（控制理论与控制工程专业论文）超声波在清洗技术中的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 超声技术出现在二十世纪初期，近一个世纪的发展表明，超声技术是声 学发展中最为活跃的一个部分，如今它已经渗透到国防建设、国民经济、人 民生活和科学技术等各个领域。其中超声波清洗技术也得到了广泛的发展， 相比其他多种的清洗方式，超声波清洗显示出了巨大的优越性。超声波清洗 机的高效率和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化 冲击波，所以很容易将带有复杂外形，内腔和细孔的零部件清洗干净。超声 清洗的物理机制主要是超声空化，所以要达到良好的效果必须选择合适的声 学参数和清洗剂的物理化学性质。声强愈高，空化愈强烈，但声强达到一定 值后，空化趋于饱和。超声波清洗机主要由超声波发生器和超声波换能器组 成，本文重点介绍超声波发生器。 本文涉及以下几方面的内容： 1 、主回路的研究：包括逆变主电路、开关管的保护、功率管驱动和高频 变压器的设计，即输入电路( 包括输入保护电路、整流滤波电路) 、半桥逆变 电路( 超声频发生电路) 和匹配电路( 电感匹配) 。主电路设计在满足产生超 声频信号和最佳匹配的要求下，又可以使在电网电压过大或者过小输入时保 护发生器。半桥逆变驱动电路的设计本文采用的是i r 公司的集成半桥驱动器 i r 2 1 8 4 4 。用这种方法可以避免设计驱动变压器，简化设计步骤，同时可以减 少元件，节省成本。 2 、换能器电端匹配网络研究：本文介绍了几种常见的匹配网络，并且根 据实际要求选择电感匹配网络。在设计匹配电感参数时，应用阻抗分析仪精 确测量了清洗槽( 带有换能器) 中有负载( 清洗液) 时的等效电路的电参数， 并根据数学推导出来的匹配电感计算公式求出匹配电感的感值。 3 、实现自动频率跟踪的控制电路：本文采用了数字锁相环的方法，利用 集成数字锁相环c d 4 0 4 6 和较少的独立元件构成锁相电路，从而提高了自动频 率跟踪的可靠性。 4 、数字p w m 信号发生器研究设计：采用直接数字频率合成技术( d d s 技术) 作为信号发生器，将d d s 技术应用于信号源中可以大大提高信号源的 山东大学硕士学位论文 分辨率，有效的降低成本、缩小体积。 【关键词 超声波清洗技术；超声波发生器；主回路研究；匹配网络；频率 自动跟踪；数字p w m 信号发生器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o u n dt e c h n o l o g ya p p e a r e di nt h ee a r l yt w e n t i e t hc e n t u r y n e a r l ya c e n t u r y sd e v e l o p m e n th a ss h o w n t h a tu l t r a s o u n dt e c h n o l o g yi st h em o s ta c t i v e p a r ti nt h ea c o u s t i cd e v e l o p m e n t n o wi th a sp e n e t r a t e di n t ot h eb u i l d i n go f n a t i o n a ld e f e n s e ，n a t i o n a le c o n o m y ，p e o p l e sl i v e l i h o o d ，a n ds c i e n c ea n d t e c h n o l o g yf i e l d s o fa l lt h e s e ，u l t r a s o n i cc l e a n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n e x t e n s i v e l yd e v e l o p e d c o m p a r e d 、析t 1 1av a r i e t yo fo t h e rc l e a n i n gm e a s u r e s u l t r a s o n i cc l e a n i n gh a ss h o w ns i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s h i g he f f i c i e n c ya n dh i g h c l e a n l i n e s so fu l t r a s o n i cc l e a n i n gm a c h i n e sd e r i v ef r o mi t sp e n e t r a b i l i t ya n d s h o c kw a v eo fa i rw h e nt h es o u n di sc o m m u n i c a t e di nt h em e d i u m s oi ti se a s y t oc l e a nt h o s ep a r t s 、 ，i 也c o m p l e xs h a p e s ，i n n e rc a v i t ya n ds t o m a s t h ep h y s i c a l m