超声波发生器与换能器的匹配设计

前 言在市场经济的环境下，对产品质量要求越来越高。为保证产品质量，许多企业在产品生产过程中，将采用清洗工艺来提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。 当前在一些工业产品生产过程中，应用超声波清洗是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清洗工艺。超声波清洗机可以应用于清洗各式各样体形大小，形状复杂，清洁度要求高的许多工件。例如可用于清洗钟表零件、照相机零件、油咀油泵、汽车发动机零件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铣刀、锯片、宝石、医用注射器及各种光学镜头等；还可以用于清洗印制板、半导体晶片及器件、显象管内的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插头座、焊片、电极引线等电子类产品。 一种物件的清洗可以根据其污垢的性质，采用机械物理力清洗的方法或化学力清洗的方法，还可以用各种组合方法来进行清洗。若是用自来水或净水为清洗液的超声波清洗属物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗涤剂，则属于组合清洗，对不同的清洗对象选用不同的洗涤剂，更具有明显的清洗效果。表 0-1 为几种清洗方法洗净效果比较。表 0-1 为两种清洗方法洗净效果比较。图 0-1 超声波清洗效果清洗作为一种古老而又新兴的活动和技术，正日益引起人们的兴趣和关注清洗是一门技术，是一个新兴的多学科技术领域。清洗行业量大而面广，无处不有，与人类社会生产，生活各方面息息相关清洗技术的发展是人类文明的一个重要标志，清洗技术水平反映了一个人一个民族、一个国家的文明进步程度和科学技术的发展水平。今后清洗技术的发展将更加迅速普及大批的大专院校科研院所。专业公司的科技人员将加入清洗技术研究开发队伍一些现在存在的行业技术问题得到解决，行业总体技术水平大幅度提高新技术新产品大量涌现，各种新颖的清洗设备进入市场和人们的日常生活人们将不再只是依靠经验来清洗各种实用化的计算机软件将问世；行业分工更加专业、细致，行业标准和技术规范得到推广普及行业管理规范有序清洗行业的前景无限美好！第 1 章 超声波清洗的原理与应用1.1 超声波清洗的原理把液体故人清洗槽内，给槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图 2 曲线 A 所示。以静压(一般一个大气压)为中心，产生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图 1-1 曲线 B 那样，并产图 1-1 清洗槽内液体的某一点受压情况生负的压力。 所谓负压，但实际上负的压力是不存在的，这是在液体中产生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动，当声压达到超声波清洗一定值时，气泡将迅猛增长，然后又突然闭合，在气泡闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力。这也就是所说的“超声空化”。超声清洗就是利用了空化作用的冲击波，其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。 (1)因空泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层在冲击波的作用下被剥离下来，即分散及脱落。 (2)因空化现象产生如图 3a 所示的气泡。由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，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 3b 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。 图 1-2 气泡的作用(3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力。例如：20kHz，2Wcm2的超声波在清洗液中传播时，它将引起质点的振动，位移幅度 132lLm，速度016ms，加速度为 204X104msz，(约为 2 删 g 的重力加速度)，声压为145X105Pa，这表明清洗物表面的污垢层每秒将遭到 2 万次的激烈冲击。 (4)清洗剂也溶解了污垢，产生乳化分散的化学力。 超声清洗的主要原理是超声空化作用，要获得良好的清洗效果，合理选择清洗槽中声场的声学参数和清洗液的物理化学性质是十分重要的。 既然空化是主要的，那么如何产生空化呢?一般来说，空化不仅由介质特性决定，而且也与声场有关。空化阂的高低受到许多因素制约，主要有如下几个因素： (1)空化阂与工作频率 fa 有关。频率越高，空化阂值越高，产生空化越难。