频率跟踪、恒功率超声波清洗机的研究与实现
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摘要
在液体中发射足够大的超声波能量，液体会产生“空化效应”。“空化效应”是将超声频的振动加到清洗液中，液体内部会产生拉伸和压缩现象，液体拉伸时会产生气泡，液体压缩时气泡会被压碎破裂。超声波清洗的原理就是在清洗液中产生“空化效应”，气泡的产生与破裂产生强大的机械冲击力，用以清除物体表面的杂质、污垢和油腻。超声波清洗机的清洗速度快，可提高生产效率：操作实现自动化，不须人手接触清洗液，安全可靠，且节省人力；微小的气泡可以到达特殊造型的零部件深处，对深孔、细逢和工件隐蔽处亦可清洗干净，所以超声清洗应用更为广泛；清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致，实验显示，利用超声波清洗技术，可得到比风吹、浸润、蒸汽和刷子清洗更好的清洗效果。使用超声波达到清洗目的，需要有容器与清洗液、超声波换能器、超声波电源。超声波换能器是产生超声场的部件，超声波电源用以驱动超声波换能器，向其提供能量，使之产生超声场。通常的超声波清洗机是在匹配电路上加占空比为50％的交流方波信号。本设计采用频率自动跟踪的方式来使超声波换能器处于谐振，满足超声波电源与超声波换能器工作在最佳状态，使得整机达到最佳工作效率。功率检测电路调节脉冲电压的脉宽来改变超声波发生器的输出功率，以实现功率恒定。压控振荡器选用货源充足、价格低廉的TL494，可满足本设计要求。D类功率放大器就是开关功率放大器，选用高耐压的VMOS管，组成全桥电路，VMOS管的驱动采用变压器隔离倒相。由于超声波换能器的特性，超声波清洗机中的匹配电路包含两个：一个是功率匹配，一个是调谐匹配。前者是为了使超声波电源的输出内阻与负载阻抗相一致，采用变压器匹配方法。后者是使换能器呈现纯阻性，采用串联电感的方法。
本文对系统的总体设计方案、硬件和软件设计、单元电路及主要单元电路实验进行了详细地介绍。
"Cavitation effect" will happen if great ample ultrasonic energy is transmited in liquit. When plussing the ultrasonic frequency vibration up washing liquit,stretching and compression phenomenon will appear in liquid inside. The stretched Iiquit will create air bubbles,while the pressed Iiquit will crush the bubbles.The principle of ultrasonic washing is to come into being "cavitation effect". The powerful creating and crushing force can purge impurities,dirtetc.With ultrasonic washer,the cleaning speed is faster and the efficiency can be improved.The automation is achieved in the operation and workers have not to touch washing fluid,so it is safe and reliable and save the labour power.The little air bubbles may reach the interstices,apertures and shelter of parts to clean,so it is more wide-applicated.lt is good to wash effect.Tests display that ultrasonic washing machines may obtain better effect,comparing with the ways of puffing,infiltrating,steaming and brushing.Ultrasonic transducer is the part of prod
ucing ultrasound and supersonic power offers energy to the transducers.The ultrasonic cleaners is to plus square wave signal of 50% on the matching circuit. This design adopts the frequency tracing to make the whole system work in the resonance,causing that the whole set attains optimum work efficiency.By means of regulating the width of fluctuation voltage,the power inspection circle can control the output power ,so that the system can make the output power changeless.As being opulent and cheap,TL494 is choose as VCO.High Vceo VMOS is choose in the D generic power amplifier circle. The drive of VMOS adopts a paraphase transformer.Since ultrasonic transducers' property,the matching circuit embodys two parts:One is power matching ,the other is attune matching.The former is for the sake of making export impedance of power match the load.This Adopts the transformer matching means.The latter is to make the transducer present only the quality of resistance.To get this,a inductor in series means is Adopted.This th
esis introduces the design project,design of hardware and software,unit circles and experimentations of main unit circles in detail.
