超聲波發(fā)生器與換能器的匹配設計【CAD圖紙+說明書】,CAD圖紙+說明書,超聲波,發(fā)生器,換能器,匹配,設計,CAD,圖紙,說明書 前 言 在市場經(jīng)濟的環(huán)境下，對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，許多企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，將采用清洗工藝來提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。 當前在一些工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，應用超聲波清洗是一種洗凈效果好，價格經(jīng)濟，有利于環(huán)保的清洗工藝。超聲波清洗機可以應用于清洗各式各樣體形大小，形狀復雜，清潔度要求高的許多工件。例如可用于清洗鐘表零件、照相機零件、油咀油泵、汽車發(fā)動機零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環(huán)、銑刀、鋸片、寶石、醫(yī)用注射器及各種光學鏡頭等；還可以用于清洗印制板、半導體晶片及器件、顯象管內(nèi)的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插頭座、焊片、電極引線等電子類產(chǎn)品。 一種物件的清洗可以根據(jù)其污垢的性質(zhì)，采用機械物理力清洗的方法或化學力清洗的方法，還可以用各種組合方法來進行清洗。若是用自來水或凈水為清洗液的超聲波清洗屬物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗滌劑，則屬于組合清洗，對不同的清洗對象選用不同的洗滌劑，更具有明顯的清洗效果。 表0-1為幾種清洗方法洗凈效果比較。 表0-1 為兩種清洗方法洗凈效果比較。 圖0-1 超聲波清洗效果 清洗作為一種古老而又新興的活動和技術，正日益引起人們的興趣和關注．清洗是一門技術，是一個新興的多學科技術領域。清洗行業(yè)量大而面廣，無處不有，與人類社會生產(chǎn)，生活各方面息息相關．清洗技術的發(fā)展是人類文明的一個重要標志，清洗技術水平反映了一個人．一個民族、一個國家的文明進步程度和科學技術的發(fā)展水平。 今后．清洗技術的發(fā)展將更加迅速．普及．大批的大專院校．科研院所。專業(yè)公司的科技人員將加入清洗技術研究開發(fā)隊伍．一些現(xiàn)在存在的行業(yè)技術問題得到解決，行業(yè)總體技術水平大幅度提高．新技術．新產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，各種新穎的清洗設備進入市場和人們的日常生活．人們將不再只是依靠經(jīng)驗來清洗．各種實用化的計算機軟件將問世；行業(yè)分工更加專業(yè)、細致，行業(yè)標準和技術規(guī)范得到推廣普及．行業(yè)管理規(guī)范有序．清洗行業(yè)的前景無限美好！ 第1章 超聲波清洗的原理與應用 1.1 超聲波清洗的原理 把液體故人清洗槽內(nèi)，給槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波，介質(zhì)的壓力作交替變化。如果對液體中某一確定點進行觀察，這點的壓力如圖2曲線A所示。以靜壓(一般一個大氣壓)為中心，產(chǎn)生壓力的增減，若依次增強超聲波的強度，則壓力振幅也隨著增加，像圖1-1曲線B那樣，并產(chǎn) 圖1-1 清洗槽內(nèi)液體的某一點受壓情況 生負的壓力。 所謂負壓，但實際上負的壓力是不存在的，這是在液體中產(chǎn)生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場作用下的振動，當聲壓達到超聲波清洗一定值時，氣泡將迅猛增長，然后又突然閉合，在氣泡閉合時，由于液體間相互碰撞產(chǎn)生強大的沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓的壓力。