e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cc l e a n i n gi su l t r a s o u n ds h o c kw a v eo fa i r i no r d e rt o a c h i e v eg o o dr e s u l t s ，a c o u s t i cp a r a m e t e r sa n dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e so fa p p r o p r i a t ec l e a n i n ga g e n t i am u s tb es e l e c t e d t h eh i g h e rt h es o u n d i n t e n s i t yi s ，t h es t r o n g e rs h o c kw a v eo fa i ri s b u tw h e nt h es o u n di n t e n s i t y r e a c h e dac e r t a i nv a l u e ，s h o c kw a v eo fa i ri n t e n d st os a t u r a t i o n u l t r a s o n i c c l e a n i n gm a c h i n e si sm a i n l ym a d eu po fu l t r a s o n i cg e n e r a t o ra n du l t r a s o n i c t r a n s d u c e r t h ep a p e rf o c u s e so nu l t r a s o n i cg e n e r a t o r t h i sp a p e rc o v e r st h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 m a i nc i r c u i tr e s e a r c h ，i n c l u d i n gm a i ni n v e r t e rc i r c u i t s ，t h ep r o t e c t i o no f s w i t c hv a l v e s ，t h ed r i v e ro fp o w e rt u b e sa n dd e s i g no fh i g hf r e q u e n c yp o w e r t r a n s f o r m e r s ，n a m e l y ，i n p u tc i r c u i t s ( i n c l u d i n gi n p u tp r o t e c t i o nc i r c u i t s ，r e c t i f i e r f i l t e rc i r c u i t s ) ，t h eh a l f - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i t s ( u l t r a - a u d i oc i r c u i t ) a n dm a t c h i n g c i r c u i t ( i n d u c t a n c em a t c h ) o nt h eo n eh a n d ，t h em a i nc i r c u i td e s i g nc a nm e e tt h e d e m a n do fp r o d u c i n gu l t r a s o u n df r e q u e n c ys i g n a l sa n dt h eb e s tm a t c h o nt h e o t h e rh a n d ，i tc a np r o t e c tt h eg e n e r a t o r sw h e nat o os m a l lo rt o ol a r g ep o w e r 鲥d v o l t a g ei si n p u t t h ed e s i g no fh a l f - b r i d g ei n v e r t e rd r i v ec i r c u i t su s e di nt h i sp a p e r i si n t e g r a t e dh a l f - b r i d g ed r i v ei r 218 4 4f r o mi rc o r p o r a t i o n i nt h i sw a yw ec a n 山东大学硕士学位论文 a v o i dd e s i g n i n gd r i v e nt r a n s f o r m e r s ，s i m p l i f yt h ed e s i g n i n gs t e p s ，a n dc a nr e d u c e c o m p o n e n t s ，s a v i n gc o s t 2 t h er e s e a r c ho ft r a n s d u c e r m a t c h i n gn e t w o r k ：t h ep a p e ri n t r o d u c e sa c o u p l eo fc