畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-超聲波發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計(jì)全套圖紙

1、前言 1第 1 章超聲波清洗的原理與應(yīng)用 31.1超聲波清洗的原理 51.2超聲波清洗的應(yīng)用 51.2.1 超聲波清洗的主要應(yīng)用范圍 61.2.2 通用超聲波清洗機(jī)應(yīng)用 81.2.3 專用超聲波清洗機(jī)應(yīng)用 101.2.4 超聲波清洗機(jī)應(yīng)用于電鍍前處 11第 2 章超聲波發(fā)生器與換能器的概述 121產(chǎn)生超聲波的功率源電路 121.1聲跟蹤 131.1電跟蹤 131.1.2阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng) 141.1.2負(fù)載分壓方式的反饋系統(tǒng) 151.1.2鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤 171超聲換能器的概述 18第 3 章超聲波發(fā)生器與換能器的匹配設(shè)計(jì) 191匹配概述 191阻抗匹配 201.2工作磁通密度 B

2、 的選取 201.2要保證初級(jí)電感量足夠大 211.2要考慮“集膚效應(yīng)”的影響 211調(diào)諧匹配 231關(guān)于匹配電感的設(shè)計(jì) 25結(jié)束語(yǔ)參考文獻(xiàn)致謝清洗是一種與人們生活實(shí)踐關(guān)系十分密切的勞動(dòng)， 人類從遠(yuǎn)古時(shí)期就開(kāi)始從事這種勞動(dòng)。由于傳統(tǒng)清洗操作簡(jiǎn)單，或只是作為一道工序依附于生產(chǎn)過(guò)程中，沒(méi)有引起廣泛關(guān)注。進(jìn)入 21 世紀(jì)，人們生活已經(jīng)從溫飽階段進(jìn)入到舒適時(shí)代，對(duì)于清洗產(chǎn)品越來(lái)越多的需求，加速了新產(chǎn)品研發(fā)步伐；同時(shí)，制造業(yè)的高速發(fā)展，也促進(jìn)了清洗設(shè)備、清洗劑等企業(yè)的快速進(jìn)步。民用、工業(yè)兩大清洗領(lǐng)域巨大的市場(chǎng)需求，造就了中國(guó)清洗行業(yè)嶄新的未來(lái)。清洗可以從不同的角度進(jìn)行分類，根據(jù)清洗范圍的不同，目前通常將

3、清洗分為民用清洗和工業(yè)清洗兩類，近年來(lái)，新技術(shù)也不斷地被應(yīng)用于清洗技術(shù)之中，如隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的酶和微生物在清洗技術(shù)中被使用。這利用的是生物化學(xué)反應(yīng)；在空氣凈化和水處理過(guò)程中，活性炭的使用也越來(lái)越普及，這利用的是吸附作用，另外，還有電解清洗等，因此，將清洗簡(jiǎn)單地分為幾類，已經(jīng)不能完全涵蓋當(dāng)前清洗技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)狀況。關(guān)鍵詞超聲波，清洗，阻抗，發(fā)生器，換能器在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境下，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，許多企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，將采用清洗工藝來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前在一些工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用超聲波清洗是一種洗凈效果好，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，有利于環(huán)保的清

4、洗工藝。超聲波清洗機(jī)可以應(yīng)用于清洗各式各樣體形大小，形狀復(fù)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(jī)零件、油咀油泵、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環(huán)、銃刀、鋸片、寶石、醫(yī)用注射器及各種光學(xué)鏡頭等；還可以用于清洗印制板、半導(dǎo)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(jī)械物理力清洗的方法或化學(xué)力清洗的方法，還可以用各種組合方法來(lái)進(jìn)行清洗。若是用自來(lái)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(duì)不同的清洗對(duì)象選用不同的洗滌劑，更具有明顯的