這也就是所說的“超聲空化”。超聲清洗就是利用了空化作用的沖擊波，其清洗過程中由下列四個因素作用所引起。 (1)因空泡破滅時產(chǎn)生強大的沖擊波，污垢層在沖擊波的作用下被剝離下來，即分散及脫落。 (2)因空化現(xiàn)象產(chǎn)生如圖3a所示的氣泡。由沖擊形成的污垢層與表面之間的間隙和空隙滲透，由于這種小氣泡與聲壓同步膨脹，收縮，產(chǎn)生像剝皮那樣的物理力重復作用于污垢層，污垢一層層被剝開，如圖3b所示，小氣泡再繼續(xù)向前推進，直到污垢層被剝下為止。這就是空化二次效應。 圖1-2 氣泡的作用 (3)超聲清洗中清洗液的超聲振動本身對清洗的作用力。例如：20kHz，2W／cm2的超聲波在清洗液中傳播時，它將引起質(zhì)點的振動，位移幅度1．32lLm，速度0．16m／s，加速度為2．04X104m／sz，(約為2刪g的重力加速度)，聲壓為1．45X105Pa，這表明清洗物表面的污垢層每秒將遭到2萬次的激烈沖擊。 (4)清洗劑也溶解了污垢，產(chǎn)生乳化分散的化學力。 超聲清洗的主要原理是超聲空化作用，要獲得良好的清洗效果，合理選擇清洗槽中聲場的聲學參數(shù)和清洗液的物理化學性質(zhì)是十分重要的。 既然空化是主要的，那么如何產(chǎn)生空化呢?一般來說，空化不僅由介質(zhì)特性決定，而且也與聲場有關?？栈u的高低受到許多因素制約，主要有如下幾個因素： (1)空化閡與工作頻率fa有關。頻率越高，空化閡值越高，產(chǎn)生空化越難。氣泡在聲場的作用下將進行振動，但不一定發(fā)生崩潰(破滅)，只有當聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時才可能使氣泡破滅，而當聲波的頻率高于氣泡的諧振頻率時，氣泡只進行復雜的振動，一般不發(fā)生氣泡破滅。 (2)空化閡與介質(zhì)中氣泡半徑有關，半徑越小，空化閡越高。 (3)寶化閡與聲波作用時間長短有關，聲波幅射時間越長，空化闡越低。 (4)空化閡與環(huán)境靜壓力有關，靜壓力越 大，空化閡越高。 (5)空化閡與介質(zhì)的粘滯性有關，粘度大，表面張力大，空化閡高。 (6)空化閡與液體含氣量有關，含氣量越少，空化閡越高。 (7)空化閡與清洗液溫度有關，清洗液溫度升高，對空化有利。但清洗液溫度過高時，氣泡中蒸氣壓增大，因在氣泡閉合期增強了緩沖作用而使空化減弱。而溫度還與清洗液的溶解度有關。對于水清洗液較適宜的溫度約為60Y。 根據(jù)超聲清洗的機理我們可選擇最佳狀態(tài)，并得到最佳的清洗效果。還應注意到選擇最佳的聲強。聲強過高會產(chǎn)生大量氣泡，在聲波表面形成一道屏障，使聲波不易輻射到整個液體空間，因而在遠離聲源的地方，清洗作用減弱。同時過高的聲強，氣泡膨脹過大，以至于在聲波壓縮相內(nèi)，氣泡來不及閉合。聲強一般選在1W／cm2—2W／cm2，對于一些金屬表面氧化膜難于清洗的污垢，則應采用較高的聲強。 1.2 超聲波清洗的應用 1.2.1 超聲波清洗的主要應用范圍： 工業(yè)部門 清洗產(chǎn)品分類 可清除主要附著物 主要清洗液 電子、電氣工業(yè)機器另部件 繼電器、開關、印制電路板、電位器、真空管另件、半導體元件、硅片、電容器、照相機快門等。 印制板油墨、焊料、油質(zhì)防腐劑、石臘、磨料、染料。 使用有機性清洗液、三氯乙烯、氟、乙醇、丙酮。 銹、氧貨物、鹽、手垢、塵土。 堿性清洗液、中性、酸性清洗液、水。 玉石加工、鐘表、光學、機械等精密工業(yè) 儀器、儀表、鐘表字盤、另部件；齒輪、彈簧、軸承、寶石、透鏡、眼睛架、貴金屬裝飾品。 涂料、噴漆、油脂、復合物、玻璃纖維 有機性清洗液（三氯乙烯，氟溶液）。 染料、塑料殘留物。 堿性清洗劑、中性清洗液。 汽車業(yè) 氣門、點火栓、氣化栓、燃料泵、蓄電池電極、活塞環(huán)、機器操縱盤另件、摩托車和汽車油箱。 油、油脂、防腐劑、機械切屑、塑料殘留物、研磨磨料、玻璃纖維、塵埃、石墨、焦油。 有機性清洗液（三氯乙烯等）、輕油、堿性清洗液。 橡膠工業(yè) 手套、帶、輪胎、外科醫(yī)用橡膠手套。 