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大功率超声清洗电源的研制
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大功率超声清洗电源的研制
关注微信公众号功率超声波换能器九个主要性能指标
　　一、工作频率　　二、机电耦合系数　　三、的机电品质因数　　四、超声波换能器的阻抗特性　　五、超声波换能器的方向性　　六、超声波换能器的　　七、超声波换能器效率　　八、超声波换能器的频率特性　　九、超声波换能器的表面振幅和表面振动相位分布
超声发生器通过超声换能器将电能转化成声能.
超声声强是指单位超声发射端面积的声功率(单位:W.CM-2)
&F≥20KHz&p=(W)/(cm2);p≥0.3w/cm2;&“”0.35w/cm2“”
&一、基本原理
首先由信号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．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，我们知道当超声波发生器的供电电源（电压）发生变化时．超声波发生器的输出功率也会发生变化，这时反映在超声波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．当超声波换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而超声波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超声波发生器，使信号超声波发生器的频率在一定范围内跟踪超声波换能器的谐振频率点．让超声波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，超声波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。
但模拟功率放大器有几个缺点： (1)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．
（2）模拟控制电路存在控制精度低，动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重，容易老化等缺点．专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在．（3）此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题．
用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性．此外．还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化
& &二、超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式：
采用AVR高档单片机控制
单片机是一种在一块芯片上集成了CPU．RAM／
ROM、定时器／计数器和I／O接口等单元的微控制芯片，
具有速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干扰能力强等优点，在各种控制系统中应用广泛。单片机的CPU经历了由4、8，16、32直至64位的发展过程。在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运
算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合D／A转换器和MOSFET功率模块实现脉宽调制．另外，单片机还具有对过流，过热。欠压等情况的中断保护以及监控功能。
单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能．
& (2)采用DSP控制
数字信号处理器{DSP}是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器．其内部集成了波特率超声波发生器和FiFO缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采样／保持和A／D转换电路，并提供PWM信号输出．与单片机相比，DSP具有更快的CPU．更高的集成度和更大容量的存储器．
DSP属于精简指令系统计算机(Risc)，大多数指令都能在一个周期内完成并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令．同时，DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据．内置高速的硬件乘法器，增加了多级流水线．使其具有高速的数据运算能力．而单片机为复杂指令系统计算机(CiSC)，多数指令要2-3个指令周期才能完成．单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据．单片机的ALU只能做加法，而乘法则需
要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。与16位单片机相比．DSP执行单指令的时间快8—10倍，一次乘法运算时间快16-30倍．
在超声波发生器中。DSP可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路控制、系统实日十监控及保护．系统通信等．虽然DSP有着许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等．这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。
& &{3}采用FPGA控制