o m m o nm a t c h i n gn e t w o r k sa n ds e l e c t si n d u c t a n c em a t c hn e t w o r k s a c c o r d i n g t op r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s d u r i n gt h ec o u r s eo f d e s i g n i n gm a t c h e d i n d u c t a n c ep a r a m e t e r s ，w ea c c u r a t e l ym e a s u r e st h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h e e q u i v a l e n tc i r c u i t si nt h et a n kw i t l ll o a d st h r o u g ha ni m p e d a n c ea n a l y z e ra n dw o r k o u tt h ev a l u eo fm a t c h e di n d u c t a n c eu s i n gm a t h e m a t i c a lf o r m u l a 3 c o n t r o lc i r c u i t so fa u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k i n g t h ep a p e rt a k e st h e m e t h o do fp l l t h ep l li sm a d eu po fi n t e g r a t e dd i g i t a lp l lc d 4 0 4 6a n dl e s s i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t s t h u s ，t h er e l i a b i l i t yo fa u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k i n gi s i m p r o v e d 4 d e s i g no fd i g i t a lp w ms i g n a lg e n e r a t o r t h es i g n a lg e n e r a t o ri su s i n g d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i st e c h n o l o g y ( d d st e c h n o l o g y ) i tc a l lg r e a t l yi m p r o v et h e r e s o l u t i o n ，e f f e c t i v e l yr e d u c ec o s t sa n dr e d u c et h ev o l u m e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cc l e a n i n gt e c h n o l o g y ；u l t r a s o n i cg e n e r a t o r ；m a i nc i r c u i t r e s e a r c h ；m a t c h e dn e t w o r k ；a u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k i n g ；d i g i t a lp w ms i g n a l g e n e r a t o r l v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：型：j 。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：牛翩签名逊日 期：型：01 一_ 山东大学硕士学位论文 第i 章绪论i , -弟早铂匕 1 1 超声波技术的发展历史 1 1 1 超声技术介绍 超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波 具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声波作为一种能量形式，通过它或 它引起的超声空化，与传声媒介相互作用而产生的种种效应，已经在物理、 化学、生物以及医药等基础研究和应用技术开发中展示出十分广阔的前景。 利用超声的高频率、大功率以及高强度去改变作为媒介的物质的特性，采用 合适的声参数和声波形会产生其他手段所达不到的效果。超声对媒介具有机 械作用、热作用、生物医学作用以及化学作用等。用超声波使物体或物性变 化的功率应用称功率超声。功率超声是超声学中，研究超声能量对物质进行 处理的一个学科分支。超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础 的通用技术之一，目前，超声技术的研究和应用的范围，已经从船舶、冶金、 机械等领域扩大n - - 十多个工业部门，并取得了很好的社会效益和经济效益。 