一种清洗用超声波发生器的设计

杨晓林，孟德川，邓玉福，左浩杉，于桂英

（1.沈阳师范大学 物理科学与技术学院，辽宁 沈阳 110034；2.辽宁省射线仪器仪表专业技术创新中心，辽宁 沈阳 110034；3.沈阳师范大学 实验教学中心，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

20 世纪50 年代，超声波清洗技术开始迅速发展。超声波清洗的原理是利用超声波在液体中的空化作用、直进流作用以及加速作用，对清洗液以及污物进行作用从而达到清洗目的[1]。对比传统的清洗方式，超声波清洗具有清洗速度快、清洁度高等优点，被广泛应用于各种行业[2]。针对不同的工业生产，需要使用不同种类的换能器，而目前的超声波发生器由于逆变电路、高频变压器设计的局限性，大部分无法匹配多种换能器。为了解决这个问题，本文设计一种频率可调、可通过更换匹配网络来使大部分换能器正常工作的超声波发生器。

1 超声波发生器原理

超声波发生器的整体框架如图1 所示，其主要包括供电电源、逆变电路、高频变压器、匹配网络以及超声波换能器5 个部分[3]。供电电源提供直流电输入到逆变电路，经过逆变电路、高频变压器升压，最终产生高频高压电信号，并经过匹配网络传递到超声波能器两端。超声波换能器将电信号转化为机械能，从而得到超声波[4]。

图1 超声波发生器整体框图

2 主电路设计

2.1 逆变电路设计

常见的逆变电路有半桥式、全桥式以及单端式[5]。半桥式逆变电路结构简单、成本低、电压平稳，但是电源利用率低，不适用于工作电压较低的场合[6]。全桥式逆变电路使用的开关管数量较多，且要求开关管的一致性较好，驱动电路复杂，难以实现同步，在小功率场合下使用效果不佳。单端反激式逆变电路具有结构简单、对元件的要求较低、可适用功率范围广等优点，故本文设计的逆变电路采用单端反激式逆变电路，并采用TL494 芯片作为触发脉冲控制开关管，其原理如图2 所示。当开关管Q 导通时，变压器T 初级线圈电流上升，存储能量，次级线圈上端极性为负，下端极性为正，二极管D 反向截止，负载由输出电容提供能量。当开关管截止时，变压器原边线圈极性对调，此时输出二极管导通，变压器中的能量经由二极管D 输出，同时对电容C1 充电，弥补刚刚损失的能量[7]。

图2 单端反激式逆变电路示意图

2.2 高频变压器设计

高频变压器是超声波发生器的重要组成部件，在电路中起到隔离以及升压作用。其工作原理是：电能在初级线圈中通过互感现象转化为磁能，之后传递到次级线圈并在此转化为电能[8]。高频变压器的工作频率一般很高，所以对磁芯的材料有一定的要求，要考虑磁通效应瞬态饱、磁芯能量消耗以及漏感漏磁等问题[9]。本文选用了性价比较高、易于加工、温度特性稳定的锰锌铁氧体材料作为高频变压器的磁芯，初级线圈与次级线圈匝数比为10 ∶40。

3 匹配电路设计

超声波换能器作为超声波仪器的负载，可以完成交流电信号到机械能的转换，是影响超声波仪器能否正常工作的重要部分。要想使超声波仪器有更好的工作效率，换能器的匹配网络分析至关重要。一个好的匹配网络可以使换能器处于谐振状态，从而得到最高的输出频率。

3.1 换能器等效电路

压电陶瓷式超声波换能器的等效电路如图3 所示。图3 中，C0为超声波换能器的静态电容，可在远低于谐振频率的情况下直接通过测量获得其容值；R0是压电陶瓷片内的介质电损耗，一般认为其数值无穷大故而可忽略其影响；Rm为动态电阻，Lm为动态电感，Cm为动态电容，可以在超声波换能器谐振工作时通过阻抗分析仪测量这3 个物理量。

