劉 振,邢曉凱,王麗玲,孫銳艷,王世剛

(1.中國石油大學(xué)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室／城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，102249；2.中國石油吉林油田公司勘察設(shè)計(jì)院，吉林松原，138000)

0 引言

超聲波是頻率高于20kHz的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒、原油破乳、脫氣等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、石油行業(yè)上有很多的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)一套能在寬頻域內(nèi)鎖頻且適應(yīng)性廣的通用超聲波換能器具有非常重要的意義。

本文設(shè)計(jì)的基于數(shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)的變頻超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 變頻式超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1、超聲波發(fā)生器 2、底座 3、超聲波換能器 4、清洗液 5、超聲波波場(chǎng)作用槽

1 變頻式超聲波換能器的設(shè)計(jì)

換能器承擔(dān)的作用主要是將超音頻交變的電能通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)。本課題以壓電式換能器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)其硬件系統(tǒng)，并對(duì)其等效電路、接收電路和整合電路進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)中使用的專用集成塊、數(shù)字技術(shù)，大大提高換能器的抗干擾性和適應(yīng)性。

1.1 變頻式超聲波換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 變頻式超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計(jì)的變頻式超聲波換能器的結(jié)構(gòu)包括：31外殼、32超聲波定向圈、33接線板、34擋圈、35外部信號(hào)電纜、36導(dǎo)電柱、37吸聲材料、38抑制壓電片、39高溫導(dǎo)電膠DB5015，如圖2所示。

壓電片優(yōu)先選用ANN-PSF-1001，通過DB5015高溫導(dǎo)電膠與超聲波發(fā)射端耦合，焊接導(dǎo)電柱時(shí)，將壓電片固定在夾具上，并保證導(dǎo)電柱與壓電片保持垂直和同心，中心偏差±0.1mm。

壓電片的背面填充吸聲材料，用于吸收和抑制壓電振子的反向振動(dòng)波，以獲得純凈的單脈沖發(fā)射波形。吸收材料是采用雙組份的S2-116高彈性電子灌封膠。

接線板是用于壓電片與電纜之間的緩沖連接裝置，以保護(hù)壓電片不受電纜焊接應(yīng)力的影響。接線板采用厚度1mm的雙面覆銅板制成，通過繪圖布線進(jìn)行加工，接線板的中心孔與導(dǎo)電柱配合壓接，采用孔化處理。

擋圈用于卡固接線板。擋圈采用標(biāo)準(zhǔn)件，其外徑應(yīng)與殼體上腔室內(nèi)壁螺紋動(dòng)配合，可旋進(jìn)安裝，安裝需采用專用卡鉗。以上部件組裝并測(cè)試合格之后，焊接外部連接電纜并采用電子膠灌封，以達(dá)IP68防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，電纜采用0.2mm2的多股耐高溫柔性電纜，電纜外徑約3～3.5mm，彎曲半徑大于6mm。

1.2 變頻式超聲波換能器電壓放大電路設(shè)計(jì)

圖3 變頻式超聲波換能器電壓放大電路圖

在設(shè)計(jì)中采用PGA204可編程增益儀用放大器。PGA204的輸入電流小于1 nA。該電路采用兩級(jí)100倍電壓增益的電路級(jí)連而成，總電壓增益為10000。采用兩級(jí)100倍電壓增益的目的是為方便電路測(cè)試和電路調(diào)整。在輸入端輸入約0.1 mV的電壓，在輸出端可得到約1V的電壓，即在第一級(jí)PGA204的輸出端約有0.1 V的電壓，這個(gè)電壓便于測(cè)量。兩級(jí)中間加入低通濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

1.3 超聲波換能器頻率整合電路設(shè)計(jì)

圖4 變頻式超聲波換能器頻率整合電路圖

高壓電容C0、陶瓷晶體振蕩器X、濾波電路和放大電路整合后的總電路如圖所示.陶瓷晶體振蕩器X與高壓電容C0組成探頭內(nèi)的超聲波發(fā)射電路。HV為高壓輸入端，通過高壓輸入端對(duì)高壓電容。進(jìn)行充電；C0與陶瓷晶體振蕩器X匹配組成諧振回路，陶瓷晶體受到高壓的激發(fā)，使得換能器產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出超聲波。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，變頻式超聲波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能：

頻率范圍為20kHz～135kHz，具有無級(jí)可調(diào)，控制靈活，輸出匹配良好，效率高等優(yōu)點(diǎn)。

全新線路板控制，超聲波輸出功率損耗低，不影響工作效率。

性能可靠，故障率低，輸出穩(wěn)定。

功率范圍為0W～3000W，實(shí)現(xiàn)了功率無級(jí)可調(diào)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的自激式控制技術(shù)，采用數(shù)字脈沖方式驅(qū)動(dòng)，具有體積小、重量輕、功率強(qiáng)勁，工作穩(wěn)定可靠，功率連續(xù)可調(diào)，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

基于數(shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)的變頻超聲波換能器可以廣泛應(yīng)用于超聲波清洗機(jī)、超聲波治療儀等超聲設(shè)備中。此超聲波換能器最大限度的利用單片機(jī)資源和一些功能模塊芯片，減小了系統(tǒng)的體積，減少了系統(tǒng)功耗，有利于節(jié)省資源?；跀?shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)的變頻超聲波換能器比傳統(tǒng)型換能器體積更小，操作方便，性能更加穩(wěn)定，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)超聲波換能器不具有的變頻功能。

[1]Ueha S,Tomikawa Y.Ultrasonic motors theory and appli-cations.Oxford Science Publications,1993.

[2]馬坤.超聲波在清洗技術(shù)中的研究[D].山東：山東大學(xué)，2000.

[3]R.Coates,R.F.Mathams.Design of matching networks for acoustic transducers[J].Ultrasonics,1988,26(2): 59-63.

[4]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.