本文对系统的总体设计方案、硬件和软件设计、单元电路及主要单元电路实验进行了详细地介绍。
"Cavitation effect" will happen if great ample ultrasonic energy is transmited in liquit. When plussing the ultrasonic frequency vibration up washing liquit,stretching and compression phenomenon will appear in liquid inside. The stretched Iiquit will create air bubbles,while the pressed Iiquit will crush the bubbles.The principle of ultrasonic washing is to come into being "cavitation effect". The powerful creating and crushing force can purge impurities,dirtetc.With ultrasonic washer,the cleaning speed is faster and the efficiency can be improved.The automation is achieved in the operation and workers have not to touch washing fluid,so it is safe and reliable and save the labour power.The little air bubbles may reach the interstices,apertures and shelter of parts to clean,so it is more wide-applicated.lt is good to wash effect.Tests display that ultrasonic washing machines may obtain better effect,comparing with the ways of puffing,infiltrating,steaming and brushing.Ultrasonic transducer is the part of prod
ucing ultrasound and supersonic power offers energy to the transducers.The ultrasonic cleaners is to plus square wave signal of 50% on the matching circuit. This design adopts the frequency tracing to make the whole system work in the resonance,causing that the whole set attains optimum work efficiency.By means of regulating the width of fluctuation voltage,the power inspection circle can control the output power ,so that the system can make the output power changeless.As being opulent and cheap,TL494 is choose as VCO.High Vceo VMOS is choose in the D generic power amplifier circle. The drive of VMOS adopts a paraphase transformer.Since ultrasonic transducers' property,the matching circuit embodys two parts:One is power matching ,the other is attune matching.The former is for the sake of making export impedance of power match the load.This Adopts the transformer matching means.The latter is to make the transducer present only the quality of resistance.To get this,a inductor in series means is Adopted.This th
esis introduces the design project,design of hardware and software,unit circles and experimentations of main unit circles in detail.
引文
[1]袁易全．近代超声原理及应用[M]．南京：南京大学出版社，1996
[2]冯若．超声手册[M]．江苏：南京大学出版社，1999
[3]林仲茂．20世纪功率超声在国内外的发展[J]．声学技术，2000，02：101-105
[4]林仲茂．功率超声发展近况和展望[J]．声学技术，1994，04：145-149
[5]王建明．功率超声技术的现状与展望[J]．声学技术，1997，01：46-48
[6]LinZhongMao, et al.A novel, high efficiency ultrasonic em ulsification device and its applications[C].Ultrasonic Technology 1987, (Editor:Kohji Toda),Toyohashi International Conferenceon Ultrasonic Technology, MYU Tokyo, 1987,309-312.