现场可编程门阵列(FPGA)属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快．效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程I／O模块、可编程内部连线．由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万千等效门．所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑．替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL)来对系统进行设计，采用三个层次(行为描述、PJL描述、门级描述)的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势．比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高(MHz级)，数据率高(20MB／s以上)、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。
&&三、几种典型的开关式超声波发生器电路型式&
& &1、半桥型．
半桥型电路比较简单，PWM控制器是一块多功能IC(集成电路)，兼作频率超声波发生器及脉宽调制器，还集成一些保护性电路。负反馈电路等．一般采用TL494，Ic的输出经过信号驱动后供开关管．二个开关管轮流导通，抗匹配，供超声波换能器使用。功率的调节有两种方式；第一种是调节频率。由于超声波换能器在谐振频率时输出功率最大，其消耗功率也大，因此当调节频率为超声波换能器的谐振频率时，其功率最大，我们可以调偏频率，使超声波换能器偏离谐振频率，超声波换能器的功率也会降低，偏离频率越大，功率降低越大，达到调节功率的目的．
另一种方式
是固定频率，调节占空比。当开关管导通时间较长时，输出的功率较大，导通时间较小．输出功率变小，如图4所示。
这种形式的电路还可以加上功率负反馈电路，当电源电压变化时可以通过反馈调节占空比，使输出功率稳定．&
& 2、全桥型
全桥型原理基本上与半桥型相似．它是通过一对管同时开关而在负载上得到变频信号．当TAl与TA2导通而TB1,TB2截止时。Tout得到①负②正信号；当TB1,TB2导通而TAl与TA2截止时，Tout得到①正②负信号，如此循环，在Tout①、②得到一个交变的功率信号。
全桥型超声波发生器的功率调节也可分为二种情况，与半桥型相似。
功率控制频率自动跟踪的工作原理
在超声波电源的应用，振动系统的温度、刚度、及负载力等因素的变化使得系统的谐振频率发生了漂移，而振动系统是否能始终处于谐振状态是超声应用能否进行及原量优劣的关键，故频率自动跟踪及跟踪的速度和精度至关重要。
超声电源采用功率设置频率跟踪方式，即采样负载的电压与流过的电流相位源，当相位为某一设定值时，超声波换能器呈纯阻性，系统工作在谐振状态。
目前应用最广泛的是超声波换能器，其在振荡频率点附近电路，除去静去电容，超声波换能器是一个串联谐振网络。L、C、R分别为超声波换能器的动态电感、动态电容、动态电阻。
由式中可知谐振时，整个网络等效于纯电阻性，电压和电流的相位差为零。因此，超声波换能器两端的电压和电流，经过相位比较，得出相位差，用相位差作反馈信号控制功率及频率的变化可以实现机械谐振的自动跟踪。超声电源硬件级构如图所示，PIC单片机是超声电源的控制器，通过捡测超声波换能器的信号与及操作面板的设置来控制功率的输出大小和输出频率的变化。
该超声焊接电源控制产品主要特点：适合各种大中功率阵列多台网络控制，操作比效简便，只需设计每台所需要邻近频率与需要的邻近功率及调整精度即可。
在超声波焊接电源的应用，超声超声波换能器振动的温度、刚度、及负载力等因秦的变化使得系统的谐振频率发生了漂移，而振动系统是否能给始终处于谐振状态是超声能否进行及质量优劣的关键，故须频率自动跟踪及功率自动调整和精度至关重要
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。超声波频率和功率什么关系？超声波发生器的频率是不是不能调啊？
一般超声波频率范围在20-40千赫兹，这是指震荡频率，每秒钟含多少个波（或反复变化的次数），而功率是指这种震荡所具有的能量。物体受有同样能量，但频率不同的超声波作用时，结果可能不一样，当然，频率相同，而功率不同（所含能量不同的超声波作用，结果也是有区别的。
超声波发生器的频率在部分设备中，是固定的（如超声波加湿器），只工作在设计频率，但可以调节输出功率大小；但在某些设备中，设置有一定的调整范围供使用者调整，就是说在这些设备中，超声波发生器的频率可以调整，并且在使用中应该调整：如在大型超声波清洗机使用时，为了让被清洗器件在清洗时处于共振状态，在设定了清洗功率后，配合微调输出超声波频率，使清洗效果达到最佳。
其他答案（共1个回答）
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20kHz到30kHz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...
超声波频率与功率有一定关系
一般超声波机的功率决定超声波的频率
一、超声波清洗频率的选择
　　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20kHz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20kHz到30kHz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。高频还被用于被工件表面不允许损伤的应用。使用高频可从几个方面改善清洗性能。随着频率的增加，空化泡的数量呈线形增加，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。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。高频的另一个优势在于减小了粘滞边界层（泊努里效应），使得超声波能够“发现”极细小的微粒。这种情况近似于小溪中水位降低时可以看清溪底的小石子。
频率低，波长长，容易绕过物体，比如在混泥土里面，有很多小石子，如果用高频，就会产生频散现象，根本穿透不了，如果用低频，那就没有问题了。
不同型号是不同的。
中频治疗仪 LED型
工作电压：交流220V
最大输出功率：40VA
频率：1200HZ+/-10%
热疗温度：30—60℃。
输出电流：极...
