大功率超声波清洗机

 崔海娟1，赵海明2 (1．电子科技大学物理电子学院，成都610054；2．深圳市恒波超声波设备有限公司 0755-28993510)

摘要：

介绍一种基于AvR单片机控制的超声波大功率清洗设备。详细地阐述了超声波清洗机及超声波换能器、超声波发生器的工作原理及结构，给出了系统及结构的设计、单片机控制电路和超声波功率放大电路的设计。为了使超声波换能器的固有机械谐振频率与电路的谐振频率保持一致，工作时电路要时刻对超声波换能器进行频率自动跟踪。经多年制造、使用经验证明，整个系统具有频率跟踪功能，恒功率清洗功能，且可以方便调节功率，满足工业清洗要求。

1 引言

超声波是频率在20kHz以上的声波．具有穿透 力强、频率高、方向性准等特点。早在20世纪50年 代就出现了超声波清洗技术，在过去几十年超声波 清洗已广泛应用于各行各业，清洗应用大到机械零部件．小到半导体器件。 超声波清洗的重要特点是速度快、效果好、成本 低、有利于环保、容易实现工业控制等。

被国际公认为是当前效率最高、效果最好的清洗方 式，其清洗效率达到98％以上，清洗洁净度也达到了最高级别。尤其是对形状结构复杂、人工及其它清洗 方式不能有效地进行清洗的工件，具有显著的清洗 效果。根据不同的溶剂．不同的工件材料．配合适当 的清洗剂，调节清洗液的酸碱度，清洗效果会更好。

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 2超声波清洗原理

超声波清洗主要是利用超声波在液体中的空化 作用，空化效应如图1所示。超声波在液体传播过程中，当其声波压强达到一个大气压时，超声波的功 率密度约为O．35W／cm2，这时在液体中传播的超声 波的声波压强峰值在液体中会产生一个很大的力， 将液体拉裂成空洞(空化核)，此空洞为真空或非常接近真空。在信号电压值(或超声波藤强)下一个半 周达到最大时。由于周围的臁力的增大而被压碎．这 些无数绷小丽密集的气泡破裂时产生冲击波的现象被称之为“空亿”佟耀。空纯泡旃溃时．在极短的时闺 和极小的空间内，形成局部热点，可产生高达5000 K 的高温朔lO吼的高压，湿度变化率高达l卿[洳。并伴随有强烈的冲击波和时速达400km的射流。空化过程如图l所示。在此作用下，液体分子激烈碰撞 产生非卷强大的冲击力，将被清洗物体表面的嚣物 撞击下来。空化作用也在固体与液体的交界处产生一种剪切力，也是使污垢脱落，因而两种力的作用， 对手浸入超声波臻耀下的液体中的物体鲣表露具有 超乎寻常的清洗作用。另外，由于超声波具有很强 的穿透圈体的作用。所以这种“空化”作用对浸入超声波终月下的液婊孛物薅(如管俘)内表嚣也能褥到 一定程度的清洗，这是超声波清洗优于其它清洗手段的重要方面。

3超声波换能器结构及频率特性

超声波换能器是由压电陶瓷材料制造的夹芯式换能器，压电陶瓷材料具有在电场作用下产生尺寸 变仡的现象，在交变电场的作用下换熊器会产生税械振动。 超声波换能器在电路巾近似等效为电容C，并 且每个超声波换髓器都有蕻固定的机械谐振频率， 故采用外加抗性元件使电路“调谐”，使输入相角趋近于零。同对应该使电路谐振频率与换毙器的枕械 谐振频率相一致，只有这样换髓器的声电转换效率 才最大[21。 另外。几乎赝肖功率超声设备在工作的过程中，因负载变化、工具磨损、换能器发热等影响，换能器 的机械共振频率将发生漂移。电路的频率要时刻跟 踪换能器的机械谤振频率。否则换能器酶振幅下降， 效率下降。