指紋、塵埃、染料、防腐劑、墨跡、塑料殘留物、橡膠殘渣。 堿性、中性及酸性清洗液 航空工業(yè) 燃料油過濾器、燃料儀器、儀器儀表、注入噴咀、流量控制設備、機械控制設備用的另件、水力、水壓系列產(chǎn)品 氧化物、塵土、切屑、油類、油脂、磨粉、防腐劑。 有機清洗液、輕油。 銹、碳、水垢 焦油分離劑酸堿清洗液 印刷業(yè) 旋轉(zhuǎn)機、金屬板。 墨跡、指紋、油、染料。 輕油、有機性清洗液。 公共事業(yè)、電力、煤氣、新聞通訊 路燈、燃料油表、電力計、燈泡、軟片、電傳機、絕緣子。 墨跡、油、塵土、紗屑、銹、泥、接觸海水的鹽分。 有機性清洗劑、輕油、酸堿性清洗液 原子能工業(yè) 控制棒、燃料泵、鋁管類、容器、玻璃、分析試料。 放射能量粒子、塵埃、硅油、油脂 堿性、中性清洗液、純水。有機性清洗液、乙醇、丙酮等 醫(yī)療 注射器、手術機械、吸量管、玻璃容器、食道鏡、齒科機械、直腸鏡、方向鏡、顯微鏡用試料玻璃。 血液、凝膠體、指紋、料理物殘留物、蛋白（卵白）、混入血液中的污垢。 堿性、中性清洗液、純水。 機械工具 絲桿、噴咀、齒輪、夾具、固定裝置用附件、彈簧、氣門、游標卡尺等工量具。 磨料、鐵屑、防銹劑、復合物、切削油、冷卻油、研磨油。 有機清洗液、復合劑、氟溶劑、輕油、乙醇系列。 塵土、拋光、氧化物。 堿性、中性清洗液。 1.2.2 通用超聲波清洗機 超聲波清洗機的結構一般有超聲電源和清洗器合為一體或分開布局兩種形式，一般小功率(200W以下)清洗機用一體式結構，而大功率清洗機采用分體式結構。超聲波清洗機分體式結構由三個主要部分組成，如圖1-3所示。 圖1-3 分體式超聲波清洗器 (1)清洗缸； (2)超聲波發(fā)生器； (3)超聲波換能器； 清洗缸：清洗缸是用來裝載清洗液及被清洗工件的不銹鋼容器，大多數(shù)工件可先裝在網(wǎng)狀框架內(nèi)，再一起放人缸內(nèi)清洗。 超聲波發(fā)生器：超聲清洗機用的超聲波發(fā)生器，從使用的元器件種類可以分電子管式的，可控硅式的和晶體管式的。近幾年來已經(jīng)發(fā)展到用大功率“功率模塊”的方式。其輸出功率從幾十瓦直到幾千瓦，工作頻率從15kHz—40kHzo 超聲清洗機用的超聲波發(fā)生器，有以下特點： (1)隨著清洗液深度不同，換能器共振頻率和阻抗變化很大。但是實踐表明，槽內(nèi)放進適量清洗物后，基本上就可以穩(wěn)定在某一定數(shù)值上。 (2)一般來說，由于清洗負載變動較小，可以不要求復雜的頻率自動跟蹤電路。 (3)實用超聲波發(fā)生器，大多數(shù)采用大功率自激式反饋振蕩器。 超聲波換能器：超聲波清洗機用的換能器主要有以下幾種： ①磁致伸縮換能器 國內(nèi)用的磁致伸縮換能器大多數(shù)是用鎳片疊成的窗口型換能器，將它銀焊在清洗缸底部，然后用導線在窗口上繞一定卷數(shù)而成。此種換能器能承受較大功率，且可靠性好，使用壽命長。缺點為效率較壓電換能器低，原材料鎳片價格貴。 ②壓電式換能器 目前國內(nèi)外大多數(shù)超聲波清洗機用的是壓電式換能器，勘L形結構如圖1-4。 圖1-4 壓電式換能器 這種換能器一般有兩片壓電陶瓷晶片組成。一臺清洗機用多個換能器，經(jīng)粘接劑粘接在清洗缸底部且經(jīng)并聯(lián)聯(lián)接組成一臺清洗機的換能器。換能器基元之間距(對于頻率20kH4一般在5—10mm為佳，太大了容易產(chǎn)生彎曲振動，且振動板受到腐蝕，同時輻射面相對減少。 通用超聲清洗機清洗零件適用性強，已廣泛應用于電子、鐘表、光學、機械、汽車、航空、原子能工業(yè)、醫(yī)療器械等許多行業(yè)。 1.2.3 專用超聲波清洗機 一般安裝在某些特定物件清洗的生產(chǎn)流水線上。 圖6為典型的軟磁器件超聲波清洗設備，被清洗物件從進料口可傳動的不銹鋼專用網(wǎng)帶送人超聲波清洗槽清洗，再經(jīng)噴淋、烘干等工序后出料，實現(xiàn)被清洗物件可直接包裝入庫。 各工序簡要說明如下： ①進料：物件進料可采用半自動進料或 ⑧出料：物件出料可采用自動收料或手工收料方式，格被清洗物件裝入包裝盒內(nèi)。 通過上述工序就完成了物件實現(xiàn)利用超聲波清洗的全過程。 