5、清洗效果。表0-1為幾種清洗方法洗凈效果比較。清洗方法剩余殘留物%吹式清洗浸潤(rùn)式清洗8670蒸氣式清洗65刷子清洗超聲波清洗80-0.5表0-1為兩種清洗方法洗凈效果比較超聲波清洗60-20V1020304050清法時(shí)間 min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(dòng)和技術(shù)， 正日益引起人們的興趣和關(guān)注.清洗是一門(mén)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(wú)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(guó)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

6、.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(kāi)發(fā)隊(duì)伍.一些現(xiàn)在存在的行業(yè)技術(shù)問(wèn)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(chǎng)和人們的日常生活.人們將不再只是依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)清洗.各種實(shí)用化的計(jì)算機(jī)軟件將問(wèn)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(wú)限美好！80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(duì)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)

7、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(chǎng)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(zhǎng)，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(shuō)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(guò)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(lái)，即分散及脫落。(

8、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(kāi)，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)壓力空化形成空化消失圖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(duì)清洗的作用力。例如：20kHz,2Wcm2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.OdXIOdrnKsz,(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(wàn)次的激烈沖

9、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(chǎng)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(lái)說(shuō)，空化不僅由介質(zhì)特性決定，而且也與聲場(chǎng)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(chǎng)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

10、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(zhǎng)短有關(guān)，聲波幅射時(shí)間越長(zhǎng)，空化閘越低。(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(duì)空化有利。但清洗液溫度過(guò)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(duì)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(guò)高會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，在聲波表面形成一道

11、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(guò)高的聲強(qiáng)，氣泡膨脹過(guò)大，以至于在聲波壓縮相內(nèi)，氣泡來(lái)不及閉合。聲強(qiáng)一般選在1Wcm2-2Wcm2,對(duì)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)。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(mén)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)器另部牛繼電器、開(kāi)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(mén)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、內(nèi)酮。銹、氧貨物、鹽、手垢、塵土。堿性清洗液、中性、酸性清洗液、水。王石加工

12、、 鐘表、光學(xué)、機(jī)械等精密工儀器、儀表、鐘表字盤(pán)、另部件；齒輪、弓單簧、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(mén)、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(pán)另油、油脂、防腐劑、機(jī)械切屑、塑料殘留物、研磨磨料、玻璃纖維、有機(jī)性清洗液(三氯乙烯等)、 輕油、堿性清洗液。件、摩托車和汽布油箱。塵埃、石墨、焦油。橡膠，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(guò)濾器、燃料儀器、儀器儀

13、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、食道鐮、內(nèi)科機(jī)械、直腸鐮、方向鏡、

14、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(mén)、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。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(kāi)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；

15、(3)超聲波換能器；清洗缸：清洗缸是用來(lái)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(lái)已經(jīng)發(fā)展到用大功率“功率模塊”的方式。具輸出功率從幾十瓦直到幾千瓦，工作頻率從15kH40kHzo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(lái)說(shuō)，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)

16、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：磁致伸縮換能器國(guó)內(nèi)用的磁致伸縮換能器大多數(shù)是用鍥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(zhǎng)。缺點(diǎn)為效率較壓電換能器低，原材料鍥片價(jià)格貴。壓電式換能器目前國(guó)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。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(duì)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

17、腐蝕，同時(shí)輻射面相對(duì)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)。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)流水線上磨制一舞TJ單青洗一后“肆一風(fēng)刀攻男一戰(zhàn)風(fēng)就干一冷風(fēng)一出疆圖圖6軟磁器件專用超聲波清洗設(shè)備軟磁器件專用超聲波清洗設(shè)備圖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(kù)。各工序簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：進(jìn)料：物件進(jìn)料可采用半自動(dòng)進(jìn)料或出料：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(guò)上述工序

18、就完成了物件實(shí)現(xiàn)利用超聲波清洗的全過(guò)程。37 浸沒(méi)式換能圈超聲波清洗機(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?duì)工件表面實(shí)現(xiàn)高清潔度的處理。電鍍工藝，對(duì)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(jiǎn)化，并大大提高清洗質(zhì)量和生產(chǎn)效率。特別是對(duì)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、

