超聲波發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計(jì)【CAD圖紙+說明書】

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清洗作為一種古老而又新興的活動(dòng)和技術(shù)，正日益引起人們的興趣和關(guān)注．清洗是一門技術(shù)，是一個(gè)新興的多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域。清洗行業(yè)量大而面廣，無處不有，與人類社會(huì)生產(chǎn)，生活各方面息息相關(guān)．清洗技術(shù)的發(fā)展是人類文明的一個(gè)重要標(biāo)志，清洗技術(shù)水平反映了一個(gè)人．一個(gè)民族、一個(gè)國家的文明進(jìn)步程度和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。 今后．清洗技術(shù)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(shù)研究開發(fā)隊(duì)伍．一些現(xiàn)在存在的行業(yè)技術(shù)問題得到解決，行業(yè)總體技術(shù)水平大幅度提高．新技術(shù)．新產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，各種新穎的清洗設(shè)備進(jìn)入市場和人們的日常生活．人們將不再只是依靠經(jīng)驗(yàn)來清洗．各種實(shí)用化的計(jì)算機(jī)軟件將問世；行業(yè)分工更加專業(yè)、細(xì)致，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)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(yīng)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(dòng)波，介質(zhì)的壓力作交替變化。如果對液體中某一確定點(diǎn)進(jìn)行觀察，這點(diǎn)的壓力如圖2曲線A所示。以靜壓(一般一個(gè)大氣壓)為中心，產(chǎn)生壓力的增減，若依次增強(qiáng)超聲波的強(qiáng)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(diǎn)受壓情況 生負(fù)的壓力。 所謂負(fù)壓，但實(shí)際上負(fù)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(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到超聲波清洗一定值時(shí)，氣泡將迅猛增長，然后又突然閉合，在氣泡閉合時(shí)，由于液體間相互碰撞產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)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(gè)因素作用所引起。 (1)因空泡破滅時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)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(fù)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(jìn)，直到污垢層被剝下為止。這就是空化二次效應(yīng)。 圖1-2 氣泡的作用 (3)超聲清洗中清洗液的超聲振動(dòng)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(shí)，它將引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，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(xué)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(xué)參數(shù)和清洗液的物理化學(xué)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(guān)。空化閡的高低受到許多因素制約，主要有如下幾個(gè)因素： (1)空化閡與工作頻率fa有關(guān)。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(jìn)行振動(dòng)，但不一定發(fā)生崩潰(破滅)，只有當(dāng)聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時(shí)才可能使氣泡破滅，而當(dāng)聲波的頻率高于氣泡的諧振頻率時(shí)，氣泡只進(jìn)行復(fù)雜的振動(dòng)，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(guān)，半徑越小，空化閡越高。 (3)寶化閡與聲波作用時(shí)間長短有關(guān)，聲波幅射時(shí)間越長，空化闡越低。 (4)空化閡與環(huán)境靜壓力有關(guān)，靜壓力越 大，空化閡越高。 (5)空化閡與介質(zhì)的粘滯性有關(guān)，粘度大，表面張力大，空化閡高。 (6)空化閡與液體含氣量有關(guān)，含氣量越少，空化閡越高。 (7)空化閡與清洗液溫度有關(guān)，清洗液溫度升高，對空化有利。但清洗液溫度過高時(shí)，氣泡中蒸氣壓增大，因在氣泡閉合期增強(qiáng)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(guān)。對于水清洗液較適宜的溫度約為60Y。 根據(jù)超聲清洗的機(jī)理我們可選擇最佳狀態(tài)，并得到最佳的清洗效果。還應(yīng)注意到選擇最佳的聲強(qiáng)。聲強(qiáng)過高會(huì)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(gè)液體空間，因而在遠(yuǎn)離聲源的地方，清洗作用減弱。同時(shí)過高的聲強(qiáng)，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(qiáng)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(yīng)采用較高的聲強(qiáng)。 1.2 超聲波清洗的應(yīng)用 1.2.1 超聲波清洗的主要應(yīng)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(jī)器另部件 繼電器、開關(guān)、印制電路板、電位器、真空管另件、半導(dǎo)體元件、硅片、電容器、照相機(jī)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(jī)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(xué)、機(jī)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(fù)合物、玻璃纖維 有機(jī)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(diǎn)火栓、氣化栓、燃料泵、蓄電池電極、活塞環(huán)、機(jī)器操縱盤另件、摩托車和汽車油箱。 