1.2.4 超聲波清洗機應用于電鍍前處理 ??? 利用超聲波在液體中產(chǎn)生的空化效應，可以清洗掉工件表面沾附的油污，配合適當?shù)那逑磩?，可以迅速地對工件表面實現(xiàn)高清潔度的處理。 ????電鍍工藝，對工件表面清潔度要求較高，而超聲波清洗技術是能達到此要求的理想技術。利用超聲波清洗技術，可以替代溶劑清洗油污；可以替代電解除油；可以替代強酸浸蝕去除碳鋼及低合金鋼表面的鐵銹及氧化皮。超聲波清洗技術的應用，可以使許多傳統(tǒng)的清洗工藝得到簡化，并大大提高清洗質(zhì)量和生產(chǎn)效率。特別是對那些形狀較為復雜、邊角要求較高的工件更具有優(yōu)越性。利用超聲波清洗技術，還可以在很大的范圍內(nèi)替代強酸、強堿的作用，大大減少對和環(huán)境的污染，并改善工人的勞動環(huán)境，降低勞動強度，對保護生態(tài)環(huán)境，作出貢獻。 對幾種常見的工件表面狀況，用超聲波清洗工藝情況簡介： ????1、拋光件表面拋光膏的清洗。 ????一般情況下，拋光膏常常采用石蠟調(diào)合，石蠟分子量大，熔點較高，常溫下呈固態(tài)，是較難清洗的物質(zhì)，傳統(tǒng)的辦法是采用有機溶劑清洗或高溫堿水煮洗有許多弊病。采用超聲波清洗則可使用水基清洗劑，在中溫條件下，幾分鐘內(nèi)將工件表面徹底清洗干凈，常用工藝流程是：①浸泡→②超聲波清洗→③清水（凈水）漂洗。 ????2、表面有油及少量銹的冷軋鋼板。 冷軋鋼板表面一般有油、污或少量鐵銹，要洗干凈比較容易，但經(jīng)一般方法清洗后，工件表面仍殘留一層非常細薄的浮灰，影響后續(xù)加工質(zhì)量，有時不得不再采用強酸浸泡的辦法去除這層浮灰。而采用超聲波清洗并適當?shù)那逑匆?，可方便快捷地實現(xiàn)工件表面徹底清潔，并使工件表面具有較高的活性，有時甚至可以免去電鍍前酸浸活化工序。 ????3、表面有氧化皮和黃銹的工件。 傳統(tǒng)的辦法是采用鹽酸或硫酸浸泡清洗。如采用超聲波綜合處理技術，可以快捷地在幾分鐘內(nèi)同時去除工件表面的油、銹、并避免了因強酸清洗伴隨產(chǎn)生的氫脆問題。 ????綜上所述，超聲波清洗技術在電鍍等行業(yè)中會有很廣泛的應用前景。近年來諸多電鍍廠商采用無錫美潔超聲波清洗技術設備，替代電鍍線原有的酸堿處理工位獲得成功，使電鍍件質(zhì)量及產(chǎn)量較原來有更大提高，并改善了生產(chǎn)環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 第2章 超聲波發(fā)生器與換能器的概述 2.1 產(chǎn)生超聲波的功率源電路 超聲波功率源(或稱發(fā)生器)是一種用于產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲能量的裝置。超聲波發(fā)生器就其激勵方式有兩種：一種是他激式．另一種是自激式。如果按末級功放管所采用的器件類型分，又可分四種：電子管式超聲發(fā)生器；可控硅逆變式超聲發(fā)生器；晶體管式超聲發(fā)生器及功率模塊超聲發(fā)生器。電子管式與可控硅逆變式目前基本已淘汰，當前廣泛使用的是晶體管式發(fā)生器。他激式超聲發(fā)生器主要包括兩部分，前級是振蕩器，后級是放大器。一般通過輸出變壓器耦合，把超聲能量加到換能器上。而自激式超聲發(fā)生器是把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器集為一體，形成一閉環(huán)回路，回路在滿足幅度、相位反饋條件，組成一個有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機械共振頻率上。 所謂諧振問題就是要求發(fā)生器的輸出信號頻率能對在工作中變化的換能器諧振頻率進行跟蹤，也即稱頻率自動跟蹤。目前常用的頻率自動跟蹤大致有以下幾種方法： 2.1.1 聲跟蹤 以聲耦合方式，從換能器上采集諧振頻率的電訊號，然后反饋至前級放大器，使形成自激振蕩器。其原理框圖如圖2-1所示。 