1 1 2 超声波技术的发展历史【1 1 1 5 i 超声技术出现在二十世纪初期，近一个世纪的发展表明，超声技术是声 学发展中最为活跃的一个部分，如今它已经渗透到国防建设、国民经济、人 民生活和科学技术等各个领域。1 9 9 5 年9 月在德国召开的首届世界超声学大 会，集中体现了超声学发展的这一强劲势头。科学家们发现：一定频率范围 内的超声波，作用于液体介质里，可以达到清洗的作用。经过一段时间的研 究和试验，不仅得到了满意的效果，而且发现其清洗效率极高，由此超声波 清洗机被逐渐运用于各行各业中去。在应用初期，由于电子工业的限制，超 声波清洗设备电源的体积比较庞大，稳定性及使用寿命不太理想，价格昂贵， 一般的工矿企业难以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然让部分实力雄 厚的国有企业一见倾心。随着电子工业的飞速发展，新一代的电子元器件层 出不穷，应用新的电子线路以及新的电子元器件，超声波电源的稳定性及使 用寿命进一步的提高，体积减小，价格逐渐降低。二十世纪八十年代末，第 三代超声波电源问世，即逆变电源，应用最新i g b t 元件，新的超声波电源 山东大学硕士学位论文 具有体积小，可靠性高，寿命长等特点，清沈效率得以进一步提高，而价格 也降到了大部分企业可以接受的程度。 在国民经济中，超声波清洗对于提高产品质量，保障生产安全和设备的 安全运行，降低生产成本，提高生产效率具有特别的潜在能力。因此，我国 在近十年来，对超声技术的研究与应用十分活跃。 1 2 超声及超声清洗简介 1 2 1 超声波简介 所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到2 0 2 0 k h z 的声波，低于2 0 h z 的声波称为次声波或亚声波，超过2 0 k h z 的声波称为超 声波。超声波是声波大家族中的一员。 声波是物体机械振动状态或能量的传播形式。所谓振动是指物质的质点 在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动， 这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于2 0 k h z 以上的，其每秒的振动次数( 频率) 甚 高，超出了人耳听觉的上限( 2 0 k h z ) ，人们将这种听不见的声波叫做超声波。 超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵 波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频 率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 超声波具有如下特性： ( 1 ) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 ( 2 ) 超声波可传递很强的能量。 ( 3 ) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 ( 4 ) 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现 象。 1 2 2 超声波清洗简介1 5 1 1 7 j 清洗是指清除工件表面的液体或固体污染物，使工件表面达到一定的洁 净。清洗过程在日常生活中非常常见。清洗过程是清洗介质、污染物、工件 表面三者之间的相互作用，是一种复杂的物理、化学作用过程。清洗不仅与 2 山东大学硕士学位论文 污染物的性质、种类、形态以及粘附的程度有关，也与清洗介质的理化性质、 清洗性能、工件材质、表面状态有关，还与清洗的条件如：温度、压力以及 附加的超声振动、机械外力等因素有关。“超声波清洗工艺技术”是指利用 超声波的空化作用对物体表面上的污物进行撞击、剥离，以达到清洗目的。 将被清洗零件浸没在清洗液中，向清洗液辐射超声，并产生空化，由空化气 泡运动产生的微冲击流或由气泡崩塌产生的高强度冲击波，作用于附着在零 件表面上以及零件表面微孔、细缝中的污垢，促使这些污垢脱落或加速溶解， 从而达到清洗的目的，这种清洗方法叫做超声清洗。超声清洗是一种清洗硬 物体表面的方法，属于物理清洗。超声清洗是功率超声应用的一项。在液体 中发生足够大的能量，产生空化作用，能用于清洗、乳化。其特点是速度快、 质量高、易于实现自动化。在各种化学的、物理的、机械的清洗方法中，超 声清洗是最理想、最有效的一种。超声清洗特别适用于清洗表面形状复杂的 工件，如对于精密工件上的孔穴，狭缝，凹槽、微孔以及暗洞等处，通常的 物理洗刷方法难以奏效，利用超声清洗则可以取得理想的效果。在某些场合 中，还可利用水剂代替有机溶液作为清洗液才进行清洗，或适当降低清洗液 的酸碱度，达到保护被洗涤物的目的。在一些难以清洗并有损人体健康的场 合，如对核工业和医疗中的放射性污物的清洗，可以使用超声清洗设备，必 要时可实现遥控或自动化。 超声清洗也被称为“无刷擦洗”，其机理比较复杂。超声波在液体中的各 种效应，例如空化、声冲流、声辐射压力、声学毛细现象等，都对清洗效果 有影响。空化气泡的爆破会减小污垢与被清洗物之间的粘着力，声波辐射压 力及声学毛细现象促使清洗液渗入被清沈物表面的微小凹孔中，气泡的振动 及声冲流加速污垢的进一步脱离被清洗物表面。因此，在清洗过程中，使被 清洗物表面产生污垢膜的破坏、剥落、分离及乳化，从而达到一种迅速且高 效的清洗效果。 