油、油脂、防腐劑、機(jī)械切屑、塑料殘留物、研磨磨料、玻璃纖維、塵埃、石墨、焦油。 有機(jī)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?jiān)? 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(shè)備、機(jī)械控制設(shè)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(jī)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(jī)、金屬板。 墨跡、指紋、油、染料。 輕油、有機(jī)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(jì)、燈泡、軟片、電傳機(jī)、絕緣子。 墨跡、油、塵土、紗屑、銹、泥、接觸海水的鹽分。 有機(jī)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(jī)性清洗液、乙醇、丙酮等 醫(yī)療 注射器、手術(shù)機(jī)械、吸量管、玻璃容器、食道鏡、齒科機(jī)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(jī)械工具 絲桿、噴咀、齒輪、夾具、固定裝置用附件、彈簧、氣門、游標(biāo)卡尺等工量具。 磨料、鐵屑、防銹劑、復(fù)合物、切削油、冷卻油、研磨油。 有機(jī)清洗液、復(fù)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(jī) 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)用一體式結(jié)構(gòu)，而大功率清洗機(jī)采用分體式結(jié)構(gòu)。超聲波清洗機(jī)分體式結(jié)構(gòu)由三個(gè)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(jī)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(jī)用的超聲波發(fā)生器，有以下特點(diǎn)： (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(shí)踐表明，槽內(nèi)放進(jìn)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(fù)載變動(dòng)較小，可以不要求復(fù)雜的頻率自動(dòng)跟蹤電路。 (3)實(shí)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(jī)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(dǎo)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(diǎn)為效率較壓電換能器低，原材料鎳片價(jià)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(jī)用的是壓電式換能器，勘L形結(jié)構(gòu)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(tái)清洗機(jī)用多個(gè)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(tái)清洗機(jī)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(dòng)，且振動(dòng)板受到腐蝕，同時(shí)輻射面相對減少。 通用超聲清洗機(jī)清洗零件適用性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于電子、鐘表、光學(xué)、機(jī)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(jī) 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(shè)備，被清洗物件從進(jìn)料口可傳動(dòng)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(shí)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(jìn)料：物件進(jìn)料可采用半自動(dòng)進(jìn)料或 ⑧出料：物件出料可采用自動(dòng)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(shí)現(xiàn)利用超聲波清洗的全過程。 1.2.4 超聲波清洗機(jī)應(yīng)用于電鍍前處理 ??? 利用超聲波在液體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)，可以清洗掉工件表面沾附的油污，配合適當(dāng)?shù)那逑磩?，可以迅速地對工件表面?shí)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(shù)是能達(dá)到此要求的理想技術(shù)。利用超聲波清洗技術(shù)，可以替代溶劑清洗油污；可以替代電解除油；可以替代強(qiáng)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(shù)的應(yīng)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(fù)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(shù)，還可以在很大的范圍內(nèi)替代強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的作用，大大減少對和環(huán)境的污染，并改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境，作出貢獻(xiàn)。 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(diǎn)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(jī)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(xì)薄的浮灰，影響后續(xù)加工質(zhì)量，有時(shí)不得不再采用強(qiáng)酸浸泡的辦法去除這層浮灰。而采用超聲波清洗并適當(dāng)?shù)那逑匆?，可方便快捷地?shí)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(shí)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(shù)，可以快捷地在幾分鐘內(nèi)同時(shí)去除工件表面的油、銹、并避免了因強(qiáng)酸清洗伴隨產(chǎn)生的氫脆問題。 ????綜上所述，超聲波清洗技術(shù)在電鍍等行業(yè)中會(huì)有很廣泛的應(yīng)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(shù)設(shè)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(jì)效益和社會(huì)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(lì)方式有兩種：一種是他激式．