紧凑型多用途超声波技术装置的研制
摘要----这些工作描述了超声波技术在小型企业和问题中的潜在应用范围，限制了由于缺乏低成本紧凑型多用途超声波技术装置而引起的应用。考虑紧凑型超声波设备开发和解决方案中出现的问题。描述了在振荡系统和电子发电机设计过程中应用的工程解决方案，以提高效率，减小尺寸和重量，简化操作和扩展应用范围。在文中提交了性能属性和照片的紧凑型多功能超声波技术装置预生产模型。
I.介绍
众所周知，基于高级超声波振荡的技术发现宽度应用于最新的行业。它提供了强化化学和食品生产技术的重要过程，如提取，溶解，乳化等。由于超声波振荡，它可能能够测量硬质和脆性材料的尺寸(例如玻璃，各种石材，陶瓷等等)。此外，超声波振荡非常有效地用于焊接热塑性材料和清洁各种物品[1]。
已经设计了许多特殊的超声波技术装置用于该过程的实际实施。该设备具有高产量，能够处理大量产品，但它们尺寸大，成本高，需要熟练的技术人员进行设置，运行和维护。此外，这些设备通常设计用于某种技术应用，并且不用于其他技术目标。因此，这些超声波装置实际上可以用于大型企业。然而，超声波技术不仅可以非常有效地用于大规模，而且用于小规模材料(例如在药店或糖果店)，珠宝商工作室和汽车服务站，农场和家庭。
这种应用领域非常广泛-即从草药中提取愈合物质，在珠宝商宝石口钻孔，玻璃和陶瓷，焊接热塑性材料(例如汽车塑料保险杠修复，聚乙烯部件连接等)，清洁各种物品(珠宝，汽车喷油器，喷气式打印机头)。小型企业，农场和个人客户需要紧凑的超声波技术设备，这将满足以下要求:简单运行和最低维护成本，可能使用相同的设备用于各种技术应用。这种设备的需求不断增加。
然而，有小型超声波技术设备尚未大规模生产。可以通过某些原因来解释:首先是因为直到最近还没有必要的元素基础，第二个原因是俄罗斯最近出现了这种设备的必要性。因此开发商业化生产紧凑型超声波技术装置是非常重要的问题。
II.最新超卢波装 置的结构和工作原理
超声波装置的主要部件示意性地如图一所示。1.超声波技术装置，通常是一个系统，它由以下部件组成:容器I带有工作材料2，超声波振汤系统，它由压电换能器4,波导5，集中超声波振荡，工作工具组成6，用于发射超声波振荡到工件的电子单元，它由超声频率电振荡发生器7和控制和自动化8 [I]组成。
超声波振荡系统的重要特性是它们的共振频率。有条件的是，当超声波振荡系统在共振频率下激发时，工艺过程的有效性取决于振荡幅度和振幅的最大水平。自然共振超声振荡系统的频率取决于多种因素:几何形状，材料特性，工作材料的声学特性，温度等等。
图一.超声波技术装置的功能方案
电子单元(发电机)根据振荡系统频率:“波动”确保自频率调节。有多种结构实现，如手动频率调节独立振荡，自振荡或自动频率调节独立振荡。最后均值分在最大因为只有一个人能够进行高精度的频率调谐和可靠的启动。
III.紧凑型超声波技术装置的一般要求
为了指定这些要求，有必要找出这种装置的可能的实际应用。使用超声波振动的技术过程可分为四组：
加强液体和液体分散介质中的过程(萃取，乳化，分散 ) ;
超硬材料的超声波施胶、强化;
固体和液体介质之间的界面;
热塑性材料焊接;
这些工艺过程按振动系统的声学负载和方式分组声发射到介质。液体和液体分散介质中的过程的强化通过空化过程和声流发生。空化过程需要振荡强度水平2-I0W/cmsup2; (取决于中等粘度)。在这种模式下声学负载各种相对较慢。振荡通过大规模表面向液体和液体分散介质发射。
由于工作工具通过磨料传递到工件的振动，实现了硬脆材料的超声波尺寸最大。当振动幅度等于磨粒尺寸时，获得施胶作用[2」。在这种模式下，声学负载在宽度范围内快速变化。超声波振动通过下具传递，形状复制在工件中。通常，工作工具具有小的正方形，其与工件接触。
固体和液体介质之间界面处的强化过程的特征在于不同因素的复杂耦合:空化，压力,声流。在这种模式下，几种声学负载在尺寸调整模式下仍然更多。
进行研究[1]，[2]所示， 所有工艺过程都可以通过超声波装置实现，超声波装置能够提供3..10 W/cmsup2;水平的振荡强度或振荡幅度(工作时)表面)在30-70um范围。这意味着这种装置的电子发生器和振荡系统将具有类似的参数。仅通过电子发电机的自动控制单元的工具几何和算法来定义差异。这些事实为开发紧凑型超声波装置提供了可能性，这些装置能够有效地处理所有四组技术介质和工件。