19、強(qiáng)堿的作用，大大減少對(duì)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(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，作出貢獻(xiàn)。對(duì)幾種常見(jiàn)的工件表面狀況，用超聲波清洗工藝情況簡(jiǎn)介:1、拋光件表面拋光膏的清洗。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：浸泡一超聲波清洗一清水（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

20、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)那逑匆海煞奖憧旖莸貙?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03、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(wèn)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(lái)諸多電鍍廠商采用無(wú)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(lái)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。

21、第2章超聲波發(fā)生器與換能器的概述產(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(guò)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

22、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(wèn)題就是要求發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率能對(duì)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：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(guò)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

23、，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。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(wú)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(duì)換能器電參數(shù)的補(bǔ)償有可能做到與頻率無(wú)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W1W2與阻抗Z1、Z2構(gòu)成電橋四臂，Z1為換能器阻

24、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)ZmZe則Z1=Ze。顯然，如滿足條件W1I1=W2I2（W1W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=0o此平衡條件又可表為Z2/Ze=W2/W1X2/Xe=R2/Re=W2/W1=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

25、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fofr。 ， 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(duì)換能器電抗成分的補(bǔ)償與頻率無(wú)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.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)

26、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(lái)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

27、。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。RW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等效力順?lè)从车诫姸说膭?dòng)態(tài)電容值；Lo為換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)的并聯(lián)匹配電感。所能秸?qǐng)D2-4壓電換能器等效簡(jiǎn)圖該迥路的諧振頻率2=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cos為串聯(lián)諧振頻率。cop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)cos時(shí)電路呈容性

28、，i超前u,相位差為負(fù)；當(dāng)cos必p時(shí)電路呈感性，u超前i,相位差為正。當(dāng)=cos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(guò)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

29、，本系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)亦能工作。開(kāi)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)成的微分一一積分關(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CD404舜。這里不再作詳細(xì)介紹

30、，請(qǐng)參考有關(guān)集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)及鎖相環(huán)原理書(shū)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地工作。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

31、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(wèn)題。超聲換能器是一門(mén)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?jī)?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(wú)損檢測(cè)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晸Q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(zhǎng)起來(lái)，并對(duì)應(yīng)用工程作出巨大的貢獻(xiàn)。在我國(guó)

32、， 超聲學(xué)也是一門(mén)較早受人注意的分支學(xué)科， 早在1952年， 就開(kāi)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(wèn)題，建立了分子聲學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)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(cè)量設(shè)備，對(duì)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(kāi)始研究了表面波換能器。1974年開(kāi)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(guó)超聲學(xué)面向?qū)嶋H應(yīng)用。B超醫(yī)療探頭開(kāi)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

33、問(wèn)世；PVDF高分子壓電薄膜材料趕上并超過(guò)國(guó)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?guó)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)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(guò)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(guò)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，

34、因此在發(fā)生器輸出端并上或用上一個(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(jiàn)匹配的好壞直接影響著功率超聲源的產(chǎn)生和效率。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(kāi)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;2VAhl=v（乙一2七1Tvcc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

35、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問(wèn)，為了要達(dá)到要求的額定功率，因此需要對(duì)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(guò)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n(ym220V,VCES=10V,功率應(yīng)留有一定余量，則PO=1.5PO=1500W。則變壓器初級(jí)的立2(匕2匕”y2(220-一500X/R5O6.5Q若換能器諧振時(shí)等效電阻RL=200Q,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(guò)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

36、重要部件，它的設(shè)計(jì)與繞制工藝對(duì)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)磁率內(nèi)高電阻率pc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AB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。AB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(duì)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(guò)渡過(guò)程中發(fā)生飽和，一般選取

37、工作磁通密度B15RL,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(guò)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。要考慮“集膚效應(yīng)”的影響在高頻工作時(shí)，流過(guò)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。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間存在著一相位角八具輸出功率