超声清洗的主要作用机理是超声空化作用。超声空化是强超声在液体媒 介中引起的一种其特有的物理过程，它伴随着许多奇特的现象和惊人的效应， 对它的研究也是一个复杂的非线性声学问题。由于超声波与声波一样是一种 疏密的振动波，在传播过程中，介质的压力作交替变化，因此会有负压区域 3 山东大学硕士学位论文 存在于清洗液中。当足够强的超声波作用于液体媒介时，如果交变超声压力 的幅值大于液体中的静压力，则在声压的负压区域( 或称稀疏区域) 内，负 压的峰值不但可以抵消静压力，还可在液体中形成局部性的负压作用区，当 这一负压力足以克服液体分子之间的结合力时，液体将被拉断而形成空腔， 产生空化气泡。接着，在声压的正压区域( 或称压缩区域) 到来时，空化气 泡产生闭合崩塌。由此定义，使液体产生空化所需要的最低声压或声强，称 为空化阈值。当超声波强度大于空化阈值时，由于超声作用而在水中产生的 负压区域，液体中产生撕裂的力，并形成真空的气泡。当声压达到一定值时， 气泡迅速增长，在正压区域气泡由于受到压力挤破灭、闭合。此时，液体间 相互碰撞产生强大的冲击波。虽然位移、速度都非常小，但加速度却非常大， 局部压力可达几千个大气压，这就是所谓的空化效应。空化效应可以分为真 与假两种。假空化效应产生在含有溶解了气体或空气的液体中。在这种液体 中，当出现负压时，由于压力而引起液体中气体的过饱和，也是气体以气泡 的形式释放出来。真空化效应则产生在完全不含气体的液体中，这种液体被 拉应力所撕碎，从而形成空穴。液体的撕碎将首先在液体中存在的不纯处发 生，其次在液体中的微小尘粒上发生。 无论真假空化效应，对清洗都有效用。超声的高频振动以及辐射压力在 液体中形成有效的搅动和流动。空化气泡对固体表面产生的强烈射流以及局 部微冲流，均能显著减弱液体的表面张力及摩擦力，并破坏固体液界面的附 面层，从而达到普通低频机械搅动所达不到的清洗效果。当发生假空化效应 时，存在于液体中的微小气泡( 空化核) ，在声场的作用下振动，当声压力达 到一定值时，气泡将迅速增大，最终突然破裂闭合。在气泡闭合时会产生冲 击波，冲击波在气泡周围会产生上千个大气压的压力，从而破坏污物，使它 们分散在清洗液中，即使是不溶性污物也能产生很好的效果。真空化效应则 在液体中产生大量空穴。这些空穴或气泡对污物层反复直接冲击，一方面破 坏污物与被清洗物表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而使污 物与被清洗物表面的脱离。气泡的振动对同体表面进行冲刷、擦洗，污物层 与被清洗物表面一旦产生缝隙，气泡会钻入缝隙中，做振动运动，使污物层 脱落。 4 山东大学硕士学位论文 在清洗工件时，把清洗液放入槽内，在槽内作用超声波，这样不仅可以 加速清洗过程，而且会使被洗涤物表面得到极高的清洁度，超声清洗机的最 基本结构如图1 1 所示，它由超声波电源、清洗槽和超声波换能器组成。 图1 1 超声清洗示意图 图1 2 压电换能器 超声波电源是提供足够电功率驱动超声波换能器的设备。超声波换能器 可以单独或组成阵列牢牢的粘附于清洗槽的底部，并将超声波电源提供的电 能转变为超声频机械振动，通过清洗槽壁，向盛在清洗槽中的清洗液辐射超 声波。清洗槽通常用不锈钢板制成，与超声波换能器粘结的槽壁不宜太厚，一 般取1 5 - 3 m m 厚，以减少声能损失。粘结面需要磨沙处理，使其粗糙以得到 牢固的粘接，清洗槽内壁与清洗液接触面要抛光以减少对清洗槽的空化腐蚀。 超声波作用于清洗液中，使清洗液由于超声能量而产生空化效应，使浸没在 清洗液中被洗涤物表面的污垢迅速除去。超声波换能器目前大多采用图1 2 中形状的展宽喇叭形夹心式压电换能器。每个夹心式压电换能器的功率有限， 大功率超声波清沈机通常采用多个换能器组合组成换能器阵，电端并联由一 山东大学硕士学位论文 个超声波电源驱动，在这种情况下，要求组合的换能器的特性，尤其是共振 频率要一致，从而提高声电效率。换能器可以粘接固定在清洗槽外底部，也 可以粘接固定在清洗槽的外侧壁，根据清洗要求而定。有时为了能灵活地安 排超声波换能器，不将其固定粘接在清洗槽上，而是将一个或数个换能器安 装在一个密闭的不锈钢匣中，这种结构称为浸入式或投入式换能器，在使用 时，可以投入到清洗槽中灵活布置，在清洗大工件时尤为合适，此时槽可以 用吸声小的材料，如陶瓷等制成，不必使用不锈钢。 超声清洗的物理机制主要是超声空化，所以要达到良好的效果必须选择 合适的声学参数和清洗剂的物理化学性质。声强愈高，空化愈强烈，但声强 达到一定值后，空化趋于饱和。声强过大会产生大量气泡增加散射衰减，频 率愈高空化阈值愈高，也就是说要产生空化频率愈高，所需要的声强愈大。 稳定的声场对清洗有利，如果清洗槽中有驻波声场，则会因为声压分布不均 匀，清洗件得不到均匀的清洗；清洗液的温度可以影响液体表面张力系数和 粘滞系数，较高和较低的温度都不利于提高清洗效果。驱除不同的污垢要选 择不同的清洗液：不流动的清洗液对空化有利，但是清洗液不经过循环过滤， 则刚清洗下来的污垢会重新沉积于清洗件表面，所以清洗液需要流动，但是 不应流动过快。 自动化的超声波清洗机还可以去掉手工劳动，不但可以节省劳动力，还 具有做到无毒、安全等优点。目前，超声波清洗应用范围相当广泛，随着工 业技术的发展，各种工业零件的洁净度的要求也相对的越来越高。