楊曉林，孟德川，鄧玉福，左浩杉，于桂英

（1.沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.遼寧省射線儀器儀表專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034；3.沈陽(yáng)師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

20 世紀(jì)50 年代，超聲波清洗技術(shù)開(kāi)始迅速發(fā)展。超聲波清洗的原理是利用超聲波在液體中的空化作用、直進(jìn)流作用以及加速作用，對(duì)清洗液以及污物進(jìn)行作用從而達(dá)到清洗目的[1]。對(duì)比傳統(tǒng)的清洗方式，超聲波清洗具有清洗速度快、清潔度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)[2]。針對(duì)不同的工業(yè)生產(chǎn)，需要使用不同種類的換能器，而目前的超聲波發(fā)生器由于逆變電路、高頻變壓器設(shè)計(jì)的局限性，大部分無(wú)法匹配多種換能器。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種頻率可調(diào)、可通過(guò)更換匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)使大部分換能器正常工作的超聲波發(fā)生器。

1 超聲波發(fā)生器原理

超聲波發(fā)生器的整體框架如圖1 所示，其主要包括供電電源、逆變電路、高頻變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)以及超聲波換能器5 個(gè)部分[3]。供電電源提供直流電輸入到逆變電路，經(jīng)過(guò)逆變電路、高頻變壓器升壓，最終產(chǎn)生高頻高壓電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)傳遞到超聲波能器兩端。超聲波換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而得到超聲波[4]。

圖1 超聲波發(fā)生器整體框圖

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1 逆變電路設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的逆變電路有半橋式、全橋式以及單端式[5]。半橋式逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、電壓平穩(wěn)，但是電源利用率低，不適用于工作電壓較低的場(chǎng)合[6]。全橋式逆變電路使用的開(kāi)關(guān)管數(shù)量較多，且要求開(kāi)關(guān)管的一致性較好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)同步，在小功率場(chǎng)合下使用效果不佳。單端反激式逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)元件的要求較低、可適用功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，故本文設(shè)計(jì)的逆變電路采用單端反激式逆變電路，并采用TL494 芯片作為觸發(fā)脈沖控制開(kāi)關(guān)管，其原理如圖2 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q 導(dǎo)通時(shí)，變壓器T 初級(jí)線圈電流上升，存儲(chǔ)能量，次級(jí)線圈上端極性為負(fù)，下端極性為正，二極管D 反向截止，負(fù)載由輸出電容提供能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，變壓器原邊線圈極性對(duì)調(diào)，此時(shí)輸出二極管導(dǎo)通，變壓器中的能量經(jīng)由二極管D 輸出，同時(shí)對(duì)電容C1 充電，彌補(bǔ)剛剛損失的能量[7]。

圖2 單端反激式逆變電路示意圖

2.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器是超聲波發(fā)生器的重要組成部件，在電路中起到隔離以及升壓作用。其工作原理是：電能在初級(jí)線圈中通過(guò)互感現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為磁能，之后傳遞到次級(jí)線圈并在此轉(zhuǎn)化為電能[8]。高頻變壓器的工作頻率一般很高，所以對(duì)磁芯的材料有一定的要求，要考慮磁通效應(yīng)瞬態(tài)飽、磁芯能量消耗以及漏感漏磁等問(wèn)題[9]。本文選用了性價(jià)比較高、易于加工、溫度特性穩(wěn)定的錳鋅鐵氧體材料作為高頻變壓器的磁芯，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈匝數(shù)比為10 ∶40。

3 匹配電路設(shè)計(jì)

超聲波換能器作為超聲波儀器的負(fù)載，可以完成交流電信號(hào)到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，是影響超聲波儀器能否正常工作的重要部分。要想使超聲波儀器有更好的工作效率，換能器的匹配網(wǎng)絡(luò)分析至關(guān)重要。一個(gè)好的匹配網(wǎng)絡(luò)可以使換能器處于諧振狀態(tài)，從而得到最高的輸出頻率。

3.1 換能器等效電路

壓電陶瓷式超聲波換能器的等效電路如圖3 所示。圖3 中，C0為超聲波換能器的靜態(tài)電容，可在遠(yuǎn)低于諧振頻率的情況下直接通過(guò)測(cè)量獲得其容值；R0是壓電陶瓷片內(nèi)的介質(zhì)電損耗，一般認(rèn)為其數(shù)值無(wú)窮大故而可忽略其影響；Rm為動(dòng)態(tài)電阻，Lm為動(dòng)態(tài)電感，Cm為動(dòng)態(tài)電容，可以在超聲波換能器諧振工作時(shí)通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量這3 個(gè)物理量。