气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生崩溃(破灭)，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭，而当声波的频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般不发生气泡破灭。 (2)空化阂与介质中气泡半径有关，半径越小，空化阂越高。 (3)宝化阂与声波作用时间长短有关，声波幅射时间越长，空化阐越低。 (4)空化阂与环境静压力有关，静压力越 大，空化阂越高。 (5)空化阂与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阂高。 (6)空化阂与液体含气量有关，含气量越少，空化阂越高。 (7)空化阂与清洗液温度有关，清洗液温度升高，对空化有利。但清洗液温度过高时，气泡中蒸气压增大，因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为 60Y。 根据超声清洗的机理我们可选择最佳状态，并得到最佳的清洗效果。还应注意到选择最佳的声强。声强过高会产生大量气泡，在声波表面形成一道屏障，使声波不易辐射到整个液体空间，因而在远离声源的地方，清洗作用减弱。同时过高的声强，气泡膨胀过大，以至于在声波压缩相内，气泡来不及闭合。声强一般选在 1Wcm22Wcm2，对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢，则应采用较高的声强。1.2 超声波清洗的应用 1.2.1 超声波清洗的主要应用范围：工业部门 清洗产品分类 可清除主要附着物 主要清洗液 印制板油墨、焊料、油质防腐剂、石腊、磨料、染料。 使用有机性清洗液、三氯乙烯、氟、乙醇、丙酮。 电子、电气工业机器另部件继电器、开关、印制电路板、电位器、真空管另件、半导体元件、硅片、电容器、照相机快门等。 锈、氧货物、盐、手垢、尘土。 碱性清洗液、中性、酸性清洗液、水。 涂料、喷漆、油脂、复合物、玻璃纤维 有机性清洗液（三氯乙烯，氟溶液）。 玉石加工、钟表、光学、机械等精密工业仪器、仪表、钟表字盘、另部件；齿轮、弹簧、轴承、宝石、透镜、眼睛架、贵金属装饰品。 染料、塑料残留物。 碱性清洗剂、中性清洗液。汽车业气门、点火栓、气化栓、燃料泵、蓄电池电极、活塞环、机器操纵盘另油、油脂、防腐剂、机械切屑、塑料残留物、研磨磨料、玻璃有机性清洗液（三氯乙烯等）、轻油、碱性清洗液。件、摩托车和汽车油箱。纤维、尘埃、石墨、焦油。 橡胶工业 手套、带、轮胎、外科医用橡胶手套。 指纹、尘埃、染料、防腐剂、墨迹、塑料残留物、橡胶残渣。 碱性、中性及酸性清洗液 氧化物、尘土、切屑、油类、油脂、磨粉、防腐剂。 有机清洗液、轻油。 航空工业燃料油过滤器、燃料仪器、仪器仪表、注入喷咀、流量控制设备、机械控制设备用的另件、水力、水压系列产品 锈、碳、水垢 焦油分离剂酸碱清洗液 印刷业 旋转机、金属板。 墨迹、指纹、油、染料。 轻油、有机性清洗液。 公共事业、电力、煤气、新闻通讯路灯、燃料油表、电力计、灯泡、软片、电传机、绝缘子。 墨迹、油、尘土、纱屑、锈、泥、接触海水的盐分。 有机性清洗剂、轻油、酸碱性清洗液 原子能工业 控制棒、燃料泵、铝管类、容器、玻璃、分析试料。 放射能量粒子、尘埃、硅油、油脂 碱性、中性清洗液、纯水。有机性清洗液、乙醇、丙酮等 医疗 注射器、手术机械、吸量管、玻璃容器、食道镜、齿科机械、直肠镜、方向镜、显微镜用试料玻璃。 血液、凝胶体、指纹、料理物残留物、蛋白（卵白）、混入血液中的污垢。 碱性、中性清洗液、纯水。机械工具 丝杆、喷咀、齿轮、夹具、固定装置用附件、弹簧、气门、游标卡尺等工量具。 磨料、铁屑、防锈剂、复合物、切削油、冷却油、研磨油。 有机清洗液、复合剂、氟溶剂、轻油、乙醇系列。 尘土、抛光、氧化物。碱性、中性清洗液。 1.2.2 通用超声波清洗机 超声波清洗机的结构一般有超声电源和清洗器合为一体或分开布局两种形式，一般小功率(200W 以下)清洗机用一体式结构，而大功率清洗机采用分体式结构。超声波清洗机分体式结构由三个主要部分组成，如图 1-3 所示。 图 1-3 分体式超声波清洗器(1)清洗缸； (2)超声波发生器； (3)超声波换能器； 清洗缸：清洗缸是用来装载清洗液及被清洗工件的不锈钢容器，大多数工件可先装在网状框架内，再一起放人缸内清洗。 超声波发生器：超声清洗机用的超声波发生器，从使用的元器件种类可以分电子管式的，可控硅式的和晶体管式的。近几年来已经发展到用大功率“功率模块”的方式。其输出功率从几十瓦直到几千瓦，工作频率从 15kHz40kHzo 超声清洗机用的超声波发生器，有以下特点： (1)随着清洗液深度不同，换能器共振频率和阻抗变化很大。但是实践表明，槽内放进适量清洗物后，基本上就可以稳定在某一定数值上。 (2)一般来说，由于清洗负载变动较小，可以不要求复杂的频率自动跟踪电路。 (3)实用超声波发生器，大多数采用大功率自激式反馈振荡器。 超声波换能器：超声波清洗机用的换能器主要有以下几种： 磁致伸缩换能器 国内用的磁致伸缩换能器大多数是用镍片叠成的窗口型换能器，将它银焊在清洗缸底部，然后用导线在窗口上绕一定卷数而成。此种换能器能承受较大功率，且可靠性好，使用寿命长。缺点为效率较压电换能器低，原材料镍片价格贵。 