圖2-1 聲跟蹤超聲波發(fā)生器原理框圖 由圖8看出，電路是個閉環(huán)系統(tǒng)，電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個沖擊脈沖，此脈沖經(jīng)預放、功 放去激勵換能器，換能器按自身固有頻率振動。從而在反饋的聲接收器上可得到相同頻率的電訊號。經(jīng)過電路的移相、選頻、預放及功放再去激勵換能器，如果滿足振蕩器的相位，幅度條件，系統(tǒng)將自激振蕩，且振蕩頻率跟蹤在換能器的共振頻率上。 2.1.2 電跟蹤 所謂“電跟蹤”又稱反饋自激式振蕩器。大致有以下幾種形式 2.1.2.1阻抗電橋形式的動態(tài)反饋系統(tǒng) 阻抗電橋形式的動態(tài)反饋系統(tǒng)組成的頻率自動跟蹤電路其原理如下；它是利用電橋平衡原理補償換能器電學臂的無功與有功分量，借助于差動變量器提取與換能器機械臂振蕩電流成正比的反饋電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)在換能器機械共振頻率上自振。本方法對換能器電參數(shù)的補償有可能做到與頻率無關，因而在較寬頻段內(nèi)跟蹤良好。 圖2-2 差動變量器橋式自動頻率跟蹤電路圖 圖2-2中Tf為差動變量器，正反饋電壓Uf，由次級繞組W3引出；初級繞組W1，W2與阻抗Z1、Z2構成電橋四臂，Z1為換能器阻抗(它由機械臂阻抗Zm和電學臂阻抗Ze并聯(lián)而成)，Z2為補償元件的阻抗。Z3用于補償電橋的電抗。設Zm》Ze則Z1 =Ze 。顯然，如滿足條件W1I1=W2I2(W1W2為初級的匝數(shù))，電橋獲得平衡，Tf次級繞組反饋電壓Uf=0。此平衡條件又可表為Z2／Ze=W2／W1 X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n即式中Re/Xe分別為Ze和Z2的實部和虛部。系數(shù)n表示差動變量器初級繞組兩部分的匝數(shù)比，它等于補償元件阻抗與換能器電學臂之比。 一般情況下，流經(jīng)Zm的電流Im使電橋失去平衡，Tf次級繞組將感生出正比于換能器機械臂振蕩電流Im的反饋電壓Uf=Im(W1/W3)Rim式中Rim為振蕩器的輸入電阻。 當系統(tǒng)的自激頻率fo=fr(換能器的機械共振頻率)時，電流Im。將達最大值。系統(tǒng)反饋最強， Uf反饋電壓最大，滿足幅度條件，且Uf與Uin同相，也滿足相位條件，系統(tǒng)自激在換能器機械共振頻率上。假如換能器的機械共振頻率因某種因素減低了，則fo>fr。，負載Zm呈感性，Im的相角為負值，造成Uf滯后于Uin(原先的輸入電壓)，系統(tǒng)振蕩頻率降低從而達到跟蹤的目的。 差動變量器橋式自動頻率跟蹤電路優(yōu)點，在于其對換能器電抗成分的補償與頻率無關，從而保證反饋電壓在很寬的頻率段內(nèi)只與機械振蕩電流有關，跟蹤可靠、失調(diào)較?。? 2.1.2.2負載分壓方式的反饋系統(tǒng) 這種系統(tǒng)如圖2-3所示，圖中的整個電路形成閉環(huán)迥路．電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個電脈沖，經(jīng)功放加至換能器兩端，于是換能器受激振動。其振動頻率為換能器本身的固有頻率，在換能器兩端的振蕩信號，經(jīng)分壓后送至可調(diào)移相器上，再送至功放。當可調(diào)移相器調(diào)至相位滿足自激條件時，系統(tǒng)自激于換能器的固有頻率上。換能器諧振頻率的微小變化，電路系統(tǒng)均能及時跟蹤使工作始終處于最佳狀態(tài)。 圖 2-3 電壓反饋振蕩器 2.1.2.3鎖相式頻率自動跟蹤 鎖相式頻率自動跟蹤系統(tǒng)與前兩種自激系統(tǒng)相比，電路要復雜得多，但能獲得較好的頻率自動跟蹤性能。因此在超聲塑料焊接機的發(fā)生器中獲得越來越廣泛的應用。 采用鎖相技術進行頻率自動跟蹤的關鍵，是如何獲得負載電路中電壓與電流之間的相位差。壓電換能器在諧振頻率附近的等效電路如圖2-4所示。圖中虛線框內(nèi)為換能器等效回路。C0為換能器靜態(tài)電容。