超声波清洗机主要应用于：1）机械行业：防锈油脂的去除；量具的清洗；机械零部件的除油除锈；发动机、化油器及汽车零件的清洗；过滤器、滤网的疏通清洗等。
　　（2）表...
超声加湿器中，超声换能片只承担将振动能量传递给水分子，使大团的水分子得到动能脱离液面形成雾滴，但由于水雾较空气比重大，所以不会自动“飘”散到加湿器外，一般在加湿...
准备工具：10号内六角套筒、十字螺丝刀、一字螺丝刀、钳子、绝缘胶带、线扎、13号内六角套筒,相机
先把洗衣机桶内可转动的带有十字筋的波轮用十字螺丝刀卸下来（拆之...
答: 爆炸主要还是因为热胀冷缩这种简单的原理、你的热水瓶在塞盖的时候里面相对属于绝热体系，温度相对稳定，而如果外部遇强冷。而里面才把热水才倒完容易爆碎
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答: 因为学习的本质是建立条件反射，但胎儿在子宫内形成条件反射的条件不成熟，即五接受教育的基础，所以胎教不是教育
答: 到18、19世纪，苏黎世成为瑞士主要讲德语民族的文化教育和科学中心，许多著名的科学家，包括爱因斯坦和核物理的创始人之一的沃尔弗同·波里都在这里学习和工作过
答: 这种心智与活动均集中于单一物体的现象，其实就是儿童内心深处的外在表现
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超声波塑料焊接技术详解
日 | 上海浦雄实业 | 浏览次数：678
一、超声波模具架设不准确、受力不平均怎么办？&在一般认为超声波作业时，产品与模具表面只要接触准确就可以得到应该的超声波焊接机焊接效果，其实这只是表面的看法，超声波既然是摩擦振，就会产生音波传导的现象.我们如果单只观察硬件（模具）的稳合程度，而忽略了整合型态的超声波作业方式，必定会产生舍本逐末或误判的后果，所以在此必须先强调超声波焊接的作业方式是传导音波，使成振动摩擦转为热能而焊接. 这时候超声波模具的稳合程度、产品截面的高低、肉厚、深浅、材质的组织，必定无法是百分之百。另一方面上模（H o r n）输出的能量，每一点都有其误差值，并非整个面发出的能量都相同。就这整体而言，势必产生产品焊接线焊接程度的差异。所以也就必须作修正，如何修正，那就是靠超声波焊接机本身的水平螺丝，或是贴较薄的胶带或铝箔来克服了。&二、塑料产品材质配合不当?&&&&&&&&& 每一种塑料材质的熔点，各有不同，例如ＡＢＳ塑料材质的熔点约115℃，耐隆约175℃、ＰＣ之145℃以上、ＰＥ约85℃为例：ＡＢＳ与ＰＥ二种材质的熔点差距太大，超声波焊接势必困难。而ＡＢＳ与ＰＣ二种材质，亦有差距，但已非前项差距如此之大，是以尚可焊接，但在超声波功率相同，能量扩大相同的情况下，相异的塑料材质，绝无法比相同材质的焊接效果好。&三、超声波机台输出能量不足该怎么处理?&&&&&&&&&& 客户在购买超声波焊接机时，通常较难预料未来产品发展的规格，所以会遇到较大产品对象超出超声波标准焊接的情形。此时在不增加成本的预算下，只得以现有设备来作业生一、超声波模具架设不准确、受力不平均怎么办？&&&&&&&&&&&& 在一般认为超声波作业时，产品与模具表面只要接触准确就可以得到应该的焊接效果，其实这只是表面的看法，超声波既然是摩擦振，就会产生音波传导的现象.& & & & & &我们如果单只观察硬件（模具）的稳合程度，而忽略了整合型态的超声波作业方式，必定会产生舍本逐末或误判的后果，所以在此必须先强调超声波焊接的作业方式是传导音波，使成振动摩擦转为热能而焊接. 这时候超声波模具的稳合程度、产品截面的高低、肉厚、深浅、材质的组织，必定无法是百分之百承受相同的压力。&另一方面上模（H o r n）输出的能量，每一点都有其误差值，并非整个面发出的能量都相同。就这整体而言，势必产生产品焊接线焊接程度的差异。所以也就必须作修正，如何修正，那就是靠超声波焊接机本身的水平螺丝，或是贴较薄的胶带或铝箔来克服了。&四、塑料产品材质配合不当?& & & & & &每一种塑料材质的熔点，各有不同：& & & & & &例如：ＡＢＳ塑料材质的熔点约115℃，耐隆约175℃、ＰＣ之145℃以上、ＰＥ约85℃为例：ＡＢＳ与ＰＥ二种材质的熔点差距太大，超声波焊接势必困难。而ＡＢＳ与ＰＣ二种材质，亦有差距，但已非前项差距如此之大，是以尚可焊接，但在超声波功率相同，能量扩大相同的情况下，相异的塑料材质，绝无法比相同材质的焊接效果好。&五、超声波机台输出能量不足该怎么处理?&&&&&&&&&& 客户在购买超声波焊接机时，通常较难预料未来产品发展的规格，所以会遇到较大产品对象超出超声波标准焊接的情形。此时在不增加成本的预算下，只得以现有设备来作业生产。