另一種是自激式。如果按末級(jí)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(dāng)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(jí)是振蕩器，后級(jí)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(gè)有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機(jī)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(hào)頻率能對在工作中變化的換能器諧振頻率進(jìn)行跟蹤，也即稱頻率自動(dòng)跟蹤。目前常用的頻率自動(dòng)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(hào)，然后反饋至前級(jí)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(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)沖擊脈沖，此脈沖經(jīng)預(yù)放、功 放去激勵(lì)換能器，換能器按自身固有頻率振動(dòng)。從而在反饋的聲接收器上可得到相同頻率的電訊號(hào)。經(jīng)過電路的移相、選頻、預(yù)放及功放再去激勵(lì)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?zhàn)约な秸袷幤?。大致有以下幾種形式 2.1.2.1阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng) 阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)組成的頻率自動(dòng)跟蹤電路其原理如下；它是利用電橋平衡原理補(bǔ)償換能器電學(xué)臂的無功與有功分量，借助于差動(dòng)變量器提取與換能器機(jī)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(jī)械共振頻率上自振。本方法對換能器電參數(shù)的補(bǔ)償有可能做到與頻率無關(guān)，因而在較寬頻段內(nèi)跟蹤良好。 圖2-2 差動(dòng)變量器橋式自動(dòng)頻率跟蹤電路圖 圖2-2中Tf為差動(dòng)變量器，正反饋電壓Uf，由次級(jí)繞組W3引出；初級(jí)繞組W1，W2與阻抗Z1、Z2構(gòu)成電橋四臂，Z1為換能器阻抗(它由機(jī)械臂阻抗Zm和電學(xué)臂阻抗Ze并聯(lián)而成)，Z2為補(bǔ)償元件的阻抗。Z3用于補(bǔ)償電橋的電抗。設(shè)Zm》Ze則Z1 =Ze 。顯然，如滿足條件W1I1=W2I2(W1W2為初級(jí)的匝數(shù))，電橋獲得平衡，Tf次級(jí)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(shí)部和虛部。系數(shù)n表示差動(dòng)變量器初級(jí)繞組兩部分的匝數(shù)比，它等于補(bǔ)償元件阻抗與換能器電學(xué)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(jí)繞組將感生出正比于換能器機(jī)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(dāng)系統(tǒng)的自激頻率fo=fr(換能器的機(jī)械共振頻率)時(shí)，電流Im。將達(dá)最大值。系統(tǒng)反饋?zhàn)顝?qiáng)， 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(jī)械共振頻率上。假如換能器的機(jī)械共振頻率因某種因素減低了，則fo>fr。，負(fù)載Zm呈感性，Im的相角為負(fù)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(dá)到跟蹤的目的。 差動(dòng)變量器橋式自動(dòng)頻率跟蹤電路優(yōu)點(diǎn)，在于其對換能器電抗成分的補(bǔ)償與頻率無關(guān)，從而保證反饋電壓在很寬的頻率段內(nèi)只與機(jī)械振蕩電流有關(guān)，跟蹤可靠、失調(diào)較小． 2.1.2.2負(fù)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(gè)電路形成閉環(huán)迥路．電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，經(jīng)功放加至換能器兩端，于是換能器受激振動(dòng)。其振動(dòng)頻率為換能器本身的固有頻率，在換能器兩端的振蕩信號(hào)，經(jīng)分壓后送至可調(diào)移相器上，再送至功放。當(dāng)可調(diào)移相器調(diào)至相位滿足自激條件時(shí)，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(shí)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(dòng)跟蹤 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與前兩種自激系統(tǒng)相比，電路要復(fù)雜得多，但能獲得較好的頻率自動(dòng)跟蹤性能。因此在超聲塑料焊接機(jī)的發(fā)生器中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 采用鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤的關(guān)鍵，是如何獲得負(fù)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(jī)械阻反映到電端的阻(如果忽略機(jī)械損耗，即為反映到電端的輻射阻)，Lm為動(dòng)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(dòng)態(tài)電容值；L。為換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)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(shí)，換能器兩端電壓U=iRm ,即電壓與電流是同相的。當(dāng)換能器失諧時(shí)，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(diǎn)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(dāng)ω<ωs時(shí)電路呈容性，i超前u，相位差為負(fù)；當(dāng)ωs< ω<ωp時(shí)電路呈感性，u超前i，相位差為正。當(dāng)ω＝ωs時(shí)，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(fù)、大小，代表激勵(lì)信號(hào)的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系。