圖3 超聲換能器等效電路

3.2 L-C 匹配網(wǎng)絡(luò)

通常，一般使用的換能器在正常工作時(shí)對(duì)外電路會(huì)呈現(xiàn)容性的負(fù)載特性。如果將換能器與超聲波發(fā)生器直接連接，則不會(huì)獲得最大的功率?；诩冸娮桦娐饭β首畲螅枰趽Q能器和超聲波發(fā)生器之間加入一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)其補(bǔ)償作用將容性負(fù)載等效為純阻性的負(fù)載。本文選用的匹配網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)-C 匹配網(wǎng)絡(luò)，其等效電路圖如圖4 所示。

圖4 L-C 匹配等效電路圖

電路中，等效阻抗的大小為：

此時(shí)等效阻抗為：

3.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本文選用28 kHz 以及40 kHz 兩種超聲波清洗用換能器進(jìn)行試驗(yàn)，用電容表測(cè)量靜態(tài)電容，用阻抗分析儀測(cè)量3 個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)后，得到各具體參數(shù)如表1 所示。

表1 超聲波換能器參數(shù)

設(shè)置并聯(lián)電容參數(shù)為15 nf 以及20 nf，由式（2）可以推導(dǎo)出匹配電容以及匹配電感的值如表2所示。

表2 匹配網(wǎng)絡(luò)理論值

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 建立仿真電路

前文已經(jīng)詳細(xì)地介紹了主電路的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)主電路原理圖，建立如圖5 所示的仿真模型。

圖5 超聲波發(fā)生器電路仿真

模型采用了多個(gè)Scope（仿真示波器），可以方便地測(cè)量電路中各個(gè)點(diǎn)的波形；可以更為直觀地觀察各個(gè)時(shí)刻電源的輸入、輸出工作情況。仿真電路的觸發(fā)脈沖波形如圖6 所示。

圖6 觸發(fā)脈沖仿真波形

4.2 電路仿真實(shí)驗(yàn)

4.2.1 28 kHz 超聲波清洗仿真

電源供電設(shè)置為60 V 直流電輸入，設(shè)置方波發(fā)生器頻率為28 kHz，占空比30%，匹配電感11.3 μH，匹配電容15 nf，靜態(tài)電容3.1 nf，動(dòng)態(tài)電容0.331 nf，動(dòng)態(tài)電感194 mH，動(dòng)態(tài)電阻25 Ω，高頻變壓器匝數(shù)比10 ∶40，啟動(dòng)電路。scope2 顯示為換能器輸出電流波形，scope3 為換能器兩端的電壓波形，分別如圖7、圖8 所示。

圖7 28 kHz 換能器電流輸出仿真波形

圖8 28 kHz 換能器電壓輸出仿真波形

4.2.2 40 kHz 超聲波清洗仿真

電源供電設(shè)置為60 V 直流電輸入，設(shè)置方波發(fā)生器頻率為40 kHz，占空比30%，匹配電感9.25 μH，匹配電容20 nf，靜態(tài)電容3.8 nf，動(dòng)態(tài)電容4.46 nf，動(dòng)態(tài)電感140.3 mH，動(dòng)態(tài)電阻20 Ω，高頻變壓器匝數(shù)比10∶40，啟動(dòng)電路。scope2 顯示為換能器輸出電流波形，scope3 為換能器兩端的電壓波形，分別如圖9、圖10 所示。

圖9 40 kHz 換能器電流輸出仿真波形

圖10 40 kHz 換能器電壓輸出仿真波形

由仿真波形可以看出，經(jīng)過(guò)L-C 匹配電路后，兩組超聲波換能器兩端的電流、電壓波形均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，證明超聲波換能器可處于諧振工作狀態(tài)，超聲波發(fā)生器匹配成功。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

5.1 28 kHz 超聲波換能器測(cè)試

當(dāng)匹配電容為15 nf，匹配電感為11.312 μH，高頻變壓器匝數(shù)比為10：40 時(shí)，超聲波換能器兩端的電壓波形如圖11 所示。

圖11 28 kHz 換能器兩端電壓波形

5.2 40 kHz 超聲波換能器測(cè)試

當(dāng)匹配電容為20 nf，匹配電感為9.52μH，高頻變壓器匝數(shù)比為10∶40 時(shí)，超聲波換能器兩端的電壓波形如圖12 所示。

圖12 40 kHz 換能器兩端電壓波形

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得換能器兩端波形均為正弦波，輸出穩(wěn)定，換能器處于諧振狀態(tài)。超聲波發(fā)生器與超聲波換能器匹配效果良好。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)超聲波清洗方面的需求，本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、泛用性廣的超聲波發(fā)生器。其采用單端反激逆變電路以及L-C 型匹配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整逆變電路輸出頻率和更改匹配網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)值，可以完美匹配大部分超聲波換能器。采用40 kHz 以及28 kHz 兩款不同的超聲波換能器進(jìn)行試驗(yàn)，均可與超聲波發(fā)生器完成匹配。