm P1 P2 108 tốc này làm chuẩn, để tạo tín hiệu đồng bộ điện tim hoặc tín hiệu sinh học khác của tim như phono, áp lực van để có thể so sánh giữa pha của tín hiệu này với sự mở của van tim. 3. Xử lý tín hiệu siêu âm a. Xử lý trước ảnh + Sự khuếch đại: Tín hiệu phản xạ của sóng siêu âm được thu nhận tại đầu dò, trước khi thể hiện thành hình ảnh đều được xử lí. Một trong nhưng bước xử lí quan trọng là khuếch đại tín hiệu phản xạ của sóng siêu âm là quá nhỏ. Hệ số khuếch đại thường được tính bằng dB, là tỷ số giữa biên độ sau khi khuếch đại và biên độ trước khi khuếch đại. KdB = 20lg 12UU (dB) Trong đó KdB : hệ số khuếch đại thường được tính bằng dB ; U2 : biên độ tín hiệu phản xạ sau khi khuếch đại ; U1 : biên độ tín hiệu phản xạ trước khi khuếch đại. ví dụ : KdB = 40 dB nghĩa là : 20lg 12UU = 40 => lg 12UU = 2 = lg 102 => 12UU = 100 Hãy tính hiệu ra được khuếch đại 100 lần so với tín hiệu vào ban đầu. + Khuếch đại bù theo độ sâu: Trong khi khuếch đại tín hiệu, một yếu tố không thể bỏ qua là hiện tượng sóng siêu âm bị suy hao trong quá trình lan truyền trong môi trường, hiệu quả của hiện tượng này là do tín hiệu trở về của đầu dò ở độ sâu càng lớn thì có biên độ càng nhỏ, vì vậy phải có một phần công suất bù lại công suất suy hao năng lượng sóng siêu âm nói trên. các bộ khuếch đại DGC hay TGC (DGC hay TGC: Depth Gain Compensation or Time Gain Compensation ) thực chất là hệ số khuếch đại gia tăng theo thời gian, sau khi siêu âm được truyền đi những tín hiệu hồi âm từ những mặt phản hồi ở xa thì được khuếch đại nhiều hơn so với tín hiệu hồi âm ở gần. + Khuếch đại bờ (EE: Edge Enhancement): Khuếch đại bờ có tác dụng tăng độ phân dải theo phương của tia siêu âm bằng cách tăng độ vi phân của tín hiệu, khi tăng EE, hình siêu âm được biểu thị có các hạt nhỏ hơn, các bề mặt vuông góc với phương truyền của tia siêu âm được vẽ ra rõ hơn, vì vậy phép xử lí này là khuếch đại bờ 109 + Dải động của tín hiệu (DR : Dynamic Range) như đã nói ở trên, hình ảnh siêu âm hai chiều được tao bởi tín hiệu phản hồi của sóng siêu âm, ghi lại theo vị trí dưới dạng ma trận và trình tự thời gian với tốc độ thời gian thực. Các tín hiệu phản hồi này nằm trong khoảng biên độ tín hiệu rất rộng. Các mặt phân cách mô mềm/không khí cho tín hiệu phản hồi lớn nằm trong khoảng 1 : 10V các mặt phân cách mô mềm/xương cho tín hiệu phản hồi trong một khoảng 100mV : 1V. các mặt phân cách các cơ quan (bề mặt các cơ quan) cho tín hiệu phản hồi nằm trong khoảng 10V: 100mV. Các nhu mô của các cơ quan cho tín hiệu phản hồi vào khoảng 10V. Như vậy những tín hiệu thu được nằm trong khoảng 10mV : 10V là tỉ lệ minUUmx = 106 hay nói cách khác min max U U = 120 dB. Nhưng thực chất trong chuẩn đoán người ta không cần quan sát toàn bộ dải tín hiệu cùng một lúc. Về mặt ý nghĩa, dải động khoảng biên độ tín hiệu có thể biểu diễn và tỉ lệ giữa tín hiệu thứ nhất và tín hiệu nhỏ nhất trong khoảng tín hiệu cần quan tâm. Các dải động được chọn thường được biểu diễn 64 mức xám. Thay đổi dải động của tín hiệu để đáp ứng độ tương phản của màn hình siêu âm cực đại. Các giá trị DR thấp cần thiết khi chẩn đoán tim mạch. Các giá trị DR cao cho phép biểu thị các cấu trúc và do đó thường được sử dụng khi chẩn đoán nội tổng quát + Lưu ảnh tương quan: Độ tương quan có thể hiểu là sự trung bình hóa theo thời gian bộ nhớ ảnh. Trung bình theo thời gian có thể thực hiện sao cho các thộng tin mới được ghi vào bộ nhớ thì một phần thông tin cũ cần có thể dữ lại. thông tin đã được lưu giữ và thông tin mới nhận kết hợp lại để tạo ra ảnh mới theo tỉ lệ có thể lựa chọn bằng giá trị hiện tại trên giá trị đã cho trước, chất lượng sản phẩm đều có thể dùng trong những trường hợp ảnh không thể thay đổi hoặc thay đổi trậm (ví dụ : vùng bụng, mạch ngoại vi). Để cải thiện tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tức là cải thiện ảnh, tạo hiệu ứng làm dịu ảnh nhờ loại bỏ những nhiễu tức thời gây ra cho các chuyển động cơ, mô b. Xử lí hình sau khi tạo ảnh (Post Processing). Chức năng này cho phép người sử dụng làm nổi rõ hoặc làm mờ đI các mức xám (grey scale) riêng lẻ hoặc nhóm mức xám ở các ảnh siêu âm, để giúp cho đọc hình được dễ dàng nhất bằng cách thay đổi hệ số khuếch đại cho các mức 110 xám, hình 3.1.3 là một ví dụ. Hiệu sử lí được thực hiện ở mode thời gian (B - mode) hoặc ở chế độ ảnh dừng. 3.2.2. Cấu trúc cơ bản của thiết bị siêu âm y tế. 1. Nhiệm vụ của thiết bị Phát chùm tia, nhận tín hiệu dội trở về và xử lý tín hiệu cho hiển thị. Các thay đổi trong việc nhận và xử lý, phân tích và hiển thị các tín hiệu dội trở về để phân biệt các loại thiết bị siêu âm. 2. Sơ đồ khối 3.2.3. Chức năng và nguyên lý làm việc 1. Sự thu nhận tín hiệu: Quá trình truyền và nhận tín hiệu của đầu dò: Hiển thị Xử lý điện tử Đồng bộ chủ Bộ thu Bộ phát Xung khởi động quét thời gian Xung khởi động bộ phát Xung khởi động cho TGC và cổng Xung khởi động xử lý điện tử Tín hiệu phát Tín hiệu dội Tín hiệu RF vật thể Xung kích thích Hình 3. 