对小型企业和个人的技术要求进行了分析。客户[3]表明，在大多数情况下，以下参数是必要且足够的:
-一次处理的液体量，不超过3升;
-主要类型的加工介质水和溶液，油乳液和悬浮液:
-硬质和脆性材料巾超声波钻孔的尺寸当钻孔速度为1-10mm/s范围时为0.5-25mm;
-超声波焊接聚合物杠料的厚度在0.1至2平方厘米的焊点方形上时为1-5mm;
在此分析结果的基础上_，制定了紧凑型多功能超声波装置的以下要求:
-最大输出声功率-120 W;
-输出功率范围调节10%-100%， 指定功率自动调节；
-重组的可能性；
-启动时自动频率扫描，并在任何工艺模式下自动调节输出振荡频率至振荡器谐振频率；
-高共同效率(不低于60%)；
-设备尺寸小，重量轻；
超声波振荡系统是超声波技术装置的主要组成部分。因此开发多用途超声波设备从紧凑型振荡系统的设计开始，具有实现上述要求的能力。
IV.超声波振荡系统设计特点
为了提供由振荡系统开发的所有功能目的，使用了以下设计特征。
首先，工作工具通过螺纹连接安装到波导。这为不同的工艺流程是供了可更换的工具，并在工具磨损时进行更换。,
其次，通过压电元件实现的机电变换器与磁致变换传感器相比具有更高的效率，不需要液体冷却，更紧凑。
第三，使用过的压电元件具有高机电特性，能够在相对较小的电压下发生高振幅的机械振荡。
更详细地说，设计特征在先前已发表的作品中描述[1],[5]。
研制的振荡系统具有半波长，由带步进指数的压电换能器组成--波导浓缩器。选择的压电元件和波导远端的直径关系以及压电元件的选定位置能够提供倍增系数15-17和75%以L上的机电效率[7]。
表I
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应用设计解决方案能够创建紧凑的超声波振汤系统参数 |
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共振频率 |
22plusmn;165KHZ |
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过载能力 |
200W |
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外形尺寸 |
150x70毫米 |
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重量 |
不超过0.6公斤 |
超声波振荡系统如图2所示
图2.紧凑型多用超声波装置振荡系统
V.电子发电机设计特点
用于超声波装置的最新电子发生器具有半导体最终放大级(通常为晶体管)。这里使用最终级晶体管的两种不同工作模式:有源和开关。
当最终晶体管工作在有源模式时，输出振荡的频率和幅度在宽度范围内可以是各种各样的，但是在这种模式下，晶体管消耗大功率。这种氧化物的理论效率不超过75%，但实际上只能达到50- 60%。因此装置的共同效率(考虑振荡系统效率)不超过35-40%。结果，晶体管需要高方形(并且因此高重量)的散热器用于冷却，装置的常见热条件恶化但重量、尺寸和输入功率增加。
当最终晶体管工作在开关模式时，能量耗散小且效率超过90%，但输出电压具有方波形式。
通过这种振荡系统压电元件的电压馈电将导致高次谐波上的大功率损耗，并且将不会带来开关模式的所有优点。因此，在未级品体管和振荡系统之间连接匹配的LC滤波器，其抑制高次谐波。
发电机输出电路方案如图3所示。
图3.发电机输出电路方案
最终的晶本管VT1和VT2用作半桥，C-DC隔直电容，L.f和Cf相应地滤除电感和电容，Cp -压电元件的自电容。
系统滤波器-振荡器的常见Q因子取决于它们的频率关系。当这些频率相等时，出现最大Q因子，但是在这种模式下的工作是不稳定的，因为这些频率由于工作而独立地变化。因此，滤波器谐振频率通常设置在高于该振荡系统谐振频率5-10kHz。在那种情况下，小范围内的频率变化对普通Q因子没有很大影响，但是在各种各样的(2- 4kHz) Q因子可能会改变数十次。此外，常见的Q因子取决于振荡系统的自然Q因子，这可能是在重新装配和声学负载变化方面非常不同。当温度增加时压电器的自电容增长并因此滤波器诣振频率降低也需要考虑这一事实。这些事实使得将这种发生器用于多用途超声波技术装置存在特定的问题。
