频率智能控制的超声波发生器研究
发布时间：2021-01-25 16:28
超声波清洗技术是功率超声技术的一个重要发展方向,由于其清洗效果好、无污染、成本低等优点,正逐步代替传统的清洗方式,广泛地应用于实际的生产生活中。超声波发生器是超声波清洗机的核心部分,其输出信号的频率和功率是超声波清洗技术的关键指标。超声波换能器在恶劣的工作环境下会发生老化、产生机械损耗,导致其固有的谐振频率发生漂移,若超声波发生器输出信号频率与换能器谐振频率不匹配,则会使换能器工作效率降低,影响超声波清洗机的安全运行。为解决换能器谐振频率漂移问题,在对换能器相关特性分析后,本文研制了一种基于STM32单片机、输出功率可调、换能器谐振频率自动跟踪的超声波发生器。该超声波发生器主功率电路由整流滤波电路、逆变电路和高频变压器三部分组成,采用移相PWM控制技术调节超声波发生器的输出功率。控制系统电路以STM32F407ZGT6为处理芯片,采用数字锁相技术实现换能器谐振频率的跟踪,并设计了相应的相位差信息采集电路和信号驱动电路。在软件方面,利用Keil编译器设计了超声波发生器控制系统程序。在控制算法方面,采用模糊PI控制,并对模糊控制器进行了设计。最后,本文对各电路模块进行测试,并在MATLAB...
【文章来源】： 黄秋霖 西安石油大学
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超声波清洗技术原理
第一章绪论3超声波清洗机是一个利用超声波清洗原理而制造的清洗设备，结构如图1-2所示。它主要是由超声波发生器、超声波换能器和清洗水槽三部分组成。超声波发生器用于直接产生高频高能的超声波信号；换能器被固定于清洗水槽底部的振动钢板上，它的作用是将输入的超声波信号转化为机械能传给清洗水槽；清洗水槽一般位于超声波清洗机的外部，多为长方体，其结构的大小与清洗物体体积和超声波发生器的功率有关，清洗水槽的结构会影响超声波声场的分布，进而影响清洗效果。图1-2超声波清洗机的结构超声波清洗技术的原理主要是以介质液体空化效应为依据，要想达到较好的清洗效果，就需要超声波清洗设备产生参数适当的超声波，使清洗液更易发生空化反应。此外，一些外部因素也会对清洗效果产生影响。影响超声波清洗效果的因素总结如下[7]：（1）声强声强是指单位时间内通过清洗物体单位面积的声能。在可以使介质液体产生空化反应最小声强值（空阀值）以上，超声波声强越大清洗效果越好。一般来说，超声波声强为1-2W/cm2就可以清洗大多数沾染物，对于特殊沾染物，如金属氧化膜等，则需要超声波的声强达到几十W/cm2以上。超声波的声强与信号的功率密切相关。（2）频率超声波的振动频率越大，介质液体产生空化反应所需要的最小声强（空阀值）就会越大，这样反而会使空化效应难发生，所以超声波清洗的频段一般在20kHz到130kHz之间。在上文分析过，超声波穿透强度与频率成反比，所以普通工业零件的表面清洗一般选用频段在20kHz-50kHz，例如汽车零部件、油气管道等污垢清洗。50kHz以上大频段超声波则多用于清洗精密器件，例如航空航天器件、手机手表部件和光电子零部件等。（3）声场的分布清洗水槽的声场分布理论上应该是均匀的，这样才使清洗气泡能全?