23: Sơ đồ khối máy siêu âm y tế cơ bản 111 Hình 3.24: Sóng âm được khởi tạo bởi xung kích thích đặt vào đầu dò tới mặt phân cách. Tín hiệu dội dưới dạng các sóng, tới tinh thể và gây ra một tín hiệu tần số radio (RF) theo hiệu ứng áp điện. Dạng sóng tín hiệu RF nhại lại dạng sóng siêu âm do vậy các thay đổi điện áp tương ứng với thay đổi áp suất cảm ứng trong tinh thể. Tín hiệu RF cỡ V hoặc mV được khuếch đại lên 1V hoặc 10V đưa vào xử lý và hiển thị. Hình 3.24: Tín hiệu dội trở về tạo ra tín hiệu RF 2. Xử lý tín hiệu: Các tín hiệu RF được tạo ra trong đầu dò bởi các tín hiệu dội trở về được khuếch đại và hiển thị nhưng nó cần xuất hiện dưới dạng tương tự xung âm thanh gửi đi. Nếu gặp nhiều mặt phân cách sự đan xen các tín hiệu thu được hiển thị trở lên rắc rối để dễ quan sát phải xử lý trước khi hiển thị. Hình 3.25: So sánh tín hiệu RF và dạng sóng âm Tín hiệu RF tạo ra Đuôi tín hiệu dội mặt phân cách Tín hiệu RF tạo ra trong tinh thể Dạng sóng âm Xung kích thích mặt phân cách Sóng âm thanh 112 Quá trình xử lý như sau: Sử dụng mạch chỉnh lưu sau khi tín hiệu đã được khuếch đại và đã qua khuếch đại TGC. Có thể các thành phần của sóng RF bị loại bỏ thay vì đảo phần âm tín hiệu RF thành phần dương. Các đỉnh xung của sóng RF tạo lên đường bao tín hiệu tạo cho tín hiệu xử lý có thể khuếch đại hơn nữa cho mục đích hiển thị. Quá trình bao gọi là giải điều chế và được hoàn thành bằng đưa tín hiệu qua mạch đáp ứng thời gian chậm. Hình dáng tổng thể của xung được giữ lại nhưng các dao động nhanh bị mất. Hình 3. 26: Quá trình điều chế + Thông thường vùng dưới đường tín hiệu được bao có thể đo được bằng cách thực hiện phép tích phân: diện tích vùng này được biểu diễn như 1 xung nhọn trong chế độ A. Diện tích vùng này biểu diễn như 1 điểm trong chế độ quét khác. Hình 3. 27: Phép tích phân Khi biên độ của tín hiệu RF tăng ứng với diện tích dưới đường bao lớn hơn và do đó làm tăng chiều cao của xung nhọn hoặc độ sáng của chấm sáng. Điều khiển loại bỏ (điều khiển chặn hoặc ngưỡng) có thể thêm vào để loại bỏ đỉnh Tín hiệu RF sinh ra Đường bao Tín hiệu bao Khoảng cách Biên độ Biên độ Khoảng cách 113 dưới hoặc trên một mức nào đó được chọn bởi người vận hành. Điều khiển loại bỏ tương tự như bộ tách mức thấp (mức cao) sử dụng trong các hệ đếm phóng xạ. Sự loại bỏ tín hiệu làm giảm dải động. Hình 3.28: Xử lý chặn 3. Hiển thị: ống tia cathode(CRT) là thiết bị đầu ra đơn giản sử dụng cho việc hiển thị. Là ổng thuỷ tinh rút hết chân không lớn (áp suất thấp) với hiệu điện thế 10.000V từ mặt sau tới mặt trước. Điện áp 10000V làm tăng tốc các điện tử phát ra từ katot bắn vào màn hình. Vòng họi tụ nằm gần sợi đốt giữ các điện tử thành chùm tia hẹp. Màn hiển thị được bao phủ bởi vật liệu fôtfo sẽ được phát ra khi tia điện tử va tới. Hai phiến trường hoặc điện dùng để điều khiển chùm tia theo trục X (sang phải, sang trái) và trục Y (lên xuống màn hình). Hai phiến này cho phép chùm tia được định vị ở bất kỳ vị trí nào trên màn hình. Hình 3.29: Các thành phần cơ bản của ống tia cathode Biên độ Khoảng cách 10000V ống thủy tinh Phiến làm lệch X Phiến làm lệch Y Sợi nung Bộ hội tụ Tia điện tử Màn photpho 114 Hai phiến điều khiển như sau: Hình 3.30: Nguyên lý điều điều khiển tia điện tử Điện trường được tạo ra khi điện áp đặt vào: Nếu không có điện áp đặt vào thì không có điện trường các điện tử chuyển động theo đường thẳng (đường nét đứt) tới tâm màn hình. Nếu có điện áp đặt vào ((+) đặt vào 1 phiến, (-) đặt vào một phiến còn lại) sẽ làm chệch hướng chùm tia về phái dương. Đặt 1 điện áp thay đổi tuyến tính vào phiến gây ra dịch chuyển chùm tia trên màn hình. Hình 3.31: Vết của chùm tia điện tử trên màn ống tia cathode 4. Các khối khác: * Đồng bộ chủ: phát ra các xung điện để kích hoạt các hệ thống con làm việc cùng một lúc tức là kích hoạt mạch quét thời gian, bộ phát, bộ thu, xử lý điện tử. * Bộ phát sóng: là bộ tạo dao động. Bộ này nhận xung điều khiển từ bộ đồng bộ chủ. Bộ phát sóng cung cấp một xung điện áp cỡ 300v – 600v có thể lên tới 900V cho biến tử áp điện trong đầu dò. * Bộ thu sóng: Bao gồm bộ tiền khuếch đại, bộ tách sóng và bộ suy giảm * DGC hay TGC: thực chất là sự khuếch đại gia tăng theo thời gian sau khi sóng âm được truyền đi những tín hiệu hồi âm từ những mặt phân cách ở xa thì được khuếch đại nhiều hơn so với tín hiệu hồi âm từ những mặt phản hồi gần (tín hiệu dội trở về từ độ sâu càng xa thì biên độ càng bé vì vậy phải có sự bù lại cho sự mất mát nói trên). Đường đi của tia điện tử 0V 5V -5V đặt vào Y dịch chuyển lên xuống đặt vào X dịch chuyển theo chiều ngang đặt vào X và Y dịch chuyển theo đường chéo 115 5. Nguyên lý làm việc của thiết bị : Một tín hiệu điện từ bộ phát đồng bộ chủ tới máy phát để khởi tạo quá trình. Một chùm siêu âm xung có tần số cao được phát vào trong cơ thể có sự tương tác khác nhau (phản xạ, khúc xạ...) trên đường đi sóng âm gặp mặt phân cách (danh giới giữa các loại mô như giữa dịch và mô mềm, giữa mô mềm và xương) và một phần năng lượng sẽ phản xạ trở về đầu dò, số còn lại tiếp tục tiến vào sâu hơn nữa cho đến khi chúng gặp các đường phân cách khác nằm