38、PO=VRLIRLcos()。由于小的存在，輸出功率達(dá)不到最大值。只有當(dāng)(|)=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(小=0)則必須在換能器上，并上或用上一個(gè)相抵消的抗。對(duì)于壓電換能器而言，即并上或申上一個(gè)電感L0即可，而磁致伸縮換能器應(yīng)并上或用上一個(gè)電容C0o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/9(/=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:FIxg7xg-L1RH)*x( (介圖3-1壓電換能器的阻抗（串聯(lián)）和導(dǎo)納（并聯(lián)）下面

39、我們比較一下兩種調(diào)諧的差異，圖3-13-2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用L并。圖3-2換能器在并聯(lián)、串聯(lián)調(diào)諧后的輸入相角2并聯(lián)調(diào)諧不改變換能器并聯(lián)電導(dǎo)響應(yīng)，而串聯(lián)調(diào)諧后電導(dǎo)響應(yīng)呈雙峰，導(dǎo)納圓圖為二個(gè)重疊的圓一州 L0.40衛(wèi)0-0.2-0.40.6-0.8/(kHz)圖3-3換能器在并聯(lián)調(diào)諧后的電導(dǎo)、3串聯(lián)調(diào)諧的有功阻比并聯(lián)調(diào)諧后有功阻小，即串聯(lián)調(diào)諧可獲得相對(duì)低的輸入電阻。4從申、并聯(lián)調(diào)諧的輸入相角過(guò)零點(diǎn)情況看，作為寬帶特性并聯(lián)調(diào)諧優(yōu)于申聯(lián)調(diào)諧。5目前在功率超聲中用串聯(lián)調(diào)諧較多，除上述串聯(lián)的特性外，還有當(dāng)換能器負(fù)載有短路現(xiàn)象時(shí)

40、，因串聯(lián)調(diào)諧有電感用在發(fā)生器輸出回路中，不會(huì)使功放負(fù)載造成完全短路。在實(shí)際匹配電路調(diào)節(jié)中，有時(shí)要稍調(diào)獲感性負(fù)載為好，對(duì)功放電路有利，有的末極功放發(fā)射極上用上一小電感可能也有好處。前面也曾提到，作為電壓開(kāi)關(guān)的D類功放，容性負(fù)載造成對(duì)高次諧波的短路作用，會(huì)給開(kāi)關(guān)帶來(lái)危險(xiǎn)。但也要注意感性負(fù)載會(huì)使管子反峰電壓增加。關(guān)于匹配電感的設(shè)計(jì)匹配電感通常就是鐵蕊線圈的電感，其電感量可按下式計(jì)算。1r0.4奴/1乂L=；電納響應(yīng)曲線式中為線圈匝數(shù)，Sc為鐵芯有效截面積(cm2)；lc鐵芯平均磁路長(zhǎng)度(cm)；仙e鐵芯有效磁導(dǎo)率,-三=(工+?！?小公4式中，小啾芯磁導(dǎo)率，lg鐵芯中非磁致間隙長(zhǎng)度(cm)；因?yàn)閘g/lc1/廠,氏=（4/c）-1=4/4所以XIOTCH由此可見(jiàn)電感L與間隙lg近似成反比，調(diào)節(jié)lg間隙即可調(diào)節(jié)LQ設(shè)計(jì)電感有以下幾個(gè)步驟；1按sc選鐵芯VtsS尸寸4X1，式中V為輸出電壓有效值(V);f為工作頻率(Hz);B為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度。一般選MXCH2000E型磁芯較多，匝數(shù)計(jì)算如下；Vs 匚汨甄X102計(jì)算磁芯間隙lg電=勺%X10-B3確定導(dǎo)線考慮到高次諧波和超聲頻率較高，順計(jì)及高頻電流的鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)的因素。當(dāng)f10kHz時(shí)由鄰近效應(yīng)引起的交流電阻Rgq為其直流電阻Rd的210倍，銅耗pr也要比直流銅耗Pro增大同樣