由于超声 波清洗本身具有其它物理清洗或化学清洗无可比拟的优越性，因此广泛应用 于服务业、电子业、医药业、实验室、机械制造业、硬质合金业、化学工业 等诸多领域，可以清洗精密的机械零件、珠宝首饰、集成电路、外科手术器 械、以及大小钢材等。超声波清洗方法的特点是对于声反射强的材料，如金 属、玻璃等，其清洗效果较好；而对于声吸收较大的材料，如棉纱织物、橡 胶和泡沫塑料等物，则清洗效果较差。 6 山东大学硕士学位论文 1 3 超声波清洗技术的优势1 3 1 1 5 i 相比其他多种的清洗方式，超声波清洗显示出了巨大的优越性，尤其在 专业化、集团化的生产企业中，己逐渐用超声波清洗机取代了传统的浸洗、 刷洗、压力冲洗、振动清洗和蒸汽清洗等工艺方法，超声波清洗机的高效率 和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波，所 以很容易将带有复杂外形，内腔和细孔的零部件清洗干净，对一般的除油、 防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比 传统方法可提高几倍，甚至几十倍，清洁度也能达到高标准，这在许多对产 品表面质量和生产率要求较高的场合，更突出地显示了用其它处理方法难以 达到或不可取代的结果。超声波清洗具有清洗洁净度高、清洗速度快等特点。 特别是对盲孔和各种几何状物体，独有其他清洗手段所无法达到的洗净效果。 超声波清洗与其他清洗方法的比较： 表1 1 超声波清洗与其他清洗方法的比较 名称、 项目 超声波清洗法水处理法化学法干冰法饱和蒸气法 原利用频率为几万次 以水为介质，利用有机或 干冰颗粒温度 利用饱和蒸汽 理 到几十万次的超声通过专用设无机清洗剂极低( 一7 8 ) ，的高温，及# l - 力n 波振动。超声波在备系统使水加入到被清故具有独特的高压，清洗零件 液体中传播，当能产生多束、多洗的设各界热力学性能，当表面的油渍污 ， 角度、强度各面中，对难溶干冰颗粒被压物，并将其汽化 量大于0 1 w c m 异的高压水水垢、油污生缩空气冲击到蒸发。同时还可 时，把液体分子拉 射流，对被清物粘泥等进 被清洗物表面以清洗任何细 裂成空洞由于周围洗设备内结 行分散剥离， 时，使干冰迅速小的间隙和孔 压力的增大，空化垢和附着物同时与化学升华，在千分之洞，剥离并去除 核又被击碎空化核及堵塞物进药剂发生反几秒内体积膨油渍和残留物， 击碎时对周同形成行彻底的切应，生成络和胀近8 0 0 倍。同从而达到高效、 巨大的冲击波，放出削、破碎、挤物或水溶性时与待洗零件节水、洁净、干 巨大的能量，从而把压、冲刷以达盐，从而达到表面产生热交燥的要求。 物体上的杂质剥离到清洗的目清洗的目的。换，达剑清洗零 下来，达到清洗的的。 件表面的目的。 目的。 7 山东大学硕士学位论文 特点超卢波清洗主要用 泵或增压器 最原始且应1 清洗过程中1 适用范围广： 于清洗物体表面上是高压水射用最广的一没有二次污染，如机械、喷漆、 的微颗粒，对于常流能量的来种方法。酸或需要回收的只 冷( 热) j a 工、电 规的污染物( 如脏源，高压泵的碱性的清洗是清除下来可子、食品等行 物、油脂、锈迹等)技术指标直物对被清洗再次使用或直 业： 清洗效果很差或根接影响到水物和设备产接排放的污垢。2 无需任何化 本无法达到清洗目射流清洗系生腐蚀。清洗2 目前仅少数学介质，绿色清 的。 统清洗效率，停机时间长，发达国家和地洗，耗水量小； 质量能量消能耗大。区的特殊行业3 经济、便捷。 耗及成本高 中使用。 低，而且对水 质的要求较 高。 污染 用水作清洗介质，极度污染污染严重，特加装回收装置完全符合环保 污染较小，如用有( 此法正逐步殊的溶剂还可达到环保要要求 机溶剂清洗，则污被淘汰)要对零件和 求。 染和危险性较大。设备进行防 锈措施，对操 作人员身体 有一定的伤 害。 效果特定场合清洗效果清洗效率低，对管件和盲无需添加任何设备成本和消 较好。 针对特定的孔、深孔无法清洗溶剂，直接 耗成本低，且无 清洗对象，较处理清洗清洗，效果优环保费用。 难选择合适铜、铝等有色良。 的清洗参数，金属会使零 且清洗完后件变色，清洗 还要进行烘 后零件表面 干处理。的清洁度差。 经济设备成本和消耗成设备成本偏清洗效率低。因采用超低温改善了劳动环 备注本较高，工艺复杂。低，消耗成本环保费用高。的干冰，造价昂境，减轻了劳动 难以把握各种被清和环保费用对电线、电子贵，设备要求较强度，提高了清 洗物所需要的最佳 亦高。及控制元件高。 洗效率，降低了 工作频率、温度、水质的好坏有损伤，加速对工作环境的消耗成本。 时间以及合适的介对清洗效果设备生锈。要求极高。操作 质。影响很大。者要注意安全， 对劳动保护清洗时必须保 技术服务的证良好的通风 要求较高。 条件。 8 山东大学硕士学位论文 归纳其优点如下： 1 、清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致。 2 、清洗速度快，提高生产效率。 3 、不须人手接触清洗液，安全可靠。 4 、对深孔、细缝和工件隐蔽处亦可清洗干净。 5 、节省溶剂、热能、工作场地和人工等。 