第二章换能器匹配网络设计以及谐振频率控制研究9第二章换能器匹配网络设计以及谐振频率控制研究超声波换能器在超声波清洗机系统中通常可以视为负载。在实际工作时，超声波换能器结构常常会受工作环境的影响而发生变化，进而导致其谐振频率漂移。此时，超声波主功率电路输出信号的频率应要实现漂移谐振频率的跟踪，与换能器的谐振频率同步变化，这样可以提高工作效率，保证超声波清洗机系统工作的稳定性。2.1超声波换能器概述换能器将超声波发生器输出的电能转变为机械能，并以机械振动的形式传给清洗水槽下方的振动钢板，振动钢板将能量传入清洗液中，使清洗液产生空化效应，实现超声波清洗。目前，常用的换能器根据制成材质的区别可分为压电陶瓷式和磁致伸缩式两大类。磁致伸缩式换能器主要是依据磁致伸缩效应而制造出来。磁致伸缩效应是指把片状铁磁材料制造的棒状形物体投置在同棒轴方向的磁场中，棒状形物体的长度会随着磁场的变化而发生变化。磁致伸缩式换能材料主要有铝铁合金、稀土、镍钴和镍锌等材料，其所制成的棒状物块电阻率较低、磁通密度饱和性较高，所以一般用于功率较高且频率较低的超声波设备中。压电换能器主要依据压电效应所制造而来。压电效应是指晶体或者是陶瓷晶体受到外电场的作用而发生的形变，受到一定外力时会在其表面会产生一定量的电荷。目前压电换能器主要由石英制和陶瓷制两种材料，在超声波清洗领域最普遍使用的是压电陶瓷制换能器，如图2-1所示。图2-1压电陶瓷式换能器
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉冲式感应加热电源频率跟踪技术的研究与实现[J]. 王晓娜,方旭,唐波,叶树亮. 电工技术学报. 2018(18)
[2]频率自动跟踪超声波电源设计[J]. 陈鹏,覃庆良,冯宇平. 应用声学. 2017(06)
[3]基于FPGA的宽频超声波电源频率跟踪系统设计[J]. 苏文虎,陈迅. 电子技术应用. 2017(03)
[4]超声波电源的复合频率跟踪策略研究[J]. 李长有,李帅涛,刘遵. 电子技术应用. 2016(10)
[5]压电超声换能器阻抗特性分析与匹配设计[J]. 王玉江,王志斌,宋雁鹏,解琨阳,赵同林. 压电与声光. 2016(04)
[6]超声波发生器的锁相关键技术[J]. 李维,洪喜,卢佳,郭尧. 电子技术与软件工程. 2016(06)
[7]超声换能器频率特性及匹配研究[J]. 杜鹏,姜楠,宋波. 电声技术. 2016(01)
[8]压电式脉冲超声波发生器激励电源的设计[J]. 姚俊,陈骥,张旭茹,赵晓明. 电子设计工程. 2015(24)
[9]基于FPGA与DDS技术的可调超声波驱动电源设计[J]. 张兴红,蔡伟,邱磊,陈鑫,何涛. 仪表技术与传感器. 2015(06)
[10]大功率超声波发生器的设计与研究[J]. 艾治余,朱倩倩,杨柱,王攀. 电子制作. 2014(15)
硕士论文
[1]超声波发生器控制电路的研究[D]. 原艺博.西安石油大学 2019
[2]基于FPGA的大功率超声波电源研究[D]. 刘平峰.广东工业大学 2016
[3]基于DSP的超声波电源研究[D]. 贾明明.河南理工大学 2014
[4]超声波换能器谐振频率跟踪方法研究[D]. 卢斌.重庆大学 2012
[5]超声波发生器的研究[D]. 陈振伟.浙江大学 2007
本文编号：2999533
【文章来源】： 黄秋霖 西安石油大学
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超声波清洗技术原理
第一章绪论3超声波清洗机是一个利用超声波清洗原理而制造的清洗设备，结构如图1-2所示。它主要是由超声波发生器、超声波换能器和清洗水槽三部分组成。超声波发生器用于直接产生高频高能的超声波信号；换能器被固定于清洗水槽底部的振动钢板上，它的作用是将输入的超声波信号转化为机械能传给清洗水槽；清洗水槽一般位于超声波清洗机的外部，多为长方体，其结构的大小与清洗物体体积和超声波发生器的功率有关，清洗水槽的结构会影响超声波声场的分布，进而影响清洗效果。图1-2超声波清洗机的结构超声波清洗技术的原理主要是以介质液体空化效应为依据，要想达到较好的清洗效果，就需要超声波清洗设备产生参数适当的超声波，使清洗液更易发生空化反应。此外，一些外部因素也会对清洗效果产生影响。影响超声波清洗效果的因素总结如下[7]：（1）声强声强是指单位时间内通过清洗物体单位面积的声能。在可以使介质液体产生空化反应最小声强值（空阀值）以上，超声波声强越大清洗效果越好。一般来说，超声波声强为1-2W/cm2就可以清洗大多数沾染物，对于特殊沾染物，如金属氧化膜等，则需要超声波的声强达到几十W/cm2以上。超声波的声强与信号的功率密切相关。（2）频率超声波的振动频率越大，介质液体产生空化反应所需要的最小声强（空阀值）就会越大，这样反而会使空化效应难发生，所以超声波清洗的频段一般在20kHz到130kHz之间。在上文分析过，超声波穿透强度与频率成反比，所以普通工业零件的表面清洗一般选用频段在20kHz-50kHz，例如汽车零部件、油气管道等污垢清洗。50kHz以上大频段超声波则多用于清洗精密器件，例如航空航天器件、手机手表部件和光电子零部件等。（3）声场的分布清洗水槽的声场分布理论上应该是均匀的，这样才使清洗气泡能全?