Rm為機械阻反映到電端的阻(如果忽略機械損耗，即為反映到電端的輻射阻)，Lm為動態(tài)等效質(zhì)量反映到電端的值；Cm為等效力順反映到電端的動態(tài)電容值；L。為換能器工作在諧振狀態(tài)時的并聯(lián)匹配電感。 圖2-4 壓電換能器等效簡圖 該迥路的諧振頻率ω2 =1/LoCo =1/LmCm在諧振狀態(tài)時，換能器兩端電壓U=iRm ,即電壓與電流是同相的。當換能器失諧時，u與i不再同相，其電抗與頻率特性曲線如圖2-5所示。圖中ωs為串聯(lián)諧振頻率。ωp為并聯(lián)諧振頻率。 圖2-5 諧振點附近電抗與頻率特性圖 圖2-6為串聯(lián)諧振頻率附近的相頻特性。由圖13可知，當ω<ωs時電路呈容性，i超前u，相位差為負；當ωs< ω<ωp時電路呈感性，u超前i，相位差為正。當ω＝ωs時，電路呈純阻特性， i電流與U電壓同相位。因此，換能器兩端的電壓與流過換能器的電流，他們之間的相位差正負、大小，代表激勵信號的頻率與振動系統(tǒng)固有頻率之間的關系。所以，若把電壓、電流相位差信號取出，作為激勵振動系統(tǒng)諧振頻率變化的控制信號，達到頻率跟蹤的目的。這就是鎖相式頻率跟蹤的基本原理。 圖2-6 串聯(lián)諧頻附近的相頻特性 圖2-7 鎖相式頻率自動跟蹤電路框圖 圖2-7中由相位比較器、電壓比較器、低通濾波器、壓控振蕩器、激勵放大器，功率放大器、電流取樣及電壓取樣等組成。這是一個閉環(huán)系統(tǒng)。但由于壓控振蕩器本身可以單獨工作。所以，本系統(tǒng)的開環(huán)亦能工作。開環(huán)時類似于他激式超聲波發(fā)生器。這與自激式振蕩器不一樣。本系統(tǒng)利用了末級換能器上的電壓和電流之間的相位差，經(jīng)相位比較后，獲得相位誤差信號，再經(jīng)低通濾波之后，去 控制壓控振蕩器的輸出信號的頻率。使之保持與振動系統(tǒng)機械諧振頻率一致。 盡管頻率與相位之間有依存變換關系，但兩者構成的反饋系統(tǒng)，從控制結果看，是不相同的。頻率反饋結果，會導致使輸入與輸出信號之間的頻率差盡可能小，而相位反饋結果使兩信號之間相位差盡可能小。根據(jù)頻率與相位所構成的微分——積分關系，相位反饋系統(tǒng)最終導致兩信號頻率差為零。 鎖相式頻率自動跟蹤系統(tǒng)的鎖相環(huán)路有專用集成電路，例如CD4046等。這里不再作詳細介紹，請參考有關集成電路數(shù)據(jù)手冊及鎖相環(huán)原理書籍。 最后，我們總結一下。鎖相式頻率自動跟蹤系統(tǒng)具有如下特點： (1)由于鎖相環(huán)是一個極好的帶通濾波器，因此，不會產(chǎn)生系統(tǒng)誤跟到非諧振的其它頻率之上； (2)頻率自動跟蹤系統(tǒng)的控制信號與取樣的電壓、電波波形之好壞，關系并不大； (3)輸出功率相對較穩(wěn)定。不會因為負載的變化而發(fā)生顯著變化； (4)由于控制系統(tǒng)工作在小信號狀態(tài)下，所以能長時間連續(xù)地工作。 2.2 超聲換能器的概述 超聲學是物理學的重要分支，超聲換能器是超聲學的核心部分。超聲換能器有它自己獨立的學科地位。超聲學的內(nèi)容涉及到:物理，化學、光學，波動學、電子學、數(shù)學以及信號處理等方面。超聲換能器學科研究的方向是，研究盡可能滿足工程實用要求的聲波阻抗、脈沖響應、頻率響應、阻抗匹配、聲學結構、換能材料及振動模式等特性，并設計和協(xié)調(diào)這些基本特性，達到電與聲之間的最佳轉(zhuǎn)換。重點研究壓電現(xiàn)象、磁致伸縮現(xiàn)象及洛侖茲力三種機理。研究聲學邊界現(xiàn)象，如反射、折射和衍射，是超聲換能器設計的中心環(huán)節(jié)。最后是超聲換能器的應用問題。超聲換能器是一門實用性很強的學科，應用領域廣泛，從而增加了許多特殊研究內(nèi)容。如在雷達、聲納中涉及色散信號處理功能，在醫(yī)學超聲、無損檢測中涉及相控陣列和聲成像能力，在通訊學中注重換能器的聲學品質(zhì)因索等?？傊?，超聲換能器學科隨著工積材料學與電子學的發(fā)展，它已經(jīng)悄然成長起來，并對應用工程作出巨大的貢獻。 