sâu hơn và sẽ bị dội ngược trở lại đầu dò. Đầu dò sẽ biến đổi sóng hồi âm thành tín hiệu điện thông qua hiệu ứng áp điện tín hiệu này sẽ mang thông tin về độ lớn biên độ, thời gian tiếp nhận. Các thông tin này được xử lý và thể hiện thành hình ảnh trên màn hình. Dựa vào 2 thông số là vận tốc của sóng âm truyền đi trong mô (1540 m/s) và thời gian mà mỗi sóng dội quay về đầu dò, máy vi tính sẽ tính toán ra khoảng cách giữa đầu dò đến đường ranh giới của mô hoặc cơ quan mà từ đó sóng âm bị dội lại. Máy sẽ hiển thị những thông tin này lên màn hình tùy theo từng chế độ: các chế độ một chiều như A-mode, B-mode, M-mode hoặc chế độ 2 chiều với thời gian thực. 3.3. Một số thiết bị siêu âm khác 3.3.1. ứng dụng sóng siêu âm trong hệ thống phát hiện đột nhập và di động 1. Các khái niệm: a. Cảm biến: Bộ phận cảm nhận sự thay đổi bên ngoài khác với các điều kiện quy định ban đầu. Cảm biến chia làm 2 loại cảm biến tích cực và thụ động. Cảm biến tích cực bao gồm phát sóng và thu sóng như: sóng siêu âm, sóng hồng ngoại, sóng cao tần. Cảm biến thụ động bao gồm các loại như: cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm, cảm biến khói. Trong hệ thống phát hiện di động cảm biến phát ra một tín hiệu dưới dạng nào đó khi phát hiện có sự di động hoặc đột nhập trong vùng bảo vệ từ đó phát lệnh báo động. b. Vùng quan sát: - Vùng không gian được hệ thống phát hiện di động quan sát, vùng bảo vệ có thể chia thành nhiều khu vực riêng và chung. c. Báo động nhầm: 116 Hệ thống phát hiện di động phát tín hiệu báo động khi vùng quan sát không có bất kỳ sự thay đổi nào so với quy định ban đầu. Báo động nhầm do mạch điều khiển tác động nhầm khi nhận tín hiệu nhầm từ các cảm biến do các nguyên nhân bên ngoài như thời tiết, các tiếng động lớn.... 2. Tổng quan về hệ thống phát hiện đột nhập di động. a. Sơ đồ khối tổng quát: b. Nguyên lý hoạt động: Khi cảm biến phát hiện có sự chuyển động trong vùng bảo vệ nó sẽ gửi tín hiệu đến bộ phận điều khiển. Bộ phận điều khiển xử lý tín hiệu và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phận chuyển mạch (Relay). Bộ phận chuyển mạch sẽ đóng mạch báo động. 3. Hệ thống phát hiện di động dùng sóng siêu âm a. Hiệu ứng Doppler: Hiệu ứng Doppler được tìm ra vào năm 1842 do nhà bác học người áo Christian Johanm Doppler (1803-1853) lúc đó ông dùng nó để giải thích hiện tượng lệch mầu sắc của các ngôi sao đang chuyển động. Hiệu ứng được phát biểu như sau: Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến đầu thu cố định thì tần số thu bằng tần số phát. Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng sẽ dài hoặc ngắn lại: Ngắn lại trong trường hợp đầu thu và đầu phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp đầu thu và đầu Relay Transformer (Power supply) Line Voltage Controller Low Voltage Sensor Luminaire Hình 3.32: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống phát hiện đột nhập di động 117 phát xa nhau. Điều này có nghĩa là tần số tín hiệu thu sẽ tăng hoặc giảm tương ứng. Hiệu ứng Doppler sử dụng trong phương pháp siêu âm Doppler xảy ra khi các vật thể chuyển động khi đó tần số sóng phản xạ từ các vật thể sẽ khác với tần số của sóng tới. Hiệu của 2 tần số gọi là độ lệch hay tần số Doppler. Bằng cách xử lý độ lệch tần số người ta có thể phát hiện ra sự di động của vật thể trong trường siêu âm và các thông số liên quan đến sự di động đó như hướng dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển... b. Công thức Doppler: sac Vff cos...2 (3.4) Trong đó: f là độ lệch tần số Doppler f là tần số siêu âm phát đi csa là vận tốc sóng siêu âm của môi trường truyền sóng. V là vận tốc dịch chuyển của vật thể : góc tạo bởi chùm tia siêu âm so với chiều dịch chuyển của vật thể. Từ công thức trên ta rút ra nhận xét: Tần số Doppler tỉ lệ thuận với vận tốc dịch chuyển của vật thể, với cùng 1 giá trị của vận tốc dịch chuyển khi tần số siêu âm tăng thì f cũng tăng theo. Như vậy vận tốc dịch chuyển của vật thể cho bởi. cos2 .f cfV sa Độ lệch tần số f cũng phụ thuộc vào góc , góc  càng nhỏ thì độ lệch tần số càng tăng và độ lệch tần số đạt giá trị cực đại khi  = 00 hoặc = 1800 tức phương của chùm tia siêu âm song song với phương dịch chuyển của vật thể và trong trường hợp chùm tia siêu âm vuông góc với phương dịch chuyển của vật thể thì f = 0. Tần số doppler làm tăng hoặc giảm tần số sóng phản xạ so với tín hiệu phát một khoảng f. Khi vật thể dịch chuyển hướng lại gần biến tử thì tần số sẽ tăng một lượng f. c. Nguyên lý hoạt động bộ phát hiện di động dùng sóng siêu âm Bộ phát hiện di động dùng sóng siêu âm có nguyên lý làm việc cũng tương tự như bộ phát hiện di động dùng sóng cao tần. Thiết bị này sẽ phát vào vùng 118 không gian cần bảo vệ một sóng có tần số siêu âm đồng thời thu về sóng phản xạ từ các vật trong vùng bảo vệ. Bằng cách so sánh pha, tần số cũng như biên độ của sóng phát và sóng thu, ta có thể phát hiện được sự di động trong vùng bảo vệ. Hình 3.33: Nguyên lý bộ phát hiện di động dùng sóng siêu âm Hình vẽ mô tả nguyên tắc hoạt động của một hệ thống phát hiện đột nhập di động dùng sóng siêu âm. Hệ thống này sử dụng 2 biến tử siêu âm, một biến tử phát sóng tần số siêu âm và biến tử còn lại để thu nhận các sóng phản xạ từ các vật thể có vùng bảo vệ. ở trạng thái bình thường nếu không có vật nào đi di chuyển trong vùng bảo vệ thì sóng phản xạ thu được sẽ cùng pha với sóng phát. Ngược lại, nếu có sự di chuyển trong vùng bảo vệ thì giữa sóng phát và sóng phản xạ sẽ có sự lệch pha (hiệu ứng Doppler). Bộ so pha sẽ phát hiện ra sự lệch pha giữa sóng phát và sóng phản xạ tạo tín hiệu điêu khiển kích hoạt bộ phận tác động làm việc. Hình 3. 