超声波清洗机设计

题 目 超声波自动清洗机设计

高职 院（系） 数控 专业

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指导教师

起讫日期

设计地点 教学楼

目 录

引言 3

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第一章 超声波清洗机原理和特点 3

第二章 超声波发生器设计 .4

第一节 超声波发生器的选择 .4 第二节 超声波振荡器设计 6 第三节 超声波放大器设计 7 第四节 高频驱动和匹配电路 9

第三章 超声波换能器选择设计 10 第四章 清洗槽设计 11 参考献 11

超声波清洗机

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摘要：超声波清洗始于20世纪50年代初，随着技术的进步应用日益扩大。目前已广泛地用于

电子电器工业、清洗半导体器件、电子管零件、印刷电路、继电器、开关和滤波器等；机械工业中用于清洗齿轮、轴承、油泵油嘴偶件、燃油过滤器、阀门及其他机械零件，大如发动机及导弹部件，小如手表零件；再如光学和医疗器械方面用于清洗各种透镜、眼镜及框、医用玻璃器皿、针管和手术器具等；此次设计的超声波清洗机主要应用于家庭中厨具和一些难洗的生活用具。该产品是一种机电产品，通过压电陶瓷材料做成的超声波换能器将超声频电振荡转变成机械振动，在液体中产生超声波振动进行清洗。利用超声波可以穿透固体物质而使整个清洗介质振动并产生空化气泡，该清洗方式对任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗洁净度非常高。这种新一代时尚家电，能够使人们从繁琐的家务劳动中解脱出来。

关键词：超声波；清洗机；换能器

引言

超声波是一种超过人类听力频率范围的声波，具有频率高、方向性准、穿透能力强等特点，广泛应用于清洗、距离测量、医学等领域。超声清洗始于2O世纪5O年代初，开始主要用于电子、光学和医药等领域，作为一项实用性很强的技术，其应用场所广泛，涉及到大的机械零部件，小半导体器件的清洗等，常常称作“无刷清洗”。超声波清洗的主要特点是速度快、效果好、容易实现工业控制等针对复杂工件表面，如空穴、凹凸处，普通清洗方法很难实现，而采用超声波就可以获得很好的效果。随着声化学的出现与应用，再配合使用适当的溶液，调节清洗液酸碱度等，清洗效果更好

第一章 超声波清洗机原理与结构

1.1 超声波清洗的原理和特点

图1是超声波清洗的原理图，换能器将超声频电能转换成机械振动并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射超声波。存在于液体中的微气泡(称为空化核)在声波的作用下振动，当声压或声强达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合。在气泡闭合时，产生冲击波，在气泡周围产生10 一10 Pa的压力及局部高温，这种物理现象称为超声空化。空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。蒸汽型空化对污垢层的直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而脱离。气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡还能“钻入”裂缝作振动，使污垢脱落。由于空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒子被油污裹着而附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子自行脱落。超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，冲击清洗件，同时由于非线形效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面上会产生高速的微声流，

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所有这些作用能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。

图1 超声波清洗机原理图

由此可见，凡是液体能浸到声场存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、质量高，特别适合于清洗件表面形状复杂，如空穴、狭缝等的细致清洗，易于实现清洗自动化。对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也达到高标准。在某些场合下可以用水剂代替有机溶剂进行清洗，或降低酸碱的浓度。对于一些有损人体健康的清洗，如清洗放射性污物可以实现遥控和自动化清洗。超声清洗也有其局限性，例如对声波反射强的材料如金属、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而对声波吸收大的材料如布料、橡胶以及粘度大的污物清洗效果差。

第二章 超声波发生器设计

2.1超声波发生器的选择

超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡一放大型和逆变型两种。本设计采用振荡一放大型超声波发生器，其结构框图如图2所示。它是一个带有振荡电路的放大器，由振荡、放大、匹配电路和电源组成。振荡器产生一定频率的信号，放大器将其放大到一定的功率输出。达到最佳负载值，通过输出变压器进行阻抗匹配，并通过功放输出。

