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超声波清洗设备的原理简析

2018-06-20  来自: 乐虎娱乐手机版 浏览次数:243

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超声波清洗设备是以超声波作用于清洗工件,使得附着在工件上的颗粒、油污等随超声波的机械振动而脱落或溶解或乳化等,达到洗净工件的目的。从原理上说,超声波清洗设备中核心部分应该是超声波的作用。

超声波清洗设备中的超声波部分分为两大部件;一个是超声波换能器{或称超声波振头);另一个是超声波发生器,超声波换能器是将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动.这篇文章只讨论超声波发生器,不对超声波换能器作讨论。

超声波发生器(以下简称发生器)实质是一个功率信号发生器,它产生一定频率的正弦(或类似正弦)信号,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、模拟式晶体管.开关式晶体管这几个阶段,下面分别叙述。

一、超声波清洗设备的原理

首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号,这个信号可以是正弦信号,也可以是脉冲信号,这个特定频率就是换能器的频率,一般在超声波设备中使用到的超声波频率为25KHz、28KHz、35KHz、40KHz;1OOKHz或以上现在尚未大量使用.但随着以后精密清洗的不断发展。相信使用面会逐步扩大。

功率放大器可有多种形式,如电子管甲类放大器.甲乙类放大器;晶体管甲类或乙类放大器(均属于模拟式):晶体管开关式放大器等,功率一般从50W到5000W不等,由信号发生器产生的频率信号经过功率放大器后需经过阻抗匹配,使得输出的阻抗与换能器相符,推动换能器将电信号转换为机械振动。

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比较完善的超声波发生器还应有反馈环节,主要提供二个方面的反馈信号:

第一个是提供输出功率信号,我们知道当发生器的供电电源(电压)发生变化时.发生器的输出功率也会发生变化,这时反映在换能器上就是机械振动忽大忽小,导致清洗效果不稳定.因此需要稳定输出功率,通过功率反馈信号相应调整功率放大器,使得功率放大稳定。

第二个是提供频率跟踪信号.当换能器工作在谐振频率点时其效率最高,工作最稳定,而换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变,当然这种改变的频率只是漂移,变化不是很大,频率跟踪信号可以控制信号发生器,使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点.让发生器工作在最佳状态。当然随着现代电子技术,特别是微处理器(uP)及信号处理器(DSP)的发展,发生器的功能越来越强大,但不管如何变化,其核心功能应该是如上所述的内容,只是每部分在实现时技术不同而已。

二、发生器发展的几个阶段

发生器发展可以分为三个大的阶段;第一个阶段是采用电子管放大器;第二个阶段是采用晶体管模拟放大器;第三个阶段是采用晶体管数字(开关)放大器。

三、电子管放大器

在早期上世纪80年代前,信号的功率放大还采用电子管.采用电子管的唯一好处呈它的动态范围较宽.这个好处对于音频放大器致关重要,但对超声波发生器没有什么用处,因此一旦功率晶体管出现后即遭淘汰.电子管的缺点很多,例如,功耗大。体积大、寿命短,效率低。

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四、晶体管模拟放大器

上世纪80年代到90年代中旬,功率晶体管发展已非常成熟,各种OCL及OTL电路均适用于发生器.它的原理图如图2所示.

信号发生器产生一个特定频率的正弦波,经前置放大器进行信号放大,推动功率放大器进行功率放大。再经阻抗变换,提供给换能器,其中VCC,VEE是通过变压.整流、滤波后的直流电源。

但模拟功率放大器有几个缺点:

(1)功耗较大。由于OTL,OCL电路理论效率只有78%左右,实际效率更低,功耗大,导致功率管发热严重,需要较大的散热功率.功率管的发热导致工作不太稳定。

(2)体积大、重量重.由于功率管输出的功率受到限制,要输出较大的功率需要更多的功率管,况且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压。整流。滤波后得到的.大功率的变压器比较重,效率也比较低。

(3)不易使用现代的微处理器来处理,由于该电路呈现一个比较典型的模拟线路特征,用数字处理比较复杂,涉及到A/D(模拟转数字)和D/A(数字转模拟),成本比较高,可靠性低。

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