34: Vùng phủ sóng và độ nhạy của một biến tử siêu âm Phase comp trigger Output Amp Osc transmitter Receiver Well mounted ultrasonic sensor sensitivity to hand motion sensitivity to arm and upper torso motion sensitivity to full-body motionmotion 119 Ta thấy vùng phủ sóng của biến tử siêu âm là một vùng không gian liên tục, không có các khe hở như vùng phủ sóng của cảm biến hồng ngoại kiểu thụ động. Chính vì thế mà biến tử siêu âm nhạy hơn so với cảm biến hồng ngoại kiểu thụ động. 3. Sơ đồ khối hệ thống phát hiện đột nhập và di động sử dụng sóng siêu âm a. Sơ đồ khối Khối phát sóng: Khối thu sóng: Hình 3.35: Sơ đồ khối hệ thống phát hiện đột nhập và di động sử dụng sóng siêu âm b. Chức năng nhiệm vụ các khối Dao động tạo tín hiệu: thông thường sử dụng các mạch dao động sine có tần số ổn định trong khoảng 38 - 40KHz. Nếu tần số quá cao sự tổn hao trong không khí tăng dẫn đến vùng phủ sóng bị thu hẹp. Ngược lại tần số quá thấp vùng phủ sóng rộng nhưng tính an toàn cũng như khả năng báo động nhầm sẽ tăng do tác động của các nguồn âm bên ngoài. Khối khuếch đại và xử lý tín hiệu: Tín hiệu được điều chế dưới dạng các chùm xung tăng khả năng chống nhiễu và tác động nhầm, sau đó được khuếch đại đến biên độ đủ lớn cấp cho biến tử phát sóng. Biến tử phát sóng: Chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền vào trong môi trường tạo nên vùng phủ sóng có dạng hình Elip. Một trong các lý do cần phải sử dụng biến tử tần số thấp là nhằm tăng góc mở của biến tử cũng tức là tăng vùng phủ sóng. Biến tử thu sóng: Sóng siêu âm sau khi lan truyền trong môi trường sẽ phản xạ lại biến tử thu sóng. Biến tử thu sóng chuyển đổi dao động cơ học thành dao động điện có tần số siêu âm. Dao động sin Khuếch đại và xử lý tín hiệu Biến tử phát sóng Biến tử thu sóng Nhận dạng tín hiệu thu Tách sóng KĐ tín hiệu thu Thiết bị báo động Chuyển mạch Xử lý tín hiệu thu KĐ tín hiệu thu 120 Mạch nhận dạng tín hiệu: Thực chất là mạch khuếch đại có chọn lọc tín hiệu chỉ khuếch đại các tín hiệu có tần số trong khoảng tần số phát nhằm tránh tác động của các nguồn âm bên ngoài. Mạch khuếch đại tín hiệu thu: Mạch có nhiệm vụ nâng cao cũng như ổn định biên độ tín hiệu thu phục vụ cho việc tách sóng. Mạch tách sóng: chùm tia siêu âm lan truyền trong môi trường khi gặp giới hạn phân cách như tường, trần, các vận dụng trong phòng thì một phần năng lượng sẽ phản xạ lại biến tử thu. Phản xạ này gọi là phản xạ tĩnh có tần số bằng đúng tần số phát. Trường hợp trong vùng bảo vệ có sự xuất hiện và di động của vật thể tùy theo hướng dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển của vật thể mà sóng phản xạ sẽ tăng hoặc giảm đi một lượng f so với tần số phát. Mạch tách sóng có nhiệm vụ tạo ra một tín hiệu tỉ lệ với độ lệch tần f, đây là bộ tách sóng tần số. Như vậy khi không có sự đột nhập và di động trong vùng phủ sóng biến tử thu chỉ nhận năng lượng phản xạ tĩnh tín hiệu lấy ra từ sau tách sóng là một lượng không đổi. Khi có sự đột nhập và di động trong vùng phủ sóng biến tử thu nhận năng lượng phản xạ động và tín hiệu lấy ra từ sau mạch tách sóng là một lượng biến đổi tùy thuộc vào hướng dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển của vật thể. Mạch xử lý tín hiệu thu: Tín hiệu từ sau tách sóng được tiếp tục xử lý cho ra dạng sóng thích hợp, thông thường là xung hoặc chuỗi xung vuông. Tín hiệu này được khuếch đại dòng và áp đạt yêu cầu để cung cấp cho bộ chuyển mạch. Chuyển mạch: Các chuyển mạch có thể sử dụng loại tiếp điểm như Rowle, công tắc tơ hoặc loại không tiếp điểm như TZT, SCR, triac. .... Bộ báo động: tùy theo yêu cầu hệ thống phát hiện di động thường sử dụng các thiết bị như chuông báo động, đèn, máy ghi hình, điện thoại... c. Các yêu cầu cần thiết của hệ thống: Hoạt động chính xác và hiệu quả, phát hiện kịp thời những biến động xảy ra để phát lệnh báo động, tránh tác động nhầm. Việc lắp đặt thiết bị, mã hóa, thời gian tác động,,, phải đảm bảo yếu tố bí mật, tin cậy khó bị phát hiện và vo hiệu hóa. Phải đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật và mỹ thuật. 