在我國，超聲學也是一門較早受人注意的分支學科，早在1952年，就開展了超聲探傷研究;1959年超聲應用(探傷、加工、種子處理，顯示、醫(yī)療、粉碎、乳化、染料等)取得了進展。在基礎研究方百也有相當深度，如棒的聲振動、超聲乳化和水巾氣泡的超聲吸收問題，建立了分子聲學實驗設備，對弛豫吸收、懸浮體的聲吸收進行了系列研究，建立了固體中超聲哀減的測量設備，對粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰減進行了深入研究。1996年開始研究了表面波換能器。1974年開始了高頻表面波研究。1977年研制成衷面脈沖壓縮濾波器。進入80年代，我國超聲學面向?qū)嶋H應用。B超醫(yī)療探頭開始投入生產(chǎn)。壓電復合換能材料研制成功，窄脈沖短余振探頭問世;PVDF`高分子壓電薄膜材料趕上并超過國際水平，高分子壓電PVDF'型換能器和超聲顯微鏡研究獲得實用;高頻壓電材料LINBO3的研制成.功和走向?qū)嵱玫??？傊覈晫W、超聲換能器的研究獲得巨大的發(fā)展。 第3章 超聲波發(fā)生器與換能器的匹配設計 3.1 匹配概述 超聲波發(fā)生器與換能器匹配包括兩個方面： 一是通過匹配使發(fā)生器向換能器輸出額定的電功率，這是由于發(fā)生器需要一個最佳的負載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負載，也即阻抗變換作用。 二是通過匹配使發(fā)生器輸出效率最高，這是由于換能器有靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出，使發(fā)生器輸出效率降低，因此在發(fā)生器輸出端并上或串上一個相反的抗，使發(fā)生器負載為純電阻，也即調(diào)諧作用。由此可見匹配的好壞直接影響著功率超聲源的產(chǎn)生和效率。 ? 3.2 阻抗匹配 為了使功率放大器輸出額定功率最大；在電源電壓給定條件下主要取決于負載阻抗。一般在D類開關型功放中其發(fā)生器變壓器初級等效負載Rl'上的輸出功率表達式為： 式中，VAm為等效負載上的基波幅度； vcc為電源電壓；vces為功放管飽和壓降，故 為了保證系統(tǒng)有一定功率余量(因輸出變壓器，末級匹配回路及晶體管損耗電阻都有損耗，po' 需要乘上一個約等于1．4—1．5的系數(shù)。即輸出功率po為1．5Po'；從上式可知，在電源電壓給定之后，輸出功率的大小取決于等效負載RL’。目前大多數(shù)功率超聲發(fā)生器的負載為壓電型換能器，其阻抗約為幾十歐姆至幾百歐姆間，為了要達到要求的額定功率，因此需要對換能器負載RL進行阻抗變換。由高阻抗變換為低阻抗。一般常用的方法，通過輸出變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比進行變換。變壓器次初級匝數(shù)比為n／m，則輸出功率PO時的初級電阻 舉例：要求一發(fā)生器輸出在換能器上的功率為1000W，設直流電VCC為220V，VCES=10V，功率應留有一定余量，則PO=1.5PO'=1500W。則變壓器初級的 6.5Ω 若換能器諧振時等效電阻RL＝200Ω，則輸出變壓器次級／初級圈數(shù)比 以上稱謂阻抗變換，是通過輸出變壓器實行的。 輸出變壓器是超聲波發(fā)生器阻抗匹配、傳輸功率的重要部件，它的設計與繞制工藝對發(fā)生器的工作安全是十分重要的。它不僅會以漏感、勵磁電流等方式影響電路的工作，其漏感還是形成輸出電壓尖峰的主要原因。為此，在設計時，應選取具有高磁通密度B，高導磁率μ，高電阻率ρc和 低矯頑力Hc的高飽和材料作鐵芯。一般在防止高頻變壓器的瞬態(tài)飽和時，在設計時要注意如下幾點： 3.2.1工作磁通密度B的選取 鐵芯材料的磁感應增量ΔB愈大，所需線圈匝數(shù)愈少，直流電阻R也愈小，從而線圈的銅損 Pm也愈小。ΔB取得高時，傳輸?shù)拿}沖前沿就愈陡。因此，在設計變壓器時，選取高磁通密度的材料作鐵芯，這對降低變壓器的損耗、減小體積和重量都是很有利的。為了避免在穩(wěn)態(tài)或過渡過程中發(fā)生飽和，一般選取工作磁通密度B≤Bs／3為宜，這里Bs為磁芯的最大和磁通密度。 