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振荡器 放大器 匹配器 超声换能器 电源 图2 振荡-放大型超声波发生器结构框图

振荡条件：

从结构上看，正弦波振荡器就是一个没有输入信号的、带选频网络的正反馈放大器。图3表示接正反馈时放大器在输入信号X1=0时的方框图，简化下得图4。由图4可知，如果在放大器输入端1外接一定频率，一定幅度的正弦波信号Xa，经过基本放大器和反馈网络所构成的环路输出后，在反馈网络的输出端2得到反馈信号Xf与Xa在大小和相位上都一致，则可以除去外接信号Xa，将1、2两端连接在一起(如图中虚线所示)而形成闭环系统，其输出端可继续维持与开环时一样的输入信号，即Xf=Xa。

基本放大器（A） 反馈网络 （F）

图3 正弦波振荡器方框图

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AF

图4 正弦波振荡器方框图

AF＝AF＝1 振幅平衡条件

和

a+ f=2n n=0,1,2,3„„ 相位平衡条件

这两个式子是正弦波振荡器产生持续振荡的两个必要条件。振荡器的振荡频率f0是由相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡器只在某一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f0,这就是要求在AF环路中包含一个具有选频特性的网络。它可以设置在放大器A中，也可以设置在反馈网络F中，它可以用R、C元件组成，也可以用L、C元件组成。欲使振荡器能自行建立振荡，就必须满足

AF＞1的条件。这样在接通

电源后，振荡器就可以自行起振，最后趋于稳态平衡。 2.2超声波振荡器设计

由于TL494价格便宜而且性能优越，设计采用由开关稳压块TL494构成的振荡器。振荡器电路见图5

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图5 振荡器电路图

将TL494的5脚(CT)和6脚(RT)接定时元件电阻R和电容c，即可起振，振荡器工作频

率由下式决定：f= 10.817RC1.42106(HZ)

由于频率选为20kHZ由上公式得RC=0.5958×106S1,振荡器输出方波的占空比是换能器产生的超声波强度的决定因素。通过给TL494的4脚加以一定的直流电压就可实现占空比调整。定时元件由电容C、电阻R1和电位器R2构成，调节电位器R2即可实现频率的调整。本机供电电源为12V，采用的是推挽工作方式。电阻R3(10kQ)和电位器R4(10kQ)构成分压电路，死区时间控制端的电位应界于2．5～5V之间。调节电位器R4亦可实现超声波的强度调节。 2.3超声波放大器设计 （1）超声波放大器的选择

超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器使用电子管做放大器件，现在则普遍采用晶体管（三极管、场效应管和IBGT器件）。近年来越来越多的厂家采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路垄断。与电子管发生器相比，晶体管发生器的优点在于体积小、重量轻、效率高。但从另一方面讲由于受到方向击穿电压、最大集电极电流、最大集电极耗散功率参数的限制，通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。要提高晶体管发生器的输出能力，除了有赖于高性能器件外，还必须采用高效率的电路。传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件作为电流源工作。在这些放大器中，晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化。

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(2)低压驱动电路

本机采用高压小电流功放电路，由两只三极管和耦合变压器构成，见图6。为了避免两只功放管同时导通，导致内部功耗增加，两管的导通时间必须错开，使它们在交替工作时有一段同时截止的时间。为此，三极管P1和P2对振荡器的输出作反相处理，三极管选用PNP型的8550。低压驱动电路所用的电源是直流12V，而功放电路的电源是交流220V，在三极管后加入一个耦合变压器，完成高低压隔离的任务。

图6 低压驱动电路图

(3) 功放匹配电路功放电路

如图7所示。电路由两个VMOS功率场效应管2SK791构成。具有线性度高、频率响应好、开关速度快等优点，是理想的开关元件。但其关断特性在电流小时并不理想，下降沿有拖尾。

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图7 功放电路

2.4高频驱动和匹配电路

超声发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容—调谐，即选用一定值的阻抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是达到了匹配，换能器才能正常工作。 高频驱动和匹配电路如图8