121 3.3.2. Thiết bị tẩy rửa dùng sóng siêu âm Trong các ngành sản xuất công nghiệp, trong lĩnh vực y tế, dân dụng các thiết bị làm sạch có vai trò rất quan trọng. Các phương pháp làm sạch cổ điển như sử dụng tay kết hợp với các loại dung dịch không bảo đảm được độ sạch của các chi tiết cần làm sạch đặc biệt đối với các chi tiết có kết cấu phức tạp, có độ bám dính tạp chất cao. Kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm ra đời đáp ứng được các yêu cầu về công nghệ làm sạch được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị tẩy rửa với hiệu quả cao, tốc độ nhanh mà các phương pháp khác không đáp ứng được. Thống kê cho thấy phương pháp rửa thông thường độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 70%. Rửa bằng phương pháp rung độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 50%. Khi rửa chi tiết bằng tay độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 20%. Trong phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm độ bẩn chỉ còn lại 0,5%. Máy dò Cửa ra vào Cửa ra vào Gường ngủ CM điều khiển từ xa Chuông báo động Hình 3.36: Vị trí đặt thiết bị để có vùng phủ sóng cực đại 122 1. Nguyên tắc tẩy rửa dùng sóng siêu âm Phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực sóng siêu âm xảy ra trong chất lỏng được mô tả như sau: Trong chất lỏng thông thường tồn tại một số lượng lớn bọt khí. Khi chiếu một chùm tia siêu âm có tần số và biên độ thích hợp vào trong chất lỏng, dưới tác động của dao động cơ học siêu âm và do có sự chênh lệch về khối lượng riêng các hạt khí sẽ chuyển động hỗn loạn trong chất lỏng. Trong quá trình chuyển động hỗn loạn các bọt khí kết hợp tạo nên những bọt khí có kích thước lớn hơn. Khi đạt đến một giới hạn nào đó sự chênh lệch áp suất đủ lớn bọt khí sẽ bị vỡ tung ra thành nhiều hạt nhỏ tạo nên sức va đập mạnh và áp suất rất lớn, kèm theo đó nhiệt độ trong chất lỏng tăng dần. Tóm lại hiện tượng xâm thực sóng siêu âm xảy ra trong chất lỏng là quá trình hình thành, kết hợp và phá vỡ các bọt khí liên tục xảy ra trong chất lỏng nhằm tạo ra sức va đập tăng cường nhiệt độ và áp suất trong dung dịch tẩy rửa. Nếu chi tiết tẩy rửa được đặt trong dung dịch tẩy rửa thích hợp cùng với sự kích thích sóng siêu âm dưới tác dụng của hiện tượng xâm thực sóng như đã nêu trên thì các chất bẩn bám trên bề mặt chi tiết sẽ được tách ra và kết tủa lại. 2. Các yêu cầu cần thiết của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm a. Tần số sóng siêu âm Tần số sóng siêu âm thường được sử dụng trong khoảng từ 20 đến 60 Khz. Khi tần số sóng siêu âm quá cao, các bọt khí có kích thước nhỏ lực va đập giảm. Ngược lại khi tần số quá thấp quá trình xâm thực xảy ra chậm. Kết quả là hiệu suất tẩy rửa cũng kém theo. b. Dạng sóng Trong các thiết bị tẩy rửa sử dụng siêu âm nhằm tăng tối đa hiệu quả tẩy rửa người ta dùng các dạng sóng sau: 123 Gián đoạn chùm xung: Hình 3.37a: Dạng sóng siêu âm gián đoạn Thay đổi tần số liên tục theo cách sau: Hình 3.37b: Dạng sóng siêu âm có thay đổi tần số c. Nhiệt độ dung dịch Cường độ tẩy rửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch. Khi nhiệt độ dung dịch quá cao thì áp suất trong bọt khí sẽ tăng và giảm lực va đập trong quá trình xâm thực. Nừu nhiệt độ dung dịch quá thấp thì trên bề mặt của chi tiết sẽ xuất hiện sự ngưng tụ chất lỏng có khả năng ăn mòn chi tiết. Thông thường nhiệt độ dung dịch được ấn định trong khoảng từ 30-50C, nói chung nhiệt độ dung dịch được điều chỉnh cho phù hợp với từng loại chi tiết. Sweep Ultrasonic Output Sweep Ultrasonic Output Minimum frequency Maximum frequency 124 d. Mối tương phản giữa công suất và dung tích Hình 3.38: Đồ thị tương quan giữa công suất và dung tích Dung dịch rửa Thành phần (gam/lit) (%) Nhiệt độ 0 C Kim loại cần làm sạch ứng dụng Na3PO4 NaCl 30g/l 50 0C Thép Rửa các chi tiết rất bẩn Thủy tinh lỏng Na3PO4 20 g/l 30 g/l 50 0C Thép Rửa các chi tiết rất bẩn Thủy tinh lỏng 20 g/l 50 0C Thép Rửa các chi tiết rất bẩn Na3PO4 Na2CO3 5 g/l 5 g/l 50 0C Đồng, nhôm. Kẽm Rửa các chi tiết rất bẩn HNO3 H2SO4 H2O 40% 10% 50% 500C Thép rỉ Làm sạch vẩy, rỉ H2SO4 HNO3 HCL H2O 4% 9% 13% 74% 500C Hợp kim thép, Crôm, Niken,Modiplen Rửa các chi tiết rất bẩn NaOH NaF 100 g/l 50 g/l 40-60 0C Nhôm Làm bóng bề mặt của Nhôm Bảng 3.1: Thông số của dung dịch tẩy rửa thường dùng 0 20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 Watts/Gallion Gallion 125 3. Mô hình máy rửa siêu âm Hình 3.39: Mô hình máy rửa siêu âm Thùng rửa: thường sử dụng loại vật liệu không rỉ, không bị ăn mòn bởi các dung dịch hóa chất dùng để tẩy rửa như axit, xút, muối Ngoài ra vật liệu chế tạo vỏ thùng cần phải có vận tốc truyền âm cao. Màng dao động hay còn gọi là tấm mỏng truyền sóng được chế tạo bằng đồng hoặc thép không rỉ có chức năng phân bố năng lượng siêu âm trên toàn bộ diện tích đáy thùng rửa. Mặt khác màng dao động còn có chức năng bảo vệ biến tử tránh những va đập mạnh khi cho chi tiết vào thùng rửa. Biến tử: Chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ học tạo hiệu ứng xâm thực trong quá trình tẩy rửa. 4. Sơ đồ khối mạch điện trong máy rửa siêu âm Hình 3. 