碰到此种用小机台作大对象的情形，通常采取的方式有分好几次焊接、增加超声波输出功率（增加段）或增加焊接时间、压力等。然而这也产生了质量不稳定的现象，因为电压与气压直接影响到超声波输出功率的稳定性。&&&&&&&&&&& 也就是说上班或尖峰时间，使用超声波作业的产品质量，与大家都下班后的质量稳定是不相同的。&&&&&&&&&& 然而大家都下了班再使用超声波，那就不是工作效率了。所以这时采取的对策就是气压源采取独立方式；要求在0.02m/m 以下之产品在超声波机台加装稳压设备；调整出力段数、增加功率，但一般状况超声波作业时功率输出最好能掌握在2~4 段之间，如一定要在5~6 段作业，则生产作业时间必须尽量缩短，以避免零件、振动子的损耗。增加能量扩大器（H o r n上模）的扩大。但扩大程度如果超出４：１，将对H o r n本身、音波、电流有极大的影响&六、焊接产品质量不稳定,怎么解决?最好的办法,选择大单位的超声波焊接设备,例如,我们欣宇产品就很好的.质量无法稳定最主要因素是输出功率不能稳定，以导致无法形成稳定的摩擦热能。而如何让功率输出稳定机台输出功率；〈1〉H o r N 扩大比；〈2〉气压源；〈3〉电压源等四项。&&&&&&&&&& 1、机台输出功率＋H o r N扩大比率＝实际可用功率。由此可知在一定产品实施超声波焊接时，于规划与设计的观点而言，机台输出功率愈强，相对H o r N的扩大比所设计的也愈小。&&&&&&&&&&& 反之机台输出功率愈小，H o r N设计的扩大比也愈大。例如：2200W的超声波焊接机，H o r N的扩大比是2.5 倍。换成3200W超声波焊接机时，H o r N的扩大比可能只要1.5倍即可。然而并非强调超声波焊接机输出的功率要大，而是要对一项塑料产品实施超声波焊接时，给予最适合的环境作业，其间尚需考虑成本的预算，产品的功能需求，焊接标准等考虑再来规划出完整的工作设备与超声波使用技巧。&&&&&&&&&&&& 2、在了解上述各种影响超声波焊接质量的关键性原因后，工程师在设计时，首当熟悉并评估1. 产品质量要求功能标准；现有超声波设备；&&&&&&&&&&& 3. 决定产品设计的形态、技巧如超声波导熔线、产品定位、材质）。因为既然可用设备资源已经固定，那就必须用产品设计的技巧来配合现有可用的设备才是正确的。&&&&&&&&&& 4、在我们确定人为因素（1 ~ 2项）都无问题时，会发生质量不稳定现象，那肯定一个事实：即气压与电压产生的影响。在我们多年来处理质量不能稳定现象时，也同时发现，在工作时间内无法达到的质量标准，却在大家都下班，停止电压、气压多数同时使用时，意外的达到质量要求标准。因此也发现多人或多单位使用共同的气压与电压源时，由于空气压缩机通常我们会设定空气储存筒里面的气压低于2 ~ 4kg的情况时再自动打气充填这是一项形成的误差原因。而气压源经过管路到达焊接机时，由于焊接速度快，第一次超声波焊接的气压与第二次或第三次存留于管路的气压亦形成误差，如此将形成周期性或非周期性的质量异动。而电压也由于电力公司输出同时供数百万人都有机会同时使用，此时产生的电压降也不是我们所能控制，如此气压与电压的变量，确确实实的造成能量输出的变化，而影响精密质量的重要因素。当然必须列为诊断项目。&七、超声波焊接后，移位了怎么办？1.降低焊接压力。2.底模加高，使其超过焊接线2m/m 以上。3.使用超声波传导焊接。4.上模（HRON）压到产品才发振。5.修改塑料产品，增强定位。六、超声波焊接后，产生伤痕(断、震裂、烫伤)怎么办？1.降低压力。2.减少延迟时间（提早发振)。3.减少焊接时间。4.引用介质覆盖（如ＰＥ袋）。5.模具表面处理（硬化或镀铬）。6.机台段数降低或减少上模扩大比。7.易震裂或断之产品，治具宜制成缓冲，如软性树脂或覆盖软木塞等（此项指不影响焊接强度）。8.易断裂产品于直角处加Ｒ角。八、超声波焊接后，发现变形扭曲怎么办？1.降低压力（压力最好在2kg 以下）。&2.减少超声波焊接时间（降低强度标准）。&3.增加硬化时间（至少0.8 秒以上）。&4.分析超声波上下模是否可局部调整（非必要时）。&5.分析产品变形主因，予以改善。&九、超声波焊接后，内部零件破坏怎么办？&1.提早超声波发振时间（避免接触发振）。&2.降低压力、减少超声波焊接时间（降低强度标准）。&3.减少机台功率段数或小功率机台。&4.降低超声波模具扩大比。&5.底模受力处垫缓冲橡胶。&6.底模与制品避免悬空或间隙。&7.H o r N（上模）逃孔后重测频率。&8.上模逃孔后贴上富弹性材料（如硅利康）。&九、超声波焊接后，产品发现毛边或溢料怎么办？&1.降低压力、减少超声波焊接时间（降低强度标准）。&2.减少机台功率段数或小功率机台。&3.降低超声波模具扩大比。&4.使用超声波机台微调定位固定。