CN103302055B - 基于数字脉冲驱动的变频超声波系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声波应用技术领域，尤其是基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，本发明包括超声波发生器、超声波换能器和超声波波场作用槽，所述超声波发生器为基于DDS技术的变频超声波发生器，包括电源、单片机、频率生成模块、功率放大模块、PLL频率反馈模块和输入输出模块；超声波换能器为多组超声波换能单元组成的换能模组，超声波换能单元包括压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、挡圈和外壳；超声波换能器固定在底座上，且与超声波发生器电性连接，所述超声波波场作用槽置于超声波换能器上端。本发明设计合理，采用数字脉冲方式驱动，频率自动追踪且无级可调，控制灵活，功率损耗低，输出稳定，适用于多种超声波应用环境。
Description
技术领域
本发明涉及超声波应用技术领域，尤其是基于数字脉冲驱动的变频超声波系统。
背景技术
超声波发生器，通常称为超声波电箱、超声波发生源、超声波电源。它的作用是把我们的市电(220V或380V，50或60Hz)转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。
发生器的原理是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，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；100KHz或以上现在尚未大量使用。目前市场上销售的超声波发生器很多，但是原理和参数一般没有多少差别，一般是它激式超声波发生器。这种发生器只具备一种频率，比如选定了25KHz的发生器，就只能匹配25KHz的换能器，只能产生25KHz的超声波，并且发生器和换能器的频率匹配不能超过2％，这样，随着换能器的损耗，需要更换换能器。
这种超声波发生器优点是，操作简单，容易维护，价格便宜，所以市场上不可调频，或者是二频、三频超声波清洗机用的都是这种超声波发生器，缺点是频率不能连续调节。由于想要研究超声波的频率对乳化、脱气、除尘、除垢、清洗、灭菌效果的影响，所以要求发生器的频率最好能够连续可调。设计超声波发生器是在原有发生器及基础上改进，使其具有调频功能。市场上厂家很少做这种超声波发生器，是因为即使做了这种发生器，没有可以调频的换能器，意义不大。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述技术缺点提供基于数字脉冲驱动的变频超声波系统。
本发明解决技术问题采用的技术方案为：基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，包括超声波发生器、超声波换能器和超声波波场作用槽；超声波发生器为基于DDS技术的变频超声波发生器，包括电源、单片机、频率生成模块、功率放大模块、PLL频率反馈模块和输入输出模块；超声波换能器为多组超声波换能单元组成的换能模组，超声波换能单元包括压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、挡圈和外壳；超声波换能器固定在底座上，且与超声波发生器电性连接，所述超声波波场作用槽置于超声波换能器上端，槽内装有溶剂和实验杯；
所述电源分别连接单片机、频率生成模块、功率放大模块和PLL频率反馈模块，所述单片机与输入输出模块、频率生成模块、功率放大模块电性连接，并通过PLL频率反馈模块连接外部超声波换能器。
所述外壳内部分隔为上端的接线腔和下端的压电腔，压电腔底部设有导电胶，导电胶上端连接压电片，所述压电片周围包裹有吸声材料，压电片通过导电柱连接接线腔内的接线板，所述接线板上端设有挡圈，通过导线连接外部信号电缆。
所述超声波发生器上的单片机为基于DDS的ACR芯片集成块，ACR芯片集成块上还集成有带通滤波器电路和信号发生电路。
所述超声波换能器上的压电片为ANN-P5F-1001压电片，压电片通过高温导电胶与铜材料制成的导电柱耦合，高温导电胶优选为DB5015。
所述超声波换能器内的吸声材料，优选为双组份的S2116高弹性电子灌封胶，吸声材料填充于压电片的背面，用于吸收和抑制压电片的反向振动波。
所述接线板为经孔化、镀金、布线处理的双面覆铜板，接线板缓冲连接压电片与外部信号电缆，保护压电片不受电缆焊接应力的影响。
所述挡圈为与接线腔内壁螺纹相适配套的垫圈标准件，用于卡固接线板。
所述外部信号电缆采用2×0.2mm2的多股耐高温柔性电缆，电缆外径约3～3.5mm，弯曲半径大于6mm，外部信号电缆采用高温导电胶灌封至符合IP68防护标准。
本发明技术方案的原理为：
一、超声波发生器实现可调频功能
本发明采用AVR芯片单片机，采用DIP40直插封装，实现超声波发生器的可调频功能。