[7]辛乐．超声波清洗设备的目前发展方向[J]．上海：应用声学，2000，02：44-49
[8]袁易全．超声换能器[M]．南京：南京大学出版社，1992
[9]颜忠余，方启平等．负载条件下功率换能器的特性研究[J]．声学技术，1996，04：161-164
[10]曹白杨，董平等．功率超声换能器应用与设计[J]．华北航天工业学院学报，2000，02：24-27
[11]林节王，张福成．大尺寸夹心式压电超声换能器的设计[J]．应用声学，1994，03：30-33
[12]程存弟，贺西平．功率超声振动系统研究进展[J]．声学计数，1994，04：87-90
[13]沉思忠．我国功率超声技术近况与应用进展[J]．声学技术，2002，01：46-49
[14]谢文运，佃岳武等．一种测量超声换能器导纳特性的新方法[J]．华南理工大学学报(自然科学版)，1999，12：74-78
[15]欧阳波，张顺福等．一种保证超声清洗机性能的换能器大功率测试方法[J]．应用声学，1998，03：46-48
[16]王阳恩，尚志远．两种超声清洗槽的声场分布比较[J]．声学技术，1996，02：88-90
[17]鲍善惠．用电流角分析超声换能器的匹配问题[J]．声学技术，1996，04：175-177
[18]鲍建东．换能器的阻抗匹配设计[J]．应用声学，1996，03：37-40
[19]鲍善惠．压电换能器的动态匹配[J]．应用声学，1998，02：16-20
[20]朱武，张佳民等．基于数字电感的压电换能器动态匹配的研究[J]．应用声学，2000，02：31-34
[21]陆庆扬．大功率超声清洗机研制中的一些技术问题[J]．声学技术，1998，02：78-81
[22]罗淑云，赵学军等．高频超声换能器的阻抗匹配研究[J]．应用声学，1994，06：25-27
[23]朱武，金长善．超声波换能器电功率分析仪的研究[J]．声学技术，1998，03：
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[25]孙波，季远等．功率超声换能器导纳特性检测及电端匹配研究[J]．振动、测试与诊断，2002，04：287-290
[26]阎久春，杨金等．功率超声换能器电声效率测试装置的研究[J]．声学技术，1997，01：29-31
[27]朱武，赵空勤．功率超声换能器夹持电容的在线检测的研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2001，02：203-205
[28]林书玉，张福成．功率超声换能器电声效率及辐射声功率的测量[J]．声学技术，1999，04：152-157
[29]李月花．CXF-1型功率超声波发生器的研制[J]．应用声学，1996，01：32-35
[30]朱武，金长善等．半桥逆变式功率VMOSFET超声电发生器的研制[J]．应用声学，1998，02：40-44
[31]田修波，杨士勤．场效应管型超声波清洗机研制中的若干问题[J]．声学技术，1996，04：187-188
[32]张德俊，程建政．功率超声振动系统的电声效率测量[J]．声学技术，1996，04：173-174
[33]颜忠余，方启平等．瓦特计测量声功率方法的分析和简化[J]．声学技术，1996，04：170-172
[34]马智龙，丁玉巍．程控功率超声发生器[J]．声学技术，1997，01：36-38
[35]祝锡晶．武文革等．大功率超声换能器的研制[J]．电加工和模具，2001，01
[36]张东卓，刘昭和．功率超声电源的研制[J]．声学技术，2000，02：64-67
[37]鲍善惠．用锁相环电路跟踪压电换能器并联谐振频率区[J]．声学技术，2001，03：1-5
[38]任金莲，张明铎．功率超声设备频率振幅自动控制研究[J]．应用声学，2003，01：31-34
[39]黄宇星，张春晓等．两种实现数字化相控的电路[J]．声学技术，1995，01：22-25
[40]鲍惠善．一种采用集成驱动器的超声波发生器[J]．声学技术，1999，02：77-80
[41]颜忠余，林仲茂．双频超声清洗器[J]．声学技术，1994，04：171-172
[42]谢春林．电压驱动型脉宽调制器TL494[J]．国外电子元器件，2001，02：66-67
[43]余永权，李小青等．单片机应用系统的功率接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1992
[44]王晓明．电动机的单片机控制[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[45]阎石．数字电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社(第四版)，1998
[46]张厥胜，郑继禹．锁相技术[M]．陕西：西安电子科技大学出版社，2000
[47]刘胜利．现代高频开关电源实用技术[M]．北京：电子工业出版社，2001
[48]电子变压器专业委员会．电子变压器专业委员会[M]．辽宁：辽宁科学技术出版社，1998
[49]潭博学，苗汇静等．集成电路原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，2003
[50]张友德，赵志英等．单片微型机原理、应用与实验(修订版)[M]．上海：复旦大学
出版社，1992
[51]康华光，陈大钦．电子技术基础模拟部分(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，1999
[52]李宏．电力电子设备用器件与集成电路应用指南(第一册 电力半导体器件及其驱动集成电路)[M]．北京：机械工业出版社，2001
[53]李宏．电力电子设备用器件与集成电路应用指南(第二册 控制用集成电路)[M]．北京：机械工业出版社，2001
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[52]李宏．电力电子设备用器件与集成电路应用指南(第一册 电力半导体器件及其驱动集成电路)[M]．北京：机械工业出版社，2001
[53]李宏．电力电子设备用器件与集成电路应用指南(第二册 控制用集成电路)[M]．北京：机械工业出版社，2001