4超声波清洗机整体系统及结构设计

超声波清洗机由超声波电源和超声波清洗槽两 大部分组成。超声波清洗槽由不锈钢材料制作，槽体在保证机械强度的条件下应尽鼙薄。这有渤提高超声波功率的传播。超声波换能器粘贴在超声波清洗槽四周，糕贴过程中要注意紧密性。不能嫠有任何 气隙，否赠大部分超声波能量将损失在气隙处。超声波清洗槽巾还有气泵、爆气管路、泄荷阀、电加热管、数字湿度控制器等设备。位予槽底部的气泵和 爆气管路．将气泡注入水中来提高空化效果。渣荷阀 用来调节气泡强度。电加热管和数字温度控制器可 以控制水温，耀在提高水温方面，越一定的恒温装置作用。具体结构如图2所示。 超声波换能器电由一图2超声波清洗槽结构图 Fig．2 The configuration of ultrasonic cleaning tank

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 5．1电源总体设计超声波电源摸块，单芹撬控制模浚，驱动 模块，IGBT，输出变压器，电感，取样模块组成。整体 设计框图如网3。 图3整俸设计罹黼 Fig．3 The process block-diagram of system design 电源模块为系统提供整流矮赢流电源300v、控 制弱电源。输出变压器的作用使电源与负载相匹配， 把换能器的阻抗变换成最佳负载．即起到阻抗变换 佟耀，使电源输出效率达到最高，～般通过输出变压器的初次级线圈匝数比进行变换[3]。电感用于匹配 电路中的容抗，使电路产生谐振，同时应该使电路谐 振频率与换能器的机械谐振频率相匹配，选用 28姓k的超声波换能器粘贴在超声波清洗槽后。机 械谐振频率有所下降，通过用可变电感找到其谐振频率。取样电阻的作用，是将电路中的电压、电流信 号采集，并送人MCU控制模块，进行频率跟踪。

 5．2 MCU控制模块设计 MCU选用AVR系列的ATmegal63单片机． 该芯片有16k的Flash程序空间，1k数据SRAM空间，512字节的EEPROM；三路PWM通道。其中两 路可以输出互补PWM波形，用来驱动半桥电路。 ATmegal63具有8路10位ADC通道。通过A／D 端口将电流、电压采样转换，并监控其大小，根据电流大小，程序执行正常或过流保护。断路保护等运行 方式。程序框图如图4所示。 整形限幅电路．将取样电阻送来的电压、电流信号处理为方波信号。通过比较电压、电流两路方波信 号谁先到的方法，确定电流是超前或滞后。当电流 超前时，增加PWM输出频率使电路达到谐振，当电流滞后时，减少PWM输出频率使电路达到谐振。

 5．3 IGBT及其驱动模块设计 图4程序框图． Fig．4 The process flowchart of program 软关断斜率设定故障输出信号 图5 K57962各管脚示意图 Fig．5 The pins of K57962 IGBT是结合B|JrI’“大功率三极管”和MOSFET “场效应管”的特性，所混合发展出的一种新元件。 IGBT实际上是用MOSFET驱动的厚基区GTR．输 入具有MOSFET的输入阻抗高、驱动容易等特点， 而输出具有＆盯的耐压高、承受大电流、通态电阻 低(低导通电压)、开关速度快等特点。在设计中 IGBT采用了东芝的MGl00Q2YS50A模块。 IGBT的驱动保护模块采用国产的K57962模 块，如图5。K57962模块具有过流检测、过流保护、过热保护、强弱电隔离等主要特点，是一种比较典型 的驱动保护电路，其性能参数要优于EXB841和 M57962。各管脚示意图如图5所示。14脚为保护接口，当管脚10与管脚14之间的电压大于9V(具体 数值与驱动保护模块型号有关)时。模块保护 IGBT。IGBT模块MGl00Q2YS50A正常工作时管压 降约为3．6v．为此要在管脚14上串联一个快恢复 二极管和一个稳压管，使三者的压降和为9V。

 6结束语

传统的工业清洗方法，随着工业发展很难适应复杂工件清洗，高清洁度清洗等要求。而超声波清洗作为新型的清洗技术，有着广阔的应用领域。应 用实现的大功率超声波清洗机。电源最大可以输出 功率为5kW，可以较好的满足工业规模化清洗。