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图8高频驱动和匹配电路

超声波清洗机中的匹配电路是将发生器输出的电能送往换能器的通道。匹配电路虽然结构简单(通常只有一个匹配电感)，却具有重要作用。相同型号的清洗机，匹配调得好的清洗效果好；匹配调得差的则清洗效果差。对同一台机器而言，如果工作一段时间后清洗效果变差，或者换能器经过更换，都需要重新调整匹配。与一般电子设备的匹配有所不同，超声清洗机的匹配除了要解决变阻问题(即变换负载的阻值，使之与发生器的最佳负载值相等)外，还要解决调谐问题，即用匹配电感的感抗抵消换能器的容抗，使换能器呈纯阻性。技术人员通常是根据各自的经验进行匹配。例如，有人在改变清洗槽水位时观察电流的变化，如果电流变化处于一定范围之内，同时管子不发热，空化声强，便认为匹配已调好。也有人让机器空载时稍，微呈电感性，而在加载后转变为纯阻状态。这些经验都是适用的。但在已有经验的基础上，再掌握匹配的原理，就可以在匹配时有的放矢，更加主动，从而收到事半功倍的效果。

第三章 超声波换能器设计

3.1换能器的选择

用于超声清洗的换能器有两种类型．一是磁致伸缩换能器，另一种是压电换能器，磁致伸缩换能器这种换能器的电声效率比较低．而且金属镍材料价格昂贵，制造工艺

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复杂，所以目前很少采用。还有一种用铁氧体材料做成的磁致伸缩换能器，虽然其电声效率比较高，但机械强度低，所能承受的电功率容量小，因而目前我国也很少应用。 目前我国主要采用压电换能器，因为这种换能器的电声转换效率高．原材料价格便宜，而且便于制造不同的结构，以适应不同的清洗要求。压电换能器又有很多种如圆柱形、喇叭形等。经过对比最后确定选用喇叭形夹心电换能器作为此次的换能器。 换能器是用来进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。在声学研究领域中，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的

第四章 清洗槽设计

清洗槽由内槽和外壳组成．内槽的外表面(一般在槽底外表)粘结超声换能器，槽内盛清洗液．槽一般用耐腐蚀的不锈钢板制成，过于厚会影响声的辐射．槽的内壁，尤其是粘有换能器的辐射板要平整抛光，不能有伤痕，否则易产生空化腐蚀，缩短使用寿命．为避免被清洗工件直接与槽壁板接触而划伤，一般用镂空吊篮(网篮)或支架将清洗件悬吊在清洗液中．网篮的骨架应尽可能地小而轻，一般用不锈钢丝编成或用其它反射声良好的材料做成．结构上要使超声波受阻小而清洗液易于流动．内槽的尺寸要根据清洗件的大小和形状而定．清洗件的总表面积不应大于内槽的体积．粘有换能器的辐射板(如槽底板)所承受的电功率强度一般低于1．5 W／cm2(用压电换能器时．大多数应在0．5～1 w／cm2之间)．过高的强度会加速辐射板表面的空化腐蚀，同时由于过剧烈的空化所产生的气泡会影响能量传递，使远离辐射面的液体空间声强变弱而达不到均匀清洗的目的．在普通的清洗槽中，由于液面的反射，在清洗槽中会产生的驻波，使得在液体空间有些区域声压最小(波节处)，有些地方声压最大(波腹处)而造成清洗干净程度不均匀．为减少驻波的形成，有时清洗槽的形状要特别设计，或采取其他措施，例如扫频工作方式．清洗件在槽中的排列要有一定的间隔，而最窄小的面应朝向换能器的辐射面，以免妨碍声辐射到整个清洗槽空间

内槽尺寸为400×360×200mm，超声波功率为500瓦；外槽尺寸为420×490×380mm；

超声波发生器电路箱为224×100×135mm，由六个直径为4.5毫米的螺纹固定。

参考文献

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