&5.修改超声波导熔线。&十、超声波焊接后，发现产品尺寸不稳定怎么调？&1.增加焊接安全系数（依序由焊接时间、压力、功率）。&2.启用微调固定螺丝（应可控制到0.02m/m）。&3.检查超声波上模输出能量是否足够（不足时增加段数）。&4.检查治具定位与产品承受力是否稳合。&5.修改超声波导熔线。&十一、超声波焊接后时，产品总是单边烫伤怎么办？&&&&&&&&&& 超声波振动焊接，并非单纯直线纵向振动(挠曲与横向振动不在此本次讨论中)，而是形成交叉式纵向下降振动，而上模超声波输出端能量亦是有一定的强弱分布点，气压、电压、机台虽决定功率输出能量的稳定性，但能量分布点亦呈现比例性增减。&&&&&&&&&& 如果发现超声波焊接时制品总是单点烫伤，即表示上模该点输出能量与产品该点形成应力对应，此时若改变超声波振动面的接触点，将可改善热能集束产生的烫伤。&
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浦雄实业， Inc. All rights reserved. &&&&超声波电源技术的发展历程
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超声波电源技术的发展历程
摘 要本文首先简单地介绍超声波发生器的几个主要阶段，然后侧重对开关型超声波发生器作详细
介绍，包括几种成熟的典型线路的设计及调试注意事项，最后将对现在国际上先进的几种控制方式作一些
关键词 超声波发生器电源 开关
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。
2．超声波发生器的原理
超声波发生器的原理用图1来说明。
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．
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。
3．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。
3. 1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。
3．2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．
表1 三种类型发生器主要性能特点
电子管发生器
晶体管模拟型发生器
晶体管开关型发生器
原来较复杂，采用IC后，较简单
中 60%--70%
自动化程度
优缺点，现状及前景
动态范围宽，但由于其他缺点太多，现已被淘汰
线路成熟，在小功率场合（200W以下），成本较低，在一定范围内应用
在较大功率场合（200W以上），应是主流发展方向，另外可以方便与微电处理器结合
3．3晶体管开关型放大器
随着电力电子器件的发展。特别是VDMOS管(垂直沟道MOS管，也可称功率场效应管)和IGBT(隔离栅双极晶体管)的发展和成熟，使得采用开关式发生器成为可能，实际上开关型发生器的发展是开关电源的成果之一，下面着重讨论晶体管开关型发生器．
开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比(或导道与截止时间)采控制输出的功率。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，因此这种开关型发生器的特点是：
(1)功耗低，效率高：开关管在开关瞬时的功耗较大，但时间很短，在截止或导道时的功耗很小．时间较长，因此总的功耗较小，而且基本恒定．最高效率可以达到90％以上．
{2)体积小．重量轻：由于效率高，功耗低．使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率较大，加上直流电源直接变换使用，不需电源变压器降压，因此它的体积较小，重量轻，单位功率所占的体积和重量值较小．
(3)可靠性好．与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时的温升较低，工作就可靠，加上全数字(开关)输出，可用微处理器直接控制．
3 4三种类型发生器主要性能特点(见表1)
4．开关型发生器发展的几个过程
开关型发生器的发展其实与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连，电力电子开关器件的发展过程如下(见表2)：
表2 电力电子开关器件的发展过程
20世纪50年代
20世纪60年代
20世纪70年代
20世纪80年代
20世纪90年代
可控硅SCR（晶闸管）
快速晶闸管
可关断晶闸管