超声波清洗应用的主要领域： 表1 2 超声波清洗应用的主要方面 行业清洗对象 各类印刷线路板、电子元器件、液晶玻璃、电视机 电子、电气 零部件等 精密机械部件、压缩机零件、照相机零件、轴承、五 机械工业 金零件、模具等 发动机零件、变速箱、减振器、轴瓦、油嘴、缸体、 汽车、摩托车 阀体 光学、宝石加工、透镜、眼镜框、贵金属、装饰品、计器、表带、表壳、 钟表业表针、数字盘 不锈钢抛光制品、不锈钢刀具、餐具、刀具、锁具、 电镀、喷涂 灯饰、手饰的喷涂前处理、电镀前清洗 食品、酿造瓶、盖、标签去除、排气、酿造 注射器、手术器械、滴管、研究实验用具、玻璃容器、 医疗器械 牙科用具、食道镜、气管支镜、直肠镜、显微镜 化纤纺织喷丝板、橡胶制品、橡胶成形模具、商标、玩具 印章、号牌、硬币高级陶器、银制品、金制品、银行 其他 磁卡 9 山东大学硕士学位论文 表1 3 清洗效果比较 清洗方法剩余残留物( ) 吹式清洗 8 6 浸润式清洗 7 0 蒸气式清洗 6 5 刷子清洗 8 超声波清洗 0 0 5 1 4 超声波清洗技术的工作原理1 6 8 l 1 4 1 频率的重要性 当工作频率很低( 在人的听觉范围内) 就会产生噪音。当频率低于2 0 砌也 时，工作噪音不仅变得很大，而且可能超出职业安全与保健法或其他条例所 规定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考虑工件表面损伤的 应用中，通常选择从2 0 k h z 到3 0 k h z 范围内的较低清洗频率，该频率范围 内的清洗频率常常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。高频 ( 3 0 k h z 以上) 通常被用于清洗较小、较精密的零件，或清除微小颗粒。高 频还被用于工件表面不允许损伤的应用。随着频率的增加，空化泡的数量呈 线性增加，从而产生更多更密集的冲击波使其能进入到更小的缝隙中，使得 超声波能够发现极细小的微粒。如果功率保持不变，空化泡变小，其释放的 能量相应减少，这样有效地减小了对工件表面的损伤。 1 4 2 工作原理 声波的传递依照正弦曲线纵向传播，即一层强一层弱，依次传递，当弱 的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许许 多多微小的气泡，而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的 正压，因而，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液 体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生 几百度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为“空化效应”，超声波 1 0 山东大学硕士学位论文 清洗正是应用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清沈和冲刷。i ：件内外表 面的作用。在中间是一层一定厚度的不锈钢板，换能头沾结在这一层钢板下， 通过超声发生源产生一定频率和电压的交流电信号带动换能头和不锈钢板一 起做高频震动，当钢板向上震动时，将水向e 推丌，当钢板向下震动时，水 跟不上钢板的震动速度，在水和钢板之间会形成个空隙，这样反复震动就 会有许多的气泡形成，如图1 3 所示：这种气泡就是由“空化效应”产生的， 我们称之为空化泡。空化泡顺着震动方向向水中传播，如果水中正好有工件， 空化泡撞击到工件表面产生数千个大气压的撞击力，带动工件表面的污垢脱 落。因空化现象产生如图1 4 a 所示的气泡。由冲击形成的污垢层与表面之问 的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那 样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图1 4 b 所示，小气泡 再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应。 囝 图1 3 换能器在水中工作的剖面图图1 4 气泡的作用 1 5 课题的提出、意义和研究的主要内容 相比其它多种的清洗方式，超声波清洗机显示出了巨大的优越性。尤其 在专j l k 化、集团化的生产企业中，已逐渐用超声波清洗机取代了传统浸洗、 刷洗、压力冲洗、振动清洗和蒸汽清洗等工艺方法。超声波清洗机的高效率 和高j 7 i 。q 、7 h 。度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波。所 以很容易将带有复杂外形、内腔和细孔的零部件清洗 ：净，对一般的除油、 防锈、磷化等j i = 艺过程，在超声波作崩下只需两三分钟即可完成，其速度比 传统方法可提高几倍到几十倍，7 , 书h - 佃j - 度也能达到高标准，这在许多对产品表 山东大学硕士学位论文 面质量和生产率要求较高的场合，更突出地显示了用其它处理方法难以达到 或不可取代的结果。对深孔、细缝和工件隐蔽处亦清洗干净；对工件表面损 伤小，节省溶剂、热能、工作场地和人工等。 功率超声应用在清洗上己经有很多年的历史，超声波清洗机的研究设计 与制造技术也相当成熟。但是许多超声波清洗机在使用过程中会发生输出功 率与谐振频率不稳定的现象，还会出现因为频率漂移而停止工作的现象。当 清洗槽内的清洗液水位变化或被洗涤物重量变化时，对超声波清洗机的输出 功率以及超声波换能器的工作谐振频率都会有影响。此时，没有功率恒定电 路的超声波清洗机的输出功率会忽大忽小，不能保持恒定的清洗效果。对于 输出固定频率的超声波电源，超声波换能器的谐振频率变化造成超声波电源 的输出频率不能与之匹配，使得超声波换能器的转换效率不能达到最高，功 率不能充分发挥出来。