1、1目 录引言3第一章 超声波清洗机原理 与结构.4第一节 超声波清洗的原理和特点. .4第二节 超声波清洗机的结构和参数设定.5第二章 超声波发生器设计. .6 第一节 超声波发生器的选择.6第二节 超声波振荡器设计.7第三节 超声波放大器设计8第四节 高频驱动和匹配电路.10第三章 超声波换能器计.11第一节 换能器 的选择.11第二节 换能器设计计算（此处删除 500 字）.12第四章 清洗槽计16 参考 献.17附录一：工艺规 程制订与并行工程附录二：Process Planning and Concurrent Engineering2超声波清洗机摘要：超声波清洗始于20世纪50年代初
2、，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
3、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3Ultrasonic washerAbstract: ultrasonic cleaning began in the early 1950s, with the development of technology application widening. Currently has been widely used in electronic industry, semiconductor device, cleaning tube parts and printing ci
4、rcuit, relays, switches and filter; etc. Mechanical industry for the cleaning gears, bearings, diesel oil, fuel filter, valves and other mechanical parts, such as engine and missile components, such as watch of small parts, Again, such as optical and medical equipment used for washing various aspect
5、s lens, glasses and frame, glassware, medical and surgical instruments, etc.; adjusted The design of ultrasonic cleaning machine is mainly used in the family of kitchen utensils and appliances and some difficult life washing. This product is a kind of mechanical and electrical products, through the
6、piezoelectric materials made of ultrasonic transducer will exceed audio electrical oscillation into mechanical vibration, ultrasonic vibration in liquid in cleaning. Using ultrasonic can penetrate solid material and make the cleaning medium vibration and produce cavitation bubbles, the cleaning meth
7、od for any life appliance does not exist in a corner, and not cleaned clean cleanliness is very high. This new generation of fashionable home appliance, can make people from the housework.Keywords: ultrasonic, Cleaner, transducer4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
8、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5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
9、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
10、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，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6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
11、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。1.2 超 声 波 清 洗 机 的 结 构 和 参 数 设 定(1)超声波清洗机结构设计超声波清洗机主要由超声波发生器、超声换能器和清洗槽组成，其结构如图1。超声波发生器将50Hz的交流电转换成超声频电振荡信号后，通过电缆输送给超声换能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。(2)参数设定为了实现超声波清洗的高效率，应当选择最佳的声强、频率及清洗槽声场分布等参数。工作频率选在2050kHz
12、之间。低频声波的空化气泡大、数量少，易于清洗较粗糙物品。高频声波空化气泡小、数量多，易于清洗精细且形状复杂的物品。本超声波清洗机用于清洗较粗糙的生活用具，所以采用低频20kHz。清洗液采用碳氢清洗液，碳氢清洗液具有以下特点：清洗性能好，蒸发损失小，无毒，材料相容性好，不破坏环境，价格便宜。7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
13、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。振荡器 放大器 匹配器电源超声换能器图 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 =0 时的方框图，简化下得图1X4。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
14、 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 = 。fXa8基本放大器（A）反馈网络 （F）图 3 正弦波振荡器方框图AF图 4 正弦波振荡器方框图AF1 振幅平衡条件 AF和 + =2n n=0,1,2,3 相位平衡条件af9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0 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f平衡条件，这个频率就是 f0,这就是要求在 环路中包含一个具有选频特性AF的网络。它可以设置在
15、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 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AF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： = ( )f610.87.420CZH10由于频率选为 20k 由上公式得 RC=0.5958 ,振荡
16、器输出方波的占空ZH610S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 255V 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
17、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。(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。