3 MCT(MOS晶闸管)
大功率，大容量，高性能，省吸收与IGBT结合，优势互补
电力晶体管GTR
1 IGBT绝缘栅晶体管
1 高速IGBT，WARP-SPEED
2 低电荷功率MOSFET
第 一种型式是用双极开关晶体管(双极型开关晶体管)作为开关电源的开关管，它的主要缺点是由于双极开关管的上升、下降时延较大，开关频率不能太高(一般在 20KHz以下)．线路成熟，价格低．在开关电源场合还有很多应用，但在超声波发生器中由于开关频率表2电力电子开关器件的发展过程低，没有太大的应用．
第二种型式是用VDMOS管(垂直沟道MOS管，或称功率MOS管)，VDMOS管也有几代的发展，其主要优点是：开关频率高(可达1MHz)，驱动简单 (电压型驱动)，抗击穿性妤(没有雪崩效应)，缺点是耐高压的器件，导通电阻大．在高压大电流场合功耗较大，因此大功率(1 500W以上)有些困难，但随着VDMOS工艺不断改进 输出功率也越来越大。在超声波中可以用于100kHz以上的发生器．
第三种型式是IGBT(隔离栅双极管)，是一种MOS与双极管结合的产物，既有MOS管开关频率高，驱动简单等优点，也有双极管导通压降小，耐压高等优 点．它的开关频率日前可以在40—50KHz，功率可以达到5000w，在一般超声波发生器中可以很少的运用，它的价格较高，保护线路要求复杂。
它们之间的比较可用表3来说明。
表三 三种形式电力电子开关器件的比较
双极开关管
已成熟,一般
低（20KHz）
高（100KHz）以上
中（20-50KHz）
电流型（复杂）
电压型（简单）
电压型（简单）
在发生器中应用
在小功率（1500W以下）或高频率（100KHz以上）应用
大功率（1500W以上），和一般频率（40KHz）以下应用
电力电子器件经历了工频，低频，中频到高频的发展历程，与此相对应， 电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器．再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率，更低损耗和全数字化的方向发展．
模拟控制电路存在控制精度低，动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重，容易老化等缺点．专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线 路。提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟 控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在．此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等 问题．
用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和 实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性．此外．还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电 力电子装置运行的智能化 。
超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式．
(1) 采用单片机控制
单片机是一种在一块芯片上集成了CPU．RAM／ ROM、定时器／计数器和I／O接口等单元的微控制芯片， 具有速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干扰能力强等优点，在各种控制系统中应用广泛。单片机的CPU经历了由4、8，16、32直至64位的 发展过程， 主要以美国INTEL公司生产的MCS一51(8位)和MCS—96(1 6位)两大系列为代表， 在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运 算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合D／A转换器和 MOSFET功率模块实现脉宽调制．另外，单片机还具有对过流，过热。欠压等情况的中断保护以及监控功能。
单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能．但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们不得不转而寻求功能更强的芯 片的帮助 于是 DSP应运而生。
(2)采用DSP控制