为了消除降低发电机效率的原因，在设计中使用了以下特征:
-输出电压可以通过改变最终级供电电压来调节宽度范围;
-当Q因了大幅减少时发电机具有可观的输出电压裕度，能够保持必要的振汤幅度;
-当Q因子快速增加时，发电机的末级晶体管具有防止额外电流的保护。
造成超声波装置功能目的的第二个原因是，在振荡系统诣振频率和Q因数很大的情况下，难以保证频率自动调节系统的稳定工作。对于这种消除原因，有新的技术特征，在以前的工作[4]，[5]中已经使用过。
除了消除上达原因外，还需要提高发电机的效率
受以下因素限制:
-在0N状态下存在晶体管通过电阻;
-当它们在某些时间工作在有源模式时晶体管开关实例的能量消耗;
-当它们切换时通过晶体管稳定漏电流引起的能量耗散;
-输出滤波器元件的能量耗散;
基于MOSFET和特殊驱动IC的新电路解决方案已经消除了前三个因素，因为MOSFET在导通状态下具有非常小的电阻(0.1 0. 2欧姆)且开关时间短。当输出功率为150 w时，这种解决方案能够将晶体管的能量损耗降低至3-5 W,从而能够使用非常积极的重量和尺寸减小的小型散热器。
输出滤波器的损耗由以下原因决定:
-电感铁芯磁反转引起的损耗:
-电感绕组电阻耗散；
-电容器的介电损耗;
具有小介电损耗和最大电压10kV的特殊电容器和具有气隙的软磁氧化物核心。自动化系统的广泛应用使得能够简化超声波设备操作并最小化维护调整
VI结论
应用的结构和电路解决方案能够设计和制造紧凑型多用途超声波技术装置的预生产模型，解决诸如液体和液体分散介质超声波处理，硬脆材料上浆，热塑性材料焊接等所有技术问题。
设计设备的性能属性表2。
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多用途超声波技术装置的性能特性 |
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一次处理的液体量；升 |
0.5-3 |
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传输到液体声振荡的能量；瓦特 |
高达150 |
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用硬质和脆性材料钻孔的整体尺寸；mm |
0.5-25 |
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钻孔速度（玻璃）；mm/s |
高达10 |
|
刀具表面振动幅度；mu;m |
30-70 |
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功耗；不超过 |
200 |
|
电子团尺寸；mm |
230x200x80 |
|
电子团重量；kg；不超过 |
3 |
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振荡系统尺寸；mm |
150x70 |
|
振荡系统重量；kg；不超过 |
0.6 |
|
确保持续工作时间；小时 |
2 |
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保持关闭状态；分钟 |
15 |
图4和图5显示了用于小规模企业和个人客户的两种紧凑型多用途超声波技术装菁的预生产模型
图4.超声波振荡混合器
图5.多用途超声波技术装置
引用
[1] V.N.Khmelev , O.V.Popova“多用途超声波设备及其在小型企业、农场和家务管理条件下的应用”Polzunov AltayState Tcchnical Univcrsity。 一Barnaul 1997-160页。 (俄)
[2] V.N.Khmelev, RV Barsukov, SN Tchyganok“超声波施胶的硬脆材料”。Polzunov AltayState Tcchnical Univcrsity。-Barnaul1999. (俄)
[3] V.N.Khm
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