非接触式超声裂解系统的研究与设计

发布时间：2017-10-21 10:31

  本文关键词：非接触式超声裂解系统的研究与设计

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【摘要】：近年来,超声波技术由于其存在热效应、空化作用等物理化学效应而被广泛应用到细胞破碎和酶催化等生物医学领域。对不同生物样品的处理,现有超声设备存在工作方式单一、对负载适应性差和处理效率低的不足,样品温度、粘稠度的变化引起负载的谐振频率发生漂移,从而导致系统处于失谐状态,增加了功率损耗、降低了输出振幅,所以超声裂解技术在处理不同样品的应用中有局限性。本文针对传统超声电源的缺点以及超声生物裂解的所需的温度控制和对不同样品处理下的负载自适应变化需求,采用直接数字频率合成、D类功率放大、鉴相变换、频率跟踪等技术,研究设计了一种自适应超声波裂解系统。系统中利用超声空化等效应和试管水浴处理具有非接触无污染的特点。直接数字频率合成技术可以使得输出频率在一个比较大的范围内变化以适应不同处理样品的要求。D类功率放大电路的加入简化了逆变主电路结构。在仿真研究了超声换能器的物理特性以及多频特性基础上,对超声波换能器谐振频率进行动态跟踪,采用PI快速定位谐振点范围和DDS精调减少电流电压相位差两种方法同步调整输出频率使负载工作在谐振状态,调幅电路的加入可以控制输出电压幅值从0~100%间256级可调。测试结果表明,该自适应超声裂解系统的功率因数可达92%,最大输出功率400W。
【关键词】：超声裂解 直接数字频率合成 D类功放 频率跟踪 非接触式
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB559
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 本文主要研究内容12
• 1.4 全文组织安排12-14
• 第二章 系统原理与总体设计14-26
• 2.1 超声振动系统的构成14-17
• 2.2 超声换能器阻抗和物理特性的分析与仿真17-21
• 2.2.1 压电换能器的阻抗特性17-18
• 2.2.2 COMSOL Multiphysics以及换能器的建模与仿真18-20
• 2.2.3 仿真结果分析20-21
• 2.3 系统总体设计框图21-25
• 2.3.1 系统电源模块22-23
• 2.3.2 DDS波形发生模块23
• 2.3.3 超声振幅控制单元23-24
• 2.3.4 功率放大模块24
• 2.3.5 阻抗匹配电路24
• 2.3.6 反馈电参数取样单元24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 系统硬件部分设计26-45
• 3.1 系统电源设计26-27
• 3.2 DDS的配置和波形的产生27-31
• 3.2.1 常用DDS芯片选型及AD9850 芯片介绍27-29
• 3.2.2 正弦波产生电路的设计29-31
• 3.3 超声振动幅度控制31-33
• 3.4 SPWM产生以及功率放大电路33-39
• 3.4.1 单相SPWM的产生及IRS2092 芯片的选用33-34
• 3.4.2 逆变电路设计34-37
• 3.4.3 功率放大主电路的选择和设计37-39
• 3.5 换能器的阻抗匹配电路39-42
• 3.5.1 阻抗匹配方式的选择39-41
• 3.5.2 阻抗匹配电路的设计优化41-42
• 3.6 反馈电参数取样电路42-44
• 3.7 本章小结44-45
• 第四章 系统软件部分仿真与设计45-55
• 4.1 超声换能器谐振频率多峰特性的分析45-46
• 4.2 超声换能器谐振频率的跟踪控制46-54
• 4.2.1 单片机程序初始化47-49
• 4.2.2 AD9850 控制字程序49-50
• 4.2.3 PI控制下的频率粗调50-53
• 4.2.4 DDS控制下的频率精调53-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第五章 系统性能测试55-59
• 5.1 测试内容与软硬件需求55
• 5.2 实验结果分析与讨论55-58
• 5.3 本章小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 参考文献61-64
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果64-65
• 致谢65-66
• 附录66-69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 石雄,杨加功,彭世蕤;DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口[J];国外电子元器件;2001年05期

2 郑景润;;基于包装机械的超声焊接技术研究及应用[J];包装与食品机械;2014年05期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 院建岗;严碧歌;杨艳妮;;超声空化在医学中的应用[A];中国声学学会功率超声分会2005年学术会议论文集[C];2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 季建勋;超声波生物破碎装置的控制与研究[D];江南大学;2013年

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本文编号：1072866