37: Sơ đồ khối mạch điện máy rửa siêu âm Biến tử siêu âm Dung dịch tẩy rửa Thùng rửa Chi tiết rửa Màng dao động Các điện cực Khối nguồn cung cấp Khối cấp nhiệt Khối cài đặt, ổn định và hiển thị nhiệt độ Khối cài đặt và hiển thị thời gian Chuyển mạch Biến áp cách ly và phối hợp trở kháng Khuếch đại công suất Dao động sin 126 5. Nhiệm vụ từng khối trong máy rửa siêu âm a. Khối dao động sin Tạo sóng sine có tần số ổn định và có khả năng điều chỉnh được trong khoảng từ 20 Khz- 100 Khz cho phù hợp với chế độ tẩy rửa và các loại vật liệu tẩy rửa khác nhau b. Khối khuếch đại công suất Kết hợp với biến áp nhằm cung cấp điện áp khoảng 1000V xoay chiều cung cấp cho biến tử đồng thời cách ly biến tử với mạch khuếch đại. c. Khối cài đặt và hiển thị thời gian Sử dụng các bộ định giờ cơ khí hay điện tử có nhiệm vụ ấn định thời gian làm việc cho thiết bị thông qua bộ chuyển mạch. Thông thường thời gian đều chình được khoảng 1 phút đến hàng giờ và hiển thị bằng phương pháp khắc vạch hoặc Led 7 đoạn. d. Khối cài đặt, ổn định và hiển thị nhiệt độ Có nhiệm vụ cung cấp nhiệt cho dung dịch rửa ổn định và có khả năng điều chỉnh được trong khoảng từ 25C- 100 25C cho phù hợp với chế độ tẩy rửa và các lạo vật liệu tẩy rửa khác nhau. Nhiệt độ nồi rửa sau khi điều chỉnh được ổn định bởi cảm biến nhiệt kết hợp với các mạch điện tử thích hợp đóng ngắt bộ cấp nhiệt. e. Bộ cấp nhiệt Thường sử dụng dây điện trở nối với nguồn xoay chiều thông qua chuyển mạch tiếp điểm hoặc không tiếp điểm. Bộ cấp nhiệt phải được cách điện tốt với vỏ nồi rửa. 3.3.3 Thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm 1. Nguyên tắc đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm. Một dao động cơ học có tần số siêu âm phát ra từ biến tử phát sóng lan truyền vào môi trường cần đo. Khi gặp giới hạn phân cách hai môi trường một phần năng lượng truyền qua, một phần năng lượng phản xạ trở lại.Theo định luật phản xạ sóng nếu chùm tia phản xạ sẽ cùng phương nhưng ngược chiều với chùm tia tới. Thời gian đi và về của chùm tia phụ thuộc vào hai yếu tố vận tốc truyền âm của môi trường và đoạn đường dịch chuyển của chùm tia trong môi trường. Xác định khoảng cách: Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính 127 có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: z = c.t/2 Trong đú: z là khoảng cỏch cần đo. c là vận tốc súng siờu õm trong mụi trường truyền súng. t là thời gian từ lỳc súng được phỏt đi đến lỳc súng được ghi nhận lại. Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian truyền của sóng. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí). Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điện từ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s). Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng. 2. Sơ đồ khối của thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm Hình 2.38: Sơ đồ khối thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm Điều khiển phát – thu – hiển thị - xóa Bộ đếm n số hiển thị bằng led 7 đoạn Tạo xung đếm Dao động siêu âm Điều chế tín hiệu Khuếch đại Biến tử phát sóng Biến tử thu sóng Chuyển mạch 1 Xử lý tín hiệu thu Khuếch đại chọn tần Chuyển mạch 2 128 3. Chức năng nhiệm vụ yêu cầu từng khối: a. Dao động siêu âm: Có nhiệm vụ tạo ra chuỗi sóng vuông tuần hoàn có tần số điều chỉnh trong phạm vi từ vài chục KHz đến vài trăm KHz cho phù hợp với các môi trường truyền sóng khác nhau. Ngoài ra tần số dao động còn liên quan đến bề mặt phản xạ và độ chính xác của phép đo cũng như khoảng cách xa nhất mà phép đo có thể đạt tới. Tần số dao động càng cao phép đo càng chính xác nhưng tổn hao trong môi trường truyền sống càng lớn cự ly đo càng giảm và ngược lại tần số dao động thấp độ chính xác của phép đo giảm tổn hao trong môi trường truyền sóng giảm theo khoảng cách đo được tăng lên. b. Khối điều chế tín hiệu: Nhằm tạo ra chuỗi xung phát có độ rộng định trước chiếm khoảng thời gian tương đương 5 -15 chu kì dao động. Khối này thường sử dụng cổng logic kết hợp với mạch vi phân để tạo ra chuỗi xung có độ rộng cần thiết. c. Khối khuếch đại công suất: Nâng biên độ chuỗi xung phát với áp và dòng đủ lớn cung cấp cho biến tử phát sóng. Ngõ ra của mạch khuếch đại công suất đôi khi sử dụng biến áp nhằm tăng biên độ điện áp đồng thời phối hợp trở kháng giữa ngõ ra của mạch công suất và biến tử phát sóng. d. Biến tử phát sóng: Chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền trong môi trường. Tần số dao động riêng của biến tử phải phù hợp với tần số xung phát để dao động cơ học bức xạ đạt biên độ lớn nhất. Trong thiết bị đo khoảng cách biến tử được sử dụng là loại thẳng góc có hệ số chuyển đổi điện cơ cao với tần số hoạt động trong phạm vi từ 100 KHz-150KHz e. Biến tử thu sóng: Chuyển đổi dao động cơ học phản xạ thành dao động điện. Biến tử thu sóng cần có độ nhạy cao để đo được khoảng cách xa cần thiết. f. Khối khuếch đại chọn tần: Do tín hiệu thu được trên hai đầu biến tử thu sóng chỉ đạt giá trị từ V – mV nên yêu cầu mạch khuếch đại tín hiệu thu phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Tổng trở nhập phải cao - Tính chọn lọc tần số tốt tránh ảnh hưởng các nguồn âm bên ngoài - Tính kháng nhiễu tốt Hệ số khuếch đại lớn sao cho biên độ ngõ ra đạt giá trị từ vài trăm mV-1V. Để đáp ứng các yêu cầu trên cần sử dụng hai đến ba tầng khuếch đại chọn tần với ngõ vào vi sai, Opam với các dạng