因此有必要深入研究超声波电源输出功率恒定以及频 率自动跟踪锁定超声波换能器谐振频率的问题。本设计采用了微机软件与硬 件电路结合完成频率跟踪的方案，使得跟踪效果更好。 本文研究的主要内容： 1 、主回路的研究。包括逆变主电路、开关管的保护、功率管驱动和高频 变压器的设计； 2 、换能器匹配网络研究； 3 、实现自动频率跟踪的控制电路； 4 、数字p w m 信号发生器研究与设计。 1 2 山东大学硕士学位论文 第2 章超声波发生器系统的研究 功率超声( 高强超声) 是利用超声振动形式的能量使物质的某些物理、化 学和生物特性或状态发生改变，或者使这一改变加速进行的一门技术。由于 功率超声的独特优点，它已在工业、农业、国防和医疗卫生等领域得到了广 泛的应用。例如：超声清洗、超声加工、超声焊接、超声雾化、超声乳化、超 声金属成型、超声治疗和外科手术等。此外，如超声悬浮、超声马达和声化 学等新技术和新应用也不断地出现。 大功率超声设备主要由超声波发生器( 功率超声电源) 和超声换能振动系 统组成。超声换能振动系统的作用是将超声频的交流电能转换成机械振动的 能量。目前超声换能器主要有压电换能器和磁致伸缩换能器，其中压电式夹 心换能器是应用最为广泛的。这种换能器的驱动元件( 压电材料) 主要是锆钛 酸铅压电陶瓷。超声波发生器的作用是给超声振动系统提供超声频的电能， 同时要根据不同的应用要求，具有对换能振动系统的频率进行跟踪，振幅进 行控制等功能。功率超声有诸多优点和广阔的发展前景，而超声波发生器又 是超声设备中重要的组成部分，研究超声波发生器具有很高的理论和实际价 值。 2 1 超声波发生器的概况1 2 l 超声波发生器实质是一个功率信号发生器，它产生一个高频正弦( 或类似 正弦) 信号。超声波发生器具体是由信号发生器、功率发大器、阻抗匹配网络 和反馈回路组成，如图2 1 所示。 图2 1 超生波发生器原理图 超声波发生器的发展与电力电子器件发展密切相关，一般可分为电子管 阶段、模拟式晶体管阶段和开关式晶体管阶段。每个阶段发生器的特点及其 山东大学硕士学位论文 优缺点对比如表2 - 1 所示。 表2 - 1 三；佟起臌墩发生器的比饺 电刺晶俸副删晶粥酌蒯 电龇 简单 简单 = 魄搿弹 输蝉 由 小大 体积大中小 功耗 大 由 小 效率 低( 4 0 9 6 ) 中( 6 0 j 卜7 0 j 6 ) 高( 8 ( ) j 6 - - 9 0 ) 调试就 简单般复杂 寿命低高 高 重量重 由 轻 自动愀低中局 保护电路简单 中 复杂 燃、现状动态范围宽，但由于缺线燃，在j 助在较大办酣( 2 0 0 及前景点太多，现曰撤率场合( 土墅墼一：4 9 8 a 0 7 5 0 9 ( 3 2 ) 根据防雷标准取保险管2 5 0 v 1 0 a 。 2 、压敏电阻吸收电路 压敏电阻是由氧化锌及氧化秘烧结成的非线形电阻元件，具有正反方向 相向而且很陡的伏安特性。正常工作时，漏电流小，损耗小，泄放冲击电流 和抑制过电压的能力强。对于零、火线与地线间以及零、火线间的压敏电阻， 考虑到系统要求3 0 0 v 不损坏，因此至少需要选用3 8 5 系列的压敏电阻。考 虑到压敏电阻需要承受d 级防雷，考虑余量，选用z v 2 0 1 3 8 5 作为防雷压敏 电阻。实际设计的输入保护电路如下图3 2 所示： 2 2 0 w a b 图3 2 输入保护电路 3 、过压欠压保护电路的设计1 9 l 为了保证开关电源在正常和非正常使用情况下的可靠性，其主电路中应 包含过压、欠压保护电路。过压、欠压保护电路具备自身保护的功能，一旦 出现故障，立即使开关电源停止工作，并且可以保证在任何情况下，自身不 损坏。过压、欠压保护电路应该设计成为滞环电路，这样可以防止在某一点 上继电器连续切换，又可以保证故障消除时，电源正常工作。 开关电源直接从交流电网整流得到，当电源刚接通的时候，由于滤波电 容两端还未建立起电压，相当于短路；若由于输出保持能力等要求，刚好输 入滤波电容较大，则在此时电压峰值接通电源，流过整流管的电流将更大， 这就是所谓的浪涌电流。输入滤波电容越大，合闸浪涌电流越大且持续的时 间越长；浪涌电流还会随着合闸的相位的不同而不同，浪涌电流峰值可达稳 1 8 山东大学硕士学位论文 态电流的几十倍甚至上百倍，这样大的电流不仅会损坏桥式整流二极管，熔 化开关接头，也会使变压器的磁通密度饱和，损坏功率开关管。电源的开关 多次重复时，还会损坏电容器，而且造成电流尖峰干扰，给设备带来不良的 影响。因此，用纯电容滤波时，要在整流回路串入限流电阻，以防止产生过 大的浪涌电流。 ( 1 ) 过压保护电路的设计 过压保护电路如图3 3 所示。d i d 4 、r 1 、r 2 构成半波整流，整流后 的电压经过降压之后送入到由运算放大器l m 2 9 0 4 ( u 1 0 1 a ) 、二极管b y v 2 6 a 以及周边元件组成的精密整流电路，从而得到反映电压幅值大小的直流电压 值u c 。u 1 0 1 b ( l m 2 9 0 4 ) 及r 1 0 9 、r 1 1 0 、r 1 1 2 、c 1 0 4 构成了滞环比较器，此 滞环比较器宽度为v c c ( r 1 0 9 + r 1 1 0 ) ( r 1 0 9 + r 1 1 0 + r 1 1 2 ) ，基准比较电 压u r e f l 由u 1 0 2 ( t l 4 3 1 ) 提供，u r e f l = 2 5 v 。当u c ku r e f l + u ，其中ku r e