AVR芯片单片机采用直接数字频率合成(DDS)及其带通滤波器电路，DDS是一种根据输入数字量生成相对于参考频率的频率和相位可调的一种技术，具有高速、高精度、恒温输出及灵活变频、快速反应等优点，但其输出频率谐波频率较多，因此在DDS输出端加入良好的滤波模块，可降低DDS的杂散信号，提高信噪比。
由于系统的工作频率低于200kHz，所以低通滤波器采用有源结构，优选为Salleft-Key拓扑结构的2阶巴特沃思低通滤波器，并在后级采用RC高通滤波器滤除直流成分。
上述电路的数模转换器，优选DDS型号为AD9835BRUZ的数模转换器。
DDS芯片的输出电压只有几百毫伏，这个电压不能驱动换能器工作，这是市场上单频、双频、三频超声波系统没有遇到的问题，为了解决这个问题，需要设计一个对DDS芯片输出功率放大一个放大的电路，本发明优选AB类功放电路。
此电路需要各种型号的定值电阻和电容，电阻选用编带碳膜电阻，电容选择涤纶电容2A104J(220V104J)0.1UF。
上述功放电路加载不同阻抗时，并不影响功放的输出电压。同时，基于AVR芯片快速、有效的锁相算法，可动态保证换能器处于谐振状态。因此解决了传统超声波发生器必须对系统进行阻抗匹配的需求。由于此设计无需阻抗匹配，加大了变频式超声波发生器的通用性和便捷性，满足了驱动不同引线键合换能器的设计要求。
通过AVR芯片与AD9835BRUZ的SPI通信，超声波发生器可以线性生成精度很高的频率，通过换能器的反馈信号，单片机可根据设定需要及锁相算法控制DDS生成对应的频率。同时，由于DDS可在一个较大范围内线性生成频率，从而可在不同频段驱动换能器，也即实现了变频的效果。
二、超声波换能器实现频率跟踪功能
压电式超声波换能器利用压电片的压电效应原理工作，当超声波发射振子(换能器)通以电脉冲信号时，由于振子的机械振动会产生超声波信号，因此能在固体和流体中传播，超声波频率取决于振子的固有谐振频率。
本发明选用ANN-P5F-1001压电片，通过DB5015高温导电胶与导电柱耦合，在粘接或焊接导电柱时，应将压电片固定在夹具上，并保证导电柱与压电片保持垂直和同心，中心偏差±0.1mm。
压电片的背面填充吸声材料，用于吸收和抑制压电振子的反向振动波，以获得纯净的单脉冲发射波形。吸收材料是采用双组份的S2116高弹性电子灌封胶。
接线板用于压电片与电缆之间的缓冲连接装置，以保护压电片不受电缆焊接应力的影响，接线板采用厚度1mm的双面覆铜板制成，通过绘图布线进行加工，接线板的中心孔与导电柱配合压接，采用孔化、镀金处理。
挡圈用于卡固接线板。挡圈采用标准件，其外径应与壳体上腔室内壁螺纹动配合，可旋进安装，安装需采用专用卡钳。
以上部件组装并测试合格之后，焊接外部连接电缆并采用电子胶灌封，以达IP68防护标准，电缆采用2×0.2mm2的多股耐高温柔性电缆，电缆外径约3～3.5mm，弯曲半径大于6mm。
超声波换能器上设置有功率放大电路，在保证晶体管安全工作的条件下和允许失真的范围内，充分发挥其潜力，输出尽量大的功率，同时还要减小管子的损耗，以提高其效率，功率放大电路采用信号源——前置放大器——功率放大器——负载换能器结构。
三、通过超声波波场作用槽实现超声波应用
要研究管道内的结垢情况，由于管壁极细，超声波换能器无法粘合在管壁上，不能实现超声波除垢，如果把超声波换能器直接放在水里，要考虑换能器的防水防垢和生锈问题；此外，由于换能器直接放在水中，没有固定支撑，和连接线是柔性连接，使其振幅减弱，会减弱除垢功能。
本发明优选超声波清洗槽的形式。
本发明的有益效果：本发明采用数字脉冲方式驱动，体积小、重量轻、功率强劲，工作稳定可靠，功率连续可调，控制灵活等优点，通过换能器的频率扫频实现与超声波发生器的协同，更保证了机器由始至终都处在最佳的工作状态中，可以最大限度的发挥超声波换能器的潜能，具有完善的过热保护、输出短路保护功能，适用于多种环境的应用需求，具有极佳的市场推广应用前景。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
附图2为本发明的超声波发生器结构示意图。
附图3为本发明的超声波换能单元结构示意图。
附图4为本发明的超声波发生器DDS及其带通滤波器电路图。
附图5为本发明的超声波发生器AB类拓扑结构功率放大电路图。
附图6为本发明的超声波发生器的频率跟踪功能电路图。
附图7为本发明的超声波换能器的功率放大电路图。
附图8为本发明的超声波换能器调频电路图。
具体实施方式
下面结合附图1～附图8对本发明做以下详细说明。
如图1～图8所示，本发明包括超声波发生器1、超声波换能器3和超声波波场作用槽5；超声波发生器1为基于DDS技术的变频超声波发生器，包括电源11、单片机12、频率生成模块15、功率放大模块16、PLL频率反馈模块18和和输入输出模块13；超声波换能器3为多组超声波换能单元组成的换能模组，超声波换能单元包括压电片38、导电胶39、吸声材料37、导电柱36、接线板33、挡圈34和外壳31；超声波换能器3固定在底座2上，且与超声波发生器1电性连接，所述超声波波场作用槽5置于超声波换能器3上端，槽内装有溶剂4和实验杯；