压电式换能器 目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘 L 形结构如图 1-4。 图 1-4 压电式换能器这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距(对于频率 20kH4 一般在 510mm 为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。 通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。1.2.3 专用超声波清洗机 一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。 图 6 为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下： 进料：物件进料可采用半自动进料或 出料：物件出料可采用自动收料或手工收料方式，格被清洗物件装入包装盒内。 通过上述工序就完成了物件实现利用超声波清洗的全过程。 1.2.4 超声波清洗机应用于电镀前处理利用超声波在液体中产生的空化效应，可以清洗掉工件表面沾附的油污，配合适当的清洗剂，可以迅速地对工件表面实现高清洁度的处理。电镀工艺，对工件表面清洁度要求较高，而超声波清洗技术是能达到此要求的理想技术。利用超声波清洗技术，可以替代溶剂清洗油污；可以替代电解除油；可以替代强酸浸蚀去除碳钢及低合金钢表面的铁锈及氧化皮。超声波清洗技术的应用，可以使许多传统的清洗工艺得到简化，并大大提高清洗质量和生产效率。特别是对那些形状较为复杂、边角要求较高的工件更具有优越性。利用超声波清洗技术，还可以在很大的范围内替代强酸、强碱的作用，大大减少对和环境的污染，并改善工人的劳动环境，降低劳动强度，对保护生态环境，作出贡献。对几种常见的工件表面状况，用超声波清洗工艺情况简介：1、抛光件表面抛光膏的清洗。一般情况下，抛光膏常常采用石蜡调合，石蜡分子量大，熔点较高，常温下呈固态，是较难清洗的物质，传统的办法是采用有机溶剂清洗或高温碱水煮洗有许多弊病。采用超声波清洗则可使用水基清洗剂，在中温条件下，几分钟内将工件表面彻底清洗干净，常用工艺流程是：浸泡超声波清洗清水（净水）漂洗。2、表面有油及少量锈的冷轧钢板。冷轧钢板表面一般有油、污或少量铁锈，要洗干净比较容易，但经一般方法清洗后，工件表面仍残留一层非常细薄的浮灰，影响后续加工质量，有时不得不再采用强酸浸泡的办法去除这层浮灰。而采用超声波清洗并适当的清洗液，可方便快捷地实现工件表面彻底清洁，并使工件表面具有较高的活性，有时甚至可以免去电镀前酸浸活化工序。3、表面有氧化皮和黄锈的工件。传统的办法是采用盐酸或硫酸浸泡清洗。如采用超声波综合处理技术，可以快捷地在几分钟内同时去除工件表面的油、锈、并避免了因强酸清洗伴随产生的氢脆问题。综上所述，超声波清洗技术在电镀等行业中会有很广泛的应用前景。近年来诸多电镀厂商采用无锡美洁超声波清洗技术设备，替代电镀线原有的酸碱处理工位获得成功，使电镀件质量及产量较原来有更大提高，并改善了生产环境，取得了良好的经济效益和社会效益。第 2 章 超声波发生器与换能器的概述2.1 产生超声波的功率源电路超声波功率源(或称发生器)是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波发生器就其激励方式有两种：一种是他激式另一种是自激式。如果按末级功放管所采用的器件类型分，又可分四种：电子管式超声发生器；可控硅逆变式超声发生器；晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰，当前广泛使用的是晶体管式发生器。他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。一般通过输出变压器耦合，把超声能量加到换能器上。而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足幅度、相位反馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。并谐振于换能器的机械共振频率上。所谓谐振问题就是要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪，也即称频率自动跟踪。目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法：2.1.1 声跟踪 以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电讯号，然后反馈至前级放大器，使形成自激振荡器。其原理框图如图 2-1 所示。图 2-1 声跟踪超声波发生器原理框图由图 8 看出，电路是个闭环系统，电路在通电的瞬间产生一个冲击脉冲，此脉冲经预放、功 放去激励换能器，换能器按自身固有频率振动。从而在反馈的声接收器上可得到相同频率的电讯号。经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器，如果满足振荡器的相位，幅度条件，系统将自激振荡，且振荡频率跟踪在换能器的共振频率上。