所以，若把電壓、電流相位差信號(hào)取出，作為激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率變化的控制信號(hào)，達(dá)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(dòng)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(lì)放大器，功率放大器、電流取樣及電壓取樣等組成。這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。但由于壓控振蕩器本身可以單獨(dú)工作。所以，本系統(tǒng)的開環(huán)亦能工作。開環(huán)時(shí)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(jí)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(hào)，再經(jīng)低通濾波之后，去 控制壓控振蕩器的輸出信號(hào)的頻率。使之保持與振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械諧振頻率一致。 盡管頻率與相位之間有依存變換關(guān)系，但兩者構(gòu)成的反饋系統(tǒng)，從控制結(jié)果看，是不相同的。頻率反饋結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致使輸入與輸出信號(hào)之間的頻率差盡可能小，而相位反饋結(jié)果使兩信號(hào)之間相位差盡可能小。根據(jù)頻率與相位所構(gòu)成的微分——積分關(guān)系，相位反饋系統(tǒng)最終導(dǎo)致兩信號(hào)頻率差為零。 鎖相式頻率自動(dòng)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(xì)介紹，請參考有關(guān)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(jié)一下。鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： (1)由于鎖相環(huán)是一個(gè)極好的帶通濾波器，因此，不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤跟到非諧振的其它頻率之上； (2)頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制信號(hào)與取樣的電壓、電波波形之好壞，關(guān)系并不大； (3)輸出功率相對較穩(wěn)定。不會(huì)因?yàn)樨?fù)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(hào)狀態(tài)下，所以能長時(shí)間連續(xù)地工作。 2.2 超聲換能器的概述 超聲學(xué)是物理學(xué)的重要分支，超聲換能器是超聲學(xué)的核心部分。超聲換能器有它自己獨(dú)立的學(xué)科地位。超聲學(xué)的內(nèi)容涉及到:物理，化學(xué)、光學(xué)，波動(dòng)學(xué)、電子學(xué)、數(shù)學(xué)以及信號(hào)處理等方面。超聲換能器學(xué)科研究的方向是，研究盡可能滿足工程實(shí)用要求的聲波阻抗、脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、阻抗匹配、聲學(xué)結(jié)構(gòu)、換能材料及振動(dòng)模式等特性，并設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)這些基本特性，達(dá)到電與聲之間的最佳轉(zhuǎn)換。重點(diǎn)研究壓電現(xiàn)象、磁致伸縮現(xiàn)象及洛侖茲力三種機(jī)理。研究聲學(xué)邊界現(xiàn)象，如反射、折射和衍射，是超聲換能器設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)。最后是超聲換能器的應(yīng)用問題。超聲換能器是一門實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，從而增加了許多特殊研究內(nèi)容。如在雷達(dá)、聲納中涉及色散信號(hào)處理功能，在醫(yī)學(xué)超聲、無損檢測中涉及相控陣列和聲成像能力，在通訊學(xué)中注重?fù)Q能器的聲學(xué)品質(zhì)因索等?？傊?，超聲換能器學(xué)科隨著工積材料學(xué)與電子學(xué)的發(fā)展，它已經(jīng)悄然成長起來，并對應(yīng)用工程作出巨大的貢獻(xiàn)。 在我國，超聲學(xué)也是一門較早受人注意的分支學(xué)科，早在1952年，就開展了超聲探傷研究;1959年超聲應(yīng)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(jìn)展。在基礎(chǔ)研究方百也有相當(dāng)深度，如棒的聲振動(dòng)、超聲乳化和水巾氣泡的超聲吸收問題，建立了分子聲學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對弛豫吸收、懸浮體的聲吸收進(jìn)行了系列研究，建立了固體中超聲哀減的測量設(shè)備，對粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰減進(jìn)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(jìn)入80年代，我國超聲學(xué)面向?qū)嶋H應(yīng)用。B超醫(yī)療探頭開始投入生產(chǎn)。壓電復(fù)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(shí)用;高頻壓電材料LINBO3的研制成.功和走向?qū)嵱玫?。總之，我國超聲學(xué)、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(shè)計(jì) 3.1 匹配概述 超聲波發(fā)生器與換能器匹配包括兩個(gè)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(gè)最佳的負(fù)載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負(fù)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(gè)相反的抗，使發(fā)生器負(fù)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(fù)載阻抗。一般在D類開關(guān)型功放中其發(fā)生器變壓器初級(jí)等效負(fù)載Rl'上的輸出功率表達(dá)式為： 式中，VAm為等效負(fù)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(jí)匹配回路及晶體管損耗電阻都有損耗，po' 需要乘上一個(gè)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(fù)載RL’。目前大多數(shù)功率超聲發(fā)生器的負(fù)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(dá)到要求的額定功率，因此需要對換能器負(fù)載RL進(jìn)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(jí)線圈的匝數(shù)比進(jìn)行變換。