mạch khuếch đại thích hợp. Hiện nay người ta thường sử dụng các vi mạch khuếch đại và nhận dạng âm thanh chuyên dùng như SL468, LM567 129 g. Xử lí tín hiệu thu: Tín hiệu thu sau khi khuếch đạu và chọn tần sẽ được xử lý để có dạng xung cần thiết. Việc xử lí tín hiệu thu có thể do các mạch so sánh, các cổng logic để đạt mức điện áp chuẩn và ổn định đưa đến chuyển mạch 1 và 2 phục vụ cho việc chốt dữ liệu h. Bộ hiển thị số: Tùy theo yêu cầu chỉ thị ta có thể dùng các bộ đếm 3 số, 6 số hoặc 9 số. Bộ số đếm được hiển thị bởi các đèn 7 đoạn dạng Diod phát quang hay tinh thể lỏng có thể hiển thị các số từ 0000 đến 9999 theo tốc độ đếm của xung đồng hồ. Bộ đếm số được xây dựng theo phương án tuần tự hoặc phương pháp quét. i. Mạch tạo xung đếm: Mạch tạo xung đếm là mạch tạo ra chuỗi xung vuông tuần hoàn có tần số thay đổi được cung cấp cho bộ đếm số. Tần số xung phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng trong môi trường cũng như độ phân giải của phép đo. Ví dụ: Môi trường truyền sóng là không khí có c = 330 m/s. Nếu bộ đếm hiển thị với số đếm là mm thì tần số xung phải là: f = 330.2.103 = 660KHz Môi trường truyền sóng là thép có c = 5000m/s. Nếu bộ đếm hiển thị với số đếm là cm thì tần số xung phải là: f = 5.102.2.103 = 1MHz Tùy theo thiết kế xung đếm có thể sử dụng các vi mạch họ TTL, CMOS hoặc các vi mạch tạo xung chuyên dùng. k. Khối chuyển mạch 2: Khối chuyển mạch 2 có nhiệm vụ đưa xung đếm đến bộ đếm số ngay tại thời điểm phát sóng siêu âm vào môi trường và khóa bộ đếm số khi nhận được xung phản xạ. Một chuỗi xung phản xạ được biến tử thu sóng sau khi khuếch đại và xử lí sẽ được biến đổi thành một xung duy nhất thực hiện việc chốt bộ đếm số. l. Khối chuyển mạch 1: Khối chuyển mạch 1 có nhiệm vụ khóa tín hiệu thu trong suốt thời gian phát sóng nhằm tránh hiện tượng xung truyền trực tiếp từ biến tử phát đến biến tử thu khi hai biến tử này đặt gần nhau dẫn đến kết quả đo sai (trong trường hợp này kết quả đo được chính là khoảng cách từ biến tử phát đến biến tử thu). m. Mạch điều khiển xóa – phát – thu – hiển thị: Mạch có chức năng điều khiển toàn hệ thống làm việc theo chu trình định trước. Với phương thức hoạt động như trên mạch còn có chức năng luôn luôn cập nhật hóa dữ liệu đo khi thay đổi khoảng cách đo mà không cần tắt máy để lập lại phép đo từ đầu. 130 4. Giản đồ dạng sóng Dao động siêu âm Chùm xung phát Chùm xung phản xạ Xung chốt Dao động tạo xung đếm Chuỗi xung đếm tác dụng 2z Biến tử phát Biến tử thu z khoảng cách cần đo 131 5. Nguyên lí hoạt động của toàn hệ thống Khi mới cấp điện mạch tạo xung điều khiển xóa bộ đếm về 0. Tại thời điểm t1 khi vừa dứt xung xóa bộ phát xung kết hợp với mạch điều chế và khuếch đại công suất tạo ra 1 chùm xung điện đưa đến biến tử phát sóng. Biến tử phát sóng sẽ tạo ra 1 chuỗi xung siêu âm có tần số tương ứng và độ rộng định trước lan truyền thẳng góc với bề mặt biến tử vào trong môi trường. Cũng tại thời điểm t1, mạch thu tín hiệu bị khóa; chuyển mạch số 2 đưa xung đếm đến bộ đếm. Bộ đếm bắt đầu đếm từ các số đếm tăng dần theo tốc độ của xung đếm. Khi chuỗi xung siêu âm đến mặt phân cách của hai môi trường (khoảng cách cần đo), theo định luật phản xạ sóng một phần năng lượng sẽ phản xạ lại cùng phương đến biến tử thu sóng đặt cùng phía với biến tử phát. Biến tử phát sóng sẽ chuyển đổi dao động cơ thành dao động điện đưa đến mạch khuếch đại và xử lí để tạo nên xung chốt. Tại thời điểm t2, chuyển mạch 1 làm việc đưa xung chốt đến điều khiển chuyển mạch 2. Chuyển mạch 2 tác động như một bộ khóa cắt xung đếm. Như vậy, bộ đếm sẽ hiển thị được số đếm tương ứng với đoạn đường dịch chuyển của chùm tia siêu âm trong môi trường và tốc độ xung đếm Bằng cách hiệu chỉnh tần số làm việc của chuỗi xung đếm với một khoảng cách chuẩn được định trước, số hiển thị trên bộ đếm chính là khoảng cách cần đo. Sau một khoảng thời gian định trước (phụ thuộc vào tần số của xung điều khiển) mạch lại làm việc từ đầu, cập nhật giá trị đo mới. 132 3.4. Các mạch điện ứng dụng 3.4.1. Mạch đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm 1. Sơ đồ mạch 133 2. Phân tích mạch: + Transmitter: khối phát - Khối tạo xung điều khiển (IC1): sử dụng IC 555 tạo chuỗi xung tuần hoàn, RB hiệu chỉnh tần số chuỗi xung. - Khối tạo dao động (IC2): sử dụng IC 555 mạch được điều khiển bởi IC1, tạo chuỗi xung có tần số khoảng 40KHz cung cấp cho khối khuếch đại công suất phát. - Khối khuếch đại công suất phát (IC3): dùng IC loại CMOS dòng cao ghép song song mắc đẩy kéo nhằm tăng hiệu suất cho mạch phát. + Receiver: Khối thu sóng - Mạch khuếch đại tín hiệu thu (IC4): Tín hiệu phản hồi được biến tử thu chuyển đổi thành chùm xung điện thông qua hai tầng khuếch đại với hệ số khuếch đại khoảng 1000 (60dB). - Mạch tách sóng gồm C9, C10, D1, D2 có nhiệm vụ chỉnh lưu chùm xung từ sau mạch thu tạo mức điện áp dương khi được sóng phản xạ. - Khối chuyển mạch (IC5): có nhiệm vụ không cho tín hiệu thu vào tầng sau trong thời gian phát sóng nhằm tránh hiện tượng sóng đi trượt tiếp từ đầu phát đến đầu thu. Thời