3.2.2 要保證初級電感量足夠大 一般要求變壓器初級阻抗應滿足下式關系：WLl≥15RL'，其中RL' 為次級負載所算到初級邊的等效電阻值，WLl為初級電感感抗，若初級電感量太小，勵磁電流將比較大，勵磁電流過大，變壓器的損耗將增加，溫升隨之增高，從而降低Bs，使變壓器進入飽和的可能性增大。 3.2.3 要考慮“集膚效應”的影響 在高頻工作時，流過導線的電流會產(chǎn)生“集膚效應”。這相當于減少了導線有效截面積，增加了導線的電阻，從而引起導線的壓降增大，導致變壓器溫度升高，結果增大了變壓器進入飽和的危險性，建議采用小直徑的多股導線并繞的方法。 3.3 調(diào)諧匹配 由于壓電換能器有靜電容Co，磁致伸縮換能器有靜電感LO，在換能器諧振狀態(tài)時，換能器上的電壓VRL與電流IRL間存在著一相位角φ，其輸出功率PO＝VRLIRLcosφ。由于φ的存在，輸出功率 達不到最大值。只有當φ=0時，輸出功率達最大值。因此為了使換能器上電壓VRL與電流IRL同相 (φ=0)，則必須在換能器上，并上或串上一個相抵消的抗。對于壓電換能器而言，即并上或串上一 個電感L0即可，而磁致伸縮換能器應并上或串上一個電容C0。 壓電換能器的阻抗或?qū)Ъ{等效電路如圖3-1所示。在等效電路圖中 式中R'(f)，X'(f)為串聯(lián)電阻和電抗；R(f)，G(f)，B(f)為并聯(lián)電阻、電導和電納。它們都是頻率 的函數(shù)。并聯(lián)調(diào)諧和串聯(lián)調(diào)諧電感量由下式確定： ? 圖3-1 壓電換能器的阻抗（串聯(lián)）和導納（并聯(lián)） ? ?下面我們比較一下兩種調(diào)諧的差異，圖3-1 3-2 是一種換能器兩種調(diào)諧計算曲線，由計算表明，有以下特點。 1 由于換能器的串聯(lián)電抗比并聯(lián)電抗小，故有L串10kHz時由鄰近效應引起的交流電阻R~約為其直流電阻Rd的2—10倍，銅耗pr也要比直流銅耗Pro增大同樣倍數(shù)。令增大倍數(shù)為k，則： Pr=kPro 因此，為維持電感線圈的正常升溫，電流密度必須按照常規(guī)允許值的1／k-1來選擇。 關于集膚效應，常用高頻電流的穿透深度B來表示： 式中，μ為導線磁導率，r為導線電導率。 為減少集膚效應的影響，所選導線直徑D必須小于兩倍穿透深度B，否則采用扁平線或者高頻線。 在功率超聲中其頻率為15-40千赫的匹配電感導線可以采用多股塑膠線，一般問題不大。 匹配電感連續(xù)工作8小時如果溫升正常，則表明設計是成功的。 結束語 畢業(yè)設計是對我大學學習的一次綜合考試。 通過畢業(yè)設計，加深了我機械專業(yè)的理解，深刻體會到了工程技術人員這幾個字的分量。 通過畢業(yè)設計，我學到了很多東西：如何學習，如何合作，如何做人。 學無止境，此刻我更能體會這四個字深刻含義。大學即將畢業(yè)，但我要學仍然還有很多。在畢業(yè)設計暴露出來的問題，在今后的工作生活中應當引以為鑒，努力克服。在今后的工作學習中，應該堅持不懈的學習。 通過畢業(yè)設計，也增強了我的自信心。我也相信能夠勝任以后的工作崗位，在工作中學習，在學習中工作。 畢業(yè)設計中的挫折和喜悅，經(jīng)驗與教訓將會是我今后工作的一筆重要財富。 感謝楊老師的悉心指導。楊老師嚴謹治學，知識淵博，能夠成為楊老師的學生是我榮幸! 感謝各位老師的指點和寶貴意見！ 參考文獻 [l] 應崇福.超聲學[M].北京:科學出版社,1990.223-225 [2] 程存弟.超聲技術[M]. 陜西:陜西師范大學出版社，1993.110-123 [3] 洛福德.杜連耀.超聲工程[M]. 北京:科學出版社，1959.145-148 [4] 袁易全.超聲換能器[M]. 南京:南京大學出版社，1992.23-26 [5] 陳桂生.超聲換能器設計[M].北京:海洋出版社，1984.45-56 [6] 馮若.李化茂.聲化學及其應用[M]. 安徽:安徽科學技術出版社，1992.25-32 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