變壓器次初級(jí)匝數(shù)比為n／m，則輸出功率PO時(shí)的初級(jí)電阻 舉例：要求一發(fā)生器輸出在換能器上的功率為1000W，設(shè)直流電VCC為220V，VCES=10V，功率應(yīng)留有一定余量，則PO=1.5PO'=1500W。則變壓器初級(jí)的 6.5Ω 若換能器諧振時(shí)等效電阻RL＝200Ω，則輸出變壓器次級(jí)／初級(jí)圈數(shù)比 以上稱謂阻抗變換，是通過輸出變壓器實(shí)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(shè)計(jì)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(huì)以漏感、勵(lì)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選取具有高磁通密度B，高導(dǎo)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(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意如下幾點(diǎn)： 3.2.1工作磁通密度B的選取 鐵芯材料的磁感應(yīng)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(shí)，傳輸?shù)拿}沖前沿就愈陡。因此，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，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(jí)電感量足夠大 一般要求變壓器初級(jí)阻抗應(yīng)滿足下式關(guān)系：WLl≥15RL'，其中RL' 為次級(jí)負(fù)載所算到初級(jí)邊的等效電阻值，WLl為初級(jí)電感感抗，若初級(jí)電感量太小，勵(lì)磁電流將比較大，勵(lì)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(jìn)入飽和的可能性增大。 3.2.3 要考慮“集膚效應(yīng)”的影響 在高頻工作時(shí)，流過導(dǎo)線的電流會(huì)產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”。這相當(dāng)于減少了導(dǎo)線有效截面積，增加了導(dǎo)線的電阻，從而引起導(dǎo)線的壓降增大，導(dǎo)致變壓器溫度升高，結(jié)果增大了變壓器進(jìn)入飽和的危險(xiǎn)性，建議采用小直徑的多股導(dǎo)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(shí)，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(dá)不到最大值。只有當(dāng)φ=0時(shí)，輸出功率達(dá)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(gè)相抵消的抗。對于壓電換能器而言，即并上或串上一 個(gè)電感L0即可，而磁致伸縮換能器應(yīng)并上或串上一個(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(jì)算曲線，由計(jì)算表明，有以下特點(diǎn)。 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(shí)由鄰近效應(yīng)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(guān)于集膚效應(yīng)，常用高頻電流的穿透深度B來表示： 式中，μ為導(dǎo)線磁導(dǎo)率，r為導(dǎo)線電導(dǎo)率。 為減少集膚效應(yīng)的影響，所選導(dǎo)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(dǎo)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(shí)如果溫升正常，則表明設(shè)計(jì)是成功的。 結(jié)束語 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我大學(xué)學(xué)習(xí)的一次綜合考試。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，加深了我機(jī)械專業(yè)的理解，深刻體會(huì)到了工程技術(shù)人員這幾個(gè)字的分量。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西：如何學(xué)習(xí)，如何合作，如何做人。 學(xué)無止境，此刻我更能體會(huì)這四個(gè)字深刻含義。大學(xué)即將畢業(yè)，但我要學(xué)仍然還有很多。在畢業(yè)設(shè)計(jì)暴露出來的問題，在今后的工作生活中應(yīng)當(dāng)引以為鑒，努力克服。在今后的工作學(xué)習(xí)中，應(yīng)該堅(jiān)持不懈的學(xué)習(xí)。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，也增強(qiáng)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(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中工作。 畢業(yè)設(shè)計(jì)中的挫折和喜悅，經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)將會(huì)是我今后工作的一筆重要財(cái)富。 感謝楊老師的悉心指導(dǎo)。楊老師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，知識(shí)淵博，能夠成為楊老師的學(xué)生是我榮幸! 感謝各位老師的指點(diǎn)和寶貴意見！ 參考文獻(xiàn) [l] 應(yīng)崇福.超聲學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1990.223-225 [2] 程存弟.超聲技術(shù)[M]. 陜西:陜西師范大學(xué)出版社，1993.110-123 [3] 洛福德.杜連耀.超聲工程[M]. 北京:科學(xué)出版社，1959.145-148 [4] 袁易全.超聲換能器[M]. 南京:南京大學(xué)出版社，1992.23-26 [5] 陳桂生.超聲換能器設(shè)計(jì)[M].北京:海洋出版社，1984.45-56 [6] 馮若.李化茂.聲化學(xué)及其應(yīng)用[M]. 安徽:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1992.25-32 [7]錫林等.超聲波焊接[M].北京:國防工業(yè)出版社，1963.789-798 [8] 巴比科夫.超聲波及其在工業(yè)上的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，1962.456-465 [9] E. 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