图3 超声换能器等效电路

3.2 L-C 匹配网络

通常，一般使用的换能器在正常工作时对外电路会呈现容性的负载特性。如果将换能器与超声波发生器直接连接，则不会获得最大的功率。基于纯电阻电路功率最大，需要在换能器和超声波发生器之间加入一个匹配网络结构，通过其补偿作用将容性负载等效为纯阻性的负载。本文选用的匹配网络为L-C 匹配网络，其等效电路图如图4 所示。

图4 L-C 匹配等效电路图

电路中，等效阻抗的大小为：

此时等效阻抗为：

3.3 实验参数

本文选用28 kHz 以及40 kHz 两种超声波清洗用换能器进行试验，用电容表测量静态电容，用阻抗分析仪测量3 个动态参数后，得到各具体参数如表1 所示。

表1 超声波换能器参数

设置并联电容参数为15 nf 以及20 nf，由式（2）可以推导出匹配电容以及匹配电感的值如表2所示。

表2 匹配网络理论值

4 仿真实验

4.1 建立仿真电路

前文已经详细地介绍了主电路的逆变拓扑结构，根据主电路原理图，建立如图5 所示的仿真模型。

图5 超声波发生器电路仿真

模型采用了多个Scope（仿真示波器），可以方便地测量电路中各个点的波形；可以更为直观地观察各个时刻电源的输入、输出工作情况。仿真电路的触发脉冲波形如图6 所示。

图6 触发脉冲仿真波形

4.2 电路仿真实验

4.2.1 28 kHz 超声波清洗仿真

电源供电设置为60 V 直流电输入，设置方波发生器频率为28 kHz，占空比30%，匹配电感11.3 μH，匹配电容15 nf，静态电容3.1 nf，动态电容0.331 nf，动态电感194 mH，动态电阻25 Ω，高频变压器匝数比10 ∶40，启动电路。scope2 显示为换能器输出电流波形，scope3 为换能器两端的电压波形，分别如图7、图8 所示。

图7 28 kHz 换能器电流输出仿真波形

图8 28 kHz 换能器电压输出仿真波形

4.2.2 40 kHz 超声波清洗仿真

电源供电设置为60 V 直流电输入，设置方波发生器频率为40 kHz，占空比30%，匹配电感9.25 μH，匹配电容20 nf，静态电容3.8 nf，动态电容4.46 nf，动态电感140.3 mH，动态电阻20 Ω，高频变压器匝数比10∶40，启动电路。scope2 显示为换能器输出电流波形，scope3 为换能器两端的电压波形，分别如图9、图10 所示。

图9 40 kHz 换能器电流输出仿真波形

图10 40 kHz 换能器电压输出仿真波形

由仿真波形可以看出，经过L-C 匹配电路后，两组超声波换能器两端的电流、电压波形均为标准的正弦波形，证明超声波换能器可处于谐振工作状态，超声波发生器匹配成功。

5 实验测试及分析

5.1 28 kHz 超声波换能器测试

当匹配电容为15 nf，匹配电感为11.312 μH，高频变压器匝数比为10：40 时，超声波换能器两端的电压波形如图11 所示。

图11 28 kHz 换能器两端电压波形

5.2 40 kHz 超声波换能器测试

当匹配电容为20 nf，匹配电感为9.52μH，高频变压器匝数比为10∶40 时，超声波换能器两端的电压波形如图12 所示。

图12 40 kHz 换能器两端电压波形

通过实验测得换能器两端波形均为正弦波，输出稳定，换能器处于谐振状态。超声波发生器与超声波换能器匹配效果良好。

6 结语

针对超声波清洗方面的需求，本文设计了一款结构简单、可靠性高、泛用性广的超声波发生器。其采用单端反激逆变电路以及L-C 型匹配网络，通过调整逆变电路输出频率和更改匹配网络的元件数值，可以完美匹配大部分超声波换能器。采用40 kHz 以及28 kHz 两款不同的超声波换能器进行试验，均可与超声波发生器完成匹配。