 参考文献

[1]王家宝．超声波清洗工艺的原理与应用[J]．柴油机设计与制 造，2006，14(4)：36-38．

【2]袁易全．近代超声原理与应用[M]．南京：南京大学出版社 1996．44-47．

[3]李瀚荪．电路分析基础[M]．北京：高等教育出版社1997，下 册244-247． 万方数据 超声波大功率清洗机 作者： 崔海娟，赵海明， CUI Hai-juan， ZHAO Hai-ming 作者单位：崔海娟,CUI Hai-juan(电子科技大学物理电子学院,成都,610054)， 赵海明,ZHAO Haiming( 深圳市恒波超声波设备有限公司  www.chaoshengbo.org )

参考文献(3条)

1.王家宝超声波清洗工艺的原理及应用[期刊论文]-柴油机设计与制造 2006(4)

 2.袁易全近代超声原理与应用 1996 3.李瀚荪电路分析基础 1997 相似文献(8条) 1.期刊论文张元艺.申碧梅.李坤之超声波清洗器的故障检修和改造 -电工技术杂志2002(6) 阐述了超声波清洗器的工作原理及其改造过程,通过技术改造使超声波清洗器的性能和工作效率显著提高,节约了成本,延长了使用寿命. 2.会议论文刘艳武.张仁良.高大江.王春阳超声波清洗的典型应用与经济效益 2003 本文在简述超声波清洗原理、特点的基础上，从应用研究的角度，阐述了IGBT逆变式超声波清洗机/线十多年推广应用的典型案例，并举例说明了其 经济效益。

 3.期刊论文张元艺.申碧梅.李坤之超声波清洗器的改造 -中国设备工程2002(9) 阐述了超声波清洗器的故障原因及改造过程,通过技改使其性能和工作效率显著提高,节约了成本,延长了产品使用寿命.

4.期刊论文刘艳武.张仁良.高大江.王春阳超声波清洗的典型应用与经济效益 -洗净技术2003(9) 本文在简述超声波清洗原理、特点的基础上,从应用研究的角度,阐述了IGBT逆变式超声波清洗机/线十多年推广应用的典型案例,并举例说明了其经 济效益.

5.会议论文樊利华.吴春龙超声清洗机的维修和改造 2003 本文主要围绕超声波清洗机的易损件——开关电源部分，进行了系统的分析，并制定了一套维修、改造方案。

 6.期刊论文刘艳武.张仁良.高大江.王春阳超声波清洗的典型应用与经济效益 -洗净技术2003(11) 本文在简述超声波清洗原理、特点的基础上,从应用研究的角度,阐述了IGBT逆变式超声波清洗机/线十多年推广应用的典型案例,并举例说明了其经 济效益.

 7.会议论文张国安.李桂祥.项建涛移相全桥式IGBT超声波电源的研制 2001 本文介绍某型超声波电源的工作原理,采用全桥移相式串联谐振电路,以IGBT为功率开关器件,热耗小,转换效率高,噪音小,配合适当型号的清洗槽和清洗液,清洗效果好.

8.学位论文陈振伟 超声波发生器的研究 2007

自从超声科技问世以来，其发展日新月异，应用日益广泛，已经取得了良好的社会效益和经济效益。但是作为一门综合性极强的交叉学科，超声学研究与应用均起步较晚，技术状况已远远不能满足我国经济事业多领域的需求，广阔的市场前景促使我们加大研究力度。

本文首先介绍了功率超声波技术的原理和发展趋势，然后详细分析了超声波设备的组成、关键技术以及设计难点，并采用三种不同的控制方案设计、制作了超声波发生器，分别应用在超声波清洗机和焊接机中。 主电路使用集MOSFET和JGTR的优点于一身的IGBT作为开关管，构成半桥逆变电路。通过分析超声波换能器的阻抗特性，比较换能器工作在串联谐振频率和并联谐振频率的优劣，介绍了几种匹配方式的特点，设计了匹配电路。 控制电路中分别采用了锁相方式、扫频控制方式以及模糊自适应控制方式实现了对超声负载的自动频率跟踪，并且功能完善，配备了软启动、死区调节、限流、过流、驱动自保护和过热保护，有力的保障了系统长时间工作的稳定性和可靠性。

最后通过实验，证明了设计的方案可靠，适应性强，样机不仅具有频率自适应功能，而且能够功率自适应，具有良好的推广应用意义。

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