gian phát sóng D3 luôn dẫn điện, ngõ ra bộ so sánh bão hòa dương bất chấp tín hiệu từ mạch thu. Với thời gian không chế là 1ms tức là ứng với đoạn đường di chuyển của chùm tia khoảng 40cm. - Khối đo thời gian xung truyền (IC6): Khối này hoạt động như Flip flop tạo nên một xung kéo dài trong suốt thời gian sóng đi và về. - Bộ tạo xung đếm IC7, R17, C14 tạo ra chuỗi xung đồng bộ cấp cho bộ hiển thị số. R17 hiệu chỉnh tần số. - Mạch tạo xung xóa và chốt bộ đếm (IC7, D4,D5, C12, C13, R15, R16). - Khối hiển thị (IC8, IC9) sử dụng IC đếm hiển thị 3 số theo phương pháp quét. + Khối nguồn đảm bảo dòng tiêu thụ khoảng 70mA: sử dụng IC 7809 ổn áp. 134 3.4.2. Mạch thiết bị dò di động bằng sóng siêu âm 1. Sơ đồ mạch: 135 2. Phân tích + Transmitter: khối phát (tương tự) + Receiver: Khối thu sóng (tương tự) + Detector: khối tách dò tín hiệu + Khối nguồn đảm bảo dòng tiêu thụ khoảng 70mA: sử dụng IC 7812 ổn áp. Câu hỏi ôn tập chương 3 1. Trình bày các kỹ thuật kiểm tra khuyết tật kim loại bằng siêu âm. 2. Vẽ sơ đồ khối, trình bày chức năng các bộ phận và nguyên lý hoạt động của máy dò khuyết tật kim loại. 3. Vẽ sơ đồ khối, trình bày nhiệm vụ các khối, nguyên lý tạo ảnh và các phương áp tạo ảnh máy siêu âm chuẩn đoán trong y tế cơ bản. 4. Tác dụng của quá trình xử lý tín hiệu siêu âm như xử lý trước ảnh: khuếch đại bù theo độ sâu, khuếch đại bờ (EE), dải động của tín hiệu (DR), lưu ảnh tương quan (CL) như thế nào? 5. Trình bày hiện tượng xâm thực sóng siêu âm xảy ra trong chất lỏng và các yêu cầu cần thiết của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm. 6. Trình bày sơ đồ khối và chức năng nhiệm vụ các khối trong máy rửa siêu âm. 7. Phương pháp đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm dựa theo yếu tố nào? Trình bày nguyên lý TOF? 8. Trình bày sơ đồ khối và chức năng nhiệm vụ các khối trong thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm. 9. Phân tích mạch điện đo khoảng cách và mạch điện di động - đột nhập đã học. 10. Tính toán chọn xung điều khiển, xung đếm trên mạch thước đo cự ly. 136 Tài liệu học tập + Giáo trình, tài liệu chính: [1]. Nguyễn Đức Thuận. Cơ sở kỹ thuật siêu âm . NXB KH & KT – 2003 [2]. Tài liệu huấn luyện ưu tiên cấp 2 . Trung tâm hạt nhân thành phố HCM [3]. Hà A Thồi. Tài liệu giảng dạy Kỹ thuật siêu âm . Trường đại học SPKT thành phố HCM + Tài liệu tham khảo: [4]. Nguyễn Vũ Sơn. Kỹ thuật điện tử ứng dụng. NXB GD - 2003. [5]. Nguyễn Phước Bảo Quân, Nguyễn Thị Thanh Phương. Nguyên lý và cơ sở kỹ thuật của siêu âm chuẩn đoán. NXB GD - 2005. [6]. Nguyễn Quốc Thắng, ĐH Bách khoa Hà Nội. Bài giảng Kiểm tra mối hàn bằng siêu âm, năm 2006 137 Phụ lục Bảng khối lượng riêng, vận tốc sóng âm, trở kháng âm của các vật liệuthông dụng Vật liệu K. lượng riêng c ngang cdọc Z. 103 Ray Aluminium 2700 3130 6320 17064 Aluminum- oxide 3600 5500 9000 32400 Bisumth 9800 1100 2180 21364 Brass 8100 2120 4430 35883 Cadmium 8600 1500 2780 23908 Castiron 6900 2200 5300 24150 Concrete 2000 - 4600 9200 Copper 8900 2260 4700 41830 Glass 3600 2560 4260 15336 Glicerien 1300 - 1920 2496 Gold 19300 1200 3240 62532 Grey casting 7200 2650 4600 33120 Hary metal 11000 4000 6800 74800 Lead 11400 700 2160 24624 Magnesium 1700 3050 5770 9809 Motor oil 870 - 1740 1514 Nickel 8800 2960 5630 49544 Perspex 1180 1430 2730 3221 Platinum 21400 1670 3960 84744 Polyamide 1100 1080 2620 2882 Polyethylene 940 925 2340 2200 Polystyrol 1060 1150 2380 2523 Polyvinylchloride 1400 1060 2395 3353 Porcellain 2400 3500 5600 13440 Quartz 2650 - 5760 15264 Quartz glass 2600 3515 5570 14482 Silver 10500 1590 3600 37800 Silell (low alloy) 7850 3250 5940 46629 Stell (calibration block 7850 3250- 5920 46472 Tin 7300 1760 3320 24236 Không khí Nhôm 1,3 2700 ----- 3130 330 6320 430 17064 Gang đúc Bê tông Thủy tinh Glycerine 6900 2000 3600 1300 2200 ----- 2560 ----- 5300 4600 4260 1920 24150 9200 15336 2496 Gang xám Chì 7200 11400 2650 7000 4600 2660 33120 24624 138 Dầu nớt Nikel 870 8800 ----- 2960 1740 5630 1514 49544 Nylon Thủy tinh hưu cơ Thạch anh 1140 1180 2600 ----- 1430 3515 2700 2730 5570 3000 3221 14482 Bạc Thép (hợp kim thấp) Thép (làm mẫu chuẩn) Thép (không gỉ) Titaniun 10500 7850 7850 7800 4500 1590 3250 3250 3130 3120 3600 5940 5920 5940 5990 37800 46620 46472 44800 27000 Tungsten Nước 19300 1000 2880 ----- 5170 1480 100000 1480 Bảng khối lượng riêng, vận tốc sóng âm, trở kháng âm của các môi trường khác nhau Vật liệu Tỷ khối (kg/m3) Tốc độ âm thanh (m/s) Trở kháng âm học (kg/m2.s x 106 hoặc g/cm2.s x 105) Không khí 1.2 330 0.0004 Nước (20oC) 1000 1480 1.48 Thủy ngân mô mềm 13600 1450 20.0 Trung bình* 1060 1540 1.63 Gan 1060 1550 1.64 Cơ 1080 1580 1.70 Mỡ 952 1459 1.38 Não 994 1560 1.55 Thận 1038 1560 1.62 Lá lách 1045 1570 1.64 Máu 1057 1575 1.62 Xương 1912 4080 7.8 Phổi 400 650 0.26 PZT 7650 3791 29.0 Thủy tinh thể 1142 1620 1.85 Nước dịch thể 1000 1500 1.50 Dịch thủy tinh thể 1000 1520 1.52 Luccite 1180 2680 3.16 Nhựa cứng 1060 2350 2.49 Dầu thầu dầu 969 1477 1.43 * mô trung bình (ví dụ) + Lead zirconate titanate