第二章换能器匹配网络设计以及谐振频率控制研究9第二章换能器匹配网络设计以及谐振频率控制研究超声波换能器在超声波清洗机系统中通常可以视为负载。在实际工作时，超声波换能器结构常常会受工作环境的影响而发生变化，进而导致其谐振频率漂移。此时，超声波主功率电路输出信号的频率应要实现漂移谐振频率的跟踪，与换能器的谐振频率同步变化，这样可以提高工作效率，保证超声波清洗机系统工作的稳定性。2.1超声波换能器概述换能器将超声波发生器输出的电能转变为机械能，并以机械振动的形式传给清洗水槽下方的振动钢板，振动钢板将能量传入清洗液中，使清洗液产生空化效应，实现超声波清洗。目前，常用的换能器根据制成材质的区别可分为压电陶瓷式和磁致伸缩式两大类。磁致伸缩式换能器主要是依据磁致伸缩效应而制造出来。磁致伸缩效应是指把片状铁磁材料制造的棒状形物体投置在同棒轴方向的磁场中，棒状形物体的长度会随着磁场的变化而发生变化。磁致伸缩式换能材料主要有铝铁合金、稀土、镍钴和镍锌等材料，其所制成的棒状物块电阻率较低、磁通密度饱和性较高，所以一般用于功率较高且频率较低的超声波设备中。压电换能器主要依据压电效应所制造而来。压电效应是指晶体或者是陶瓷晶体受到外电场的作用而发生的形变，受到一定外力时会在其表面会产生一定量的电荷。目前压电换能器主要由石英制和陶瓷制两种材料，在超声波清洗领域最普遍使用的是压电陶瓷制换能器，如图2-1所示。图2-1压电陶瓷式换能器
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉冲式感应加热电源频率跟踪技术的研究与实现[J]. 王晓娜,方旭,唐波,叶树亮. 电工技术学报. 2018(18)
[2]频率自动跟踪超声波电源设计[J]. 陈鹏,覃庆良,冯宇平. 应用声学. 2017(06)
[3]基于FPGA的宽频超声波电源频率跟踪系统设计[J]. 苏文虎,陈迅. 电子技术应用. 2017(03)
[4]超声波电源的复合频率跟踪策略研究[J]. 李长有,李帅涛,刘遵. 电子技术应用. 2016(10)
[5]压电超声换能器阻抗特性分析与匹配设计[J]. 王玉江,王志斌,宋雁鹏,解琨阳,赵同林. 压电与声光. 2016(04)
[6]超声波发生器的锁相关键技术[J]. 李维,洪喜,卢佳,郭尧. 电子技术与软件工程. 2016(06)
[7]超声换能器频率特性及匹配研究[J]. 杜鹏,姜楠,宋波. 电声技术. 2016(01)
[8]压电式脉冲超声波发生器激励电源的设计[J]. 姚俊,陈骥,张旭茹,赵晓明. 电子设计工程. 2015(24)
[9]基于FPGA与DDS技术的可调超声波驱动电源设计[J]. 张兴红,蔡伟,邱磊,陈鑫,何涛. 仪表技术与传感器. 2015(06)
[10]大功率超声波发生器的设计与研究[J]. 艾治余,朱倩倩,杨柱,王攀. 电子制作. 2014(15)
硕士论文
[1]超声波发生器控制电路的研究[D]. 原艺博.西安石油大学 2019
[2]基于FPGA的大功率超声波电源研究[D]. 刘平峰.广东工业大学 2016
[3]基于DSP的超声波电源研究[D]. 贾明明.河南理工大学 2014
[4]超声波换能器谐振频率跟踪方法研究[D]. 卢斌.重庆大学 2012
[5]超声波发生器的研究[D]. 陈振伟.浙江大学 2007
本文编号：2999533
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