数字信号处理器{DSP)是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器．其内部集成了波特率发生器和FiFO缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内 还集成了采样／保持和A／D转换电路，并提供PWM信号输出．与单片机相比，DSP具有更快的CPU．更高的集成度和更大容量的存储器．
DSP属于精简指令系统计算机(Risc)，大多数指令都能在一个周期内完成并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令．同时，DSP采用改进 的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据．内置高速的硬件乘法器，增加了多级流水线．使其具有高速的数据运算能力．而单片机为复杂 指令系统计算机(CiSC)，多数指令要2-3个指令周期才能完成．单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据． 单片机的ALU只能做加法，而乘法则需 要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。与16位单片机相比．DSP执行单指令的时间快8—10倍，一次乘法运算时间快16-30倍．
在超声波发生器中。DSP可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路控制、系统实日十监控及保护．系统通信等．虽然DSP有着许多优点，但是它也存在一 些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等．这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。
{3)采用FPGA控制
现场可编程门阵列(FPGA)属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快．效率高等优点。其结构主要分为三部分：可 编程逻辑块、可编程I／O模块、可编程内部连线．由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万千等效门．所以一片 FPGA就可以实现非常复杂的逻辑．替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL)来对系统进行设计，采用三个层次(行为描 述、PJL描述、门级描述)的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计， 在可靠性、体积、成本上具有相当优势．比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高(MHz级)，数据率高 (20MB／s以上)、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。
5．几种典型的开关式发生器电路型式
5. 1半桥型，原理图如图3所示．
半桥型电路比较简单，PWM控制器是一块多功能IC(集成电路)，兼作频率发生器及脉宽调制器，还集成一些保护性电路。负反馈电路等．一般采用 TL494，Ic的输出经过信号驱动后供开关管．二个开关管轮流导通，抗匹配，供换能器使用。功率的调节有两种方式；第一种是调节频率。由于换能器在谐振 频率时输出功率最大，其消耗功率也大，因此当调节频率为换能器的谐振频率时，其功率最大，我们可以调偏频率，使换能器偏离谐振频率，换能器的功率也会降 低，偏离频率越大，功率降低越大，达到调节功率的目的．
另一种方式 是固定频率，调节占空比。当开关管导通时间较长时，输出的功率较大，导通时间较小．输出功率变小，如图4所示。
这种形式的电路还可以加上功率负反馈电路，当电源电压变化时可以通过反馈调节占空比，使输出功率稳定．
原理图如图5所示
全桥型原理基本上与半桥型相似．它是通过一对管同时开关而在负载上得到变频信号．当TAl与TA2导通而TB1,TB2截止时。Tout得到①负②正信 号；当TB1,TB2导通而TAl与TA2截止时，Tout得到①正②负信号，如此循环，在Tout①、②得到一个交变的功率信号。
全桥型发生器的功率调节也可分为二种情况，与半桥型相似。
[1)刘胜利现代高频开关电源实用技术．电子工业出版社
[2)赵异波，何湘宁．电力电子电路的数字化控制技术．
馆藏&130294
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