2.1.2 电跟踪所谓“电跟踪”又称反馈自激式振荡器。大致有以下几种形式2.1.2.1 阻抗电桥形式的动态反馈系统阻抗电桥形式的动态反馈系统组成的频率自动跟踪电路其原理如下；它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量，借助于差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能器机械共振频率上自振。本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关，因而在较宽频段内跟踪良好。图 2-2 差动变量器桥式自动频率跟踪电路图图 2-2 中 Tf 为差动变量器，正反馈电压 Uf，由次级绕组 W3 引出；初级绕组 W1，W2 与阻抗 Z1、Z2 构成电桥四臂，Z1 为换能器阻抗(它由机械臂阻抗 Zm和电学臂阻抗 Ze 并联而成)，Z2 为补偿元件的阻抗。Z3 用于补偿电桥的电抗。设 ZmZe 则 Z1 =Ze 。显然，如满足条件 W1I1=W2I2(W1W2 为初级的匝数)，电桥获得平衡，Tf 次级绕组反馈电压 Uf=0。此平衡条件又可表为 Z2Ze=W2W1X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n 即式中 Re/Xe 分别为 Ze 和 Z2 的实部和虚部。系数 n 表示差动变量器初级绕组两部分的匝数比，它等于补偿元件阻抗与换能器电学臂之比。一般情况下，流经 Zm 的电流 Im 使电桥失去平衡，Tf 次级绕组将感生出正比于换能器机械臂振荡电流 Im 的反馈电压 Uf=Im(W1/W3)Rim 式中 Rim 为振荡器的输入电阻。当系统的自激频率 fo=fr(换能器的机械共振频率)时，电流 Im。将达最大值。系统反馈最强， Uf 反馈电压最大，满足幅度条件，且 Uf 与 Uin 同相，也满足相位条件，系统自激在换能器机械共振频率上。假如换能器的机械共振频率因某种因素减低了，则 fofr。，负载 Zm 呈感性，Im 的相角为负值，造成Uf 滞后于 Uin(原先的输入电压)，系统振荡频率降低从而达到跟踪的目的。差动变量器桥式自动频率跟踪电路优点，在于其对换能器电抗成分的补偿与频率无关，从而保证反馈电压在很宽的频率段内只与机械振荡电流有关，跟踪可靠、失调较小2.1.2.2 负载分压方式的反馈系统这种系统如图 2-3 所示，图中的整个电路形成闭环迥路电路在通电的瞬间产生一个电脉冲，经功放加至换能器两端，于是换能器受激振动。其振动频率为换能器本身的固有频率，在换能器两端的振荡信号，经分压后送至可调移相器上，再送至功放。当可调移相器调至相位满足自激条件时，系统自激于换能器的固有频率上。换能器谐振频率的微小变化，电路系统均能及时跟踪使工作始终处于最佳状态。图 2-3 电压反馈振荡器2.1.2.3 锁相式频率自动跟踪锁相式频率自动跟踪系统与前两种自激系统相比，电路要复杂得多，但能获得较好的频率自动跟踪性能。因此在超声塑料焊接机的发生器中获得越来越广泛的应用。采用锁相技术进行频率自动跟踪的关键，是如何获得负载电路中电压与电流之间的相位差。压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图 2-4 所示。图中虚线框内为换能器等效回路。C0 为换能器静态电容。Rm 为机械阻反映到电端的阻(如果忽略机械损耗，即为反映到电端的辐射阻)，Lm 为动态等效质量反映到电端的值；Cm 为等效力顺反映到电端的动态电容值；L。为换能器工作在谐振状态时的并联匹配电感。图 2-4 压电换能器等效简图该迥路的谐振频率 2 =1/LoCo =1/LmCm 在谐振状态时，换能器两端电压U=iRm ,即电压与电流是同相的。当换能器失谐时，u 与 i 不再同相，其电抗与频率特性曲线如图 2-5 所示。图中 s 为串联谐振频率。p 为并联谐振频率。图 2-5 谐振点附近电抗与频率特性图 图 2-6 为串联谐振频率附近的相频特性。由图 13 可知，当 10kHz 时由邻近效应引起的交流电阻 R约为其直流电阻 Rd 的 210 倍，铜耗 pr 也要比直流铜耗 Pro 增大同样倍数。令增大倍数为 k，则：Pr=kPro因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的1k-1 来选择。关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度 B 来表示：式中， 为导线磁导率，r 为导线电导率。为减少集肤效应的影响，所选导线直径 D 必须小于两倍穿透深度 B，否则采用扁平线或者高频线。在功率超声中其频率为 15-40 千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一般问题不大。匹配电感连续工作 8 小时如果温升正常，则表明设计是成功的。结束语毕业设计是对我大学学习的一次综合考试。通过毕业设计，加深了我机械专业的理解，深刻体会到了工程技术人员这几个字的分量。通过毕业设计，我学到了很多东西：如何学习，如何合作，如何做人。学无止境，此刻