所述电源11分别连接单片机12、频率生成模块15、功率放大模块16、PLL频率反馈模块18和输入输出模块13，所述单片机12与输入输出模块13、频率生成模块15、功率放大模块16电性连接，并通过PLL频率反馈模块18连接外部超声波换能器17。
所述外壳31内部分隔为上端的接线腔和下端的压电腔，压电腔底部设有导电胶39，导电胶39上端连接压电片38，所述压电片38周围包裹有吸声材料37，压电片38通过导电柱36连接接线腔内的接线板33，所述接线板33上端设有挡圈34，通过导线连接外部信号电缆35。
所述超声波发生器1上的单片机12为基于DDS的ACR芯片集成块，ACR芯片集成块上还集成有带通滤波器电路和信号发生电路。
所述超声波换能器3上的压电片38为ANN-P5F-1001压电片，压电片38通过高温导电胶39与铜材料制成的导电柱36耦合，高温导电胶39优选为DB5015。
所述超声波换能器3内的吸声材料37，优选为双组份的S2116高弹性电子灌封胶，吸声材料37填充于压电片38的背面，用于吸收和抑制压电片38的反向振动波。
所述接线板33为经孔化、镀金、布线处理的双面覆铜板，接线板33缓冲连接压电片38与外部信号电缆35，保护压电片38不受电缆焊接应力的影响。
所述挡圈34为与接线腔内壁螺纹相适配套的垫圈标准件，用于卡固接线板33。
所述外部信号电缆35采用2×0.2mm2的多股耐高温柔性电缆，电缆外径约3～3.5mm，弯曲半径大于6mm，外部信号电缆35采用高温导电胶灌封至符合IP68防护标准。
Claims (8)
1.基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：包括超声波发生器、超声波换能器和超声波波场作用槽；
超声波发生器为基于DDS技术的变频超声波发生器，包括电源、单片机、频率生成模块、功率放大模块、PLL频率反馈模块和输入输出模块；
超声波换能器为多组超声波换能单元组成的换能模组，超声波换能单元包括压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、挡圈和外壳；
超声波换能器固定在底座上，且与超声波发生器电性连接，所述超声波波场作用槽置于超声波换能器上端，槽内装有溶剂和实验杯。
2.根据权利要求1所述的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：所述电源分别与单片机、频率生成模块、功率放大模块和PLL频率反馈模块电性连接，所述单片机与输入输出模块、频率生成模块、功率放大模块电性连接，并通过PLL频率反馈模块连接外部超声波换能器。
3.根据权利要求1所述的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：所述外壳的内部分隔为上端的接线腔和下端的压电腔，压电腔底部设有导电胶，导电胶上端连接压电片，所述压电片周围包裹有吸声材料，压电片通过导电柱连接接线腔内的接线板，所述接线板上端设有挡圈，通过导线连接外部信号电缆。
4.根据权利要求1所述的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：所述超声波发生器上的单片机为基于DDS的ACR芯片集成块，ACR芯片集成块上还集成有带通滤波器电路和信号发生电路。
5.根据权利要求1所述的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：所述超声波换能器上的压电片为ANN-P5F-1001压电片，压电片通过高温导电胶与铜材料制成的导电柱耦合。
6.根据权利要求1所述的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：所述超声波换能器内的吸声材料为双组份的S2116高弹性电子灌封胶，吸声材料填充于压电片的背面，用于吸收和抑制压电片的反向振动波。
7.根据权利要求1所述的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：所述接线 板为经孔化、镀金、布线处理的双面覆铜板，接线板缓冲连接压电片与外部信号电缆，保护压电片不受电缆焊接应力的影响。
8.根据权利要求1所述的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，其特征在于：所述挡圈为与接线腔内壁螺纹相适配套的垫圈标准件，用于卡固接线板。
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| CN103302055A (zh) | 2013-09-18 |
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