1、2016年 12 月 28 日摘要超声波清洗始于20世纪50年代初，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
2、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、清洗器、高频、振荡器一、超声波清洗机的原理与特点声波清洗器包括主要的三个结构：超声波发生器、换能器和清洗槽。超声波清洗机的原理为超声波发生器发出的高频振荡信号，而换能器将超声频电能转换成机械高频振动并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液来辐射超声波。超声波在清洗液中连续的，疏密相间的向前辐射，从而使液体流动而产生直径为50-500 m的数以万计的微小气泡，存在于液体中的微气泡，此微气泡就被称为空化核，在声波的作用下振动，在超声波纵向传
3、播的负压区这些气泡得以形成、生长，而在正压区，当声强或声压达到一定值时，气泡就会迅速增长，然后瞬间闭合。在气泡闭合时，就会产生冲击波，并且在气泡周围产生上千个大气压的压力以及局部高温，这种现象被称为超声空化。在超声清洗的过程中是通过破坏不溶性污物，并且使他们分散并扩散在清洗液中，当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时，固体粒子及脱离，油被乳化，从而达到清洗件净化的目的。这个过程被称之为“空化”效应的过程。即空化作用就是超声波以每秒两万次以上的减压力和压缩力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，在液体中真空核群泡的现象的产生，而在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击
4、力，从而以此剥离被清洗物表面的污垢。二、设计方案（1）实验准备 本次超声波清洗器为一款简单可靠的小型家用的，成本较低。此次超声波清洗器，通过电子市场采购元器件、万能板、变压器、导线、换能器等。（2）实验设计 简易超声波清洗器电路由超声波发生电路和放大电路组成，用以驱动超声波换能器工作，从而对污渍进行接触式振荡清洗。振荡电路采用555时基集成电路，这是大家再熟悉不过的了，在这里振荡频率采用可调整方式。555的3脚正常输出为方波，用于超声波换能时正弦波比较好，因此采用积分和滤波电路将方波转换成正弦波，通过VT1前置放大和VT2电压放大，足以推动下一级功率放大。为了得到30-60khz的10W功率的
5、超声波源，电源电压不能太高（出于安全），体积也不至于过大，后级功率放大采用了推挽放大电路。由于是高频放大，其变压器设计计算方法与低频放大有较大区别，放大器工作频率越高其输出效率越高其输出效率就越低，功率管和变压器会发热。好在超声波频率不算太高，在这里忽略了。三、超声波发生器设计 （1）超声波发生器的选择. 超声波发生器（即超声电源），它是一种用以产生并向超声换能器提供超声频电能的装置。按照其工作原理，我们可以把超声波发生器分为两大类一类是模拟电路，另一类是数字电路。模拟电路超声波发生器又可分为振荡一放大型和逆变型两种。本设计采用振荡放大型超声波发生器，它是一个带有振荡电路的放大器，是由振荡器、
6、放大器、匹配电路和电源四部分组成。振荡器产生一定频率的信号，通过放大器将其放大到一定的功率输出，以致达到最佳负载值，最后通过输出变压器进行阻抗匹配，并通过功放输出。下图即是振荡-放大型超声波发生器结构框图 （2）超声波放大器的选择 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以至所需的电平。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。早期的超声波发生器使用的是电子管做作为放大器件，现在则普遍采用晶体管（三极管、场效应管和绝缘栅双极型晶体管（IBGT）器件）。近年来越来越多的厂家开始采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。而现在工业上广泛使用的超声波发生器已基本上被晶体
7、管电路所垄断。晶体管发生器的优点很突出，主要在于质量轻、体积小、效率高。但是从另一方面讲，由于受到最大集电极电流、方向击穿电压、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。所以要提高晶体管发生器的输出能力，最重要的措施是采用高效率的电路，其次是有赖于高性能器件的开发。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，晶体管工作区是在伏安特性曲线的有源区。 （3）超声波换能器的选择超声波换能器是超声振动系统的核心部件，超声波清洗机设备是利用超声换能器的作用即超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能，从而达到清洗效果。用于超声清洗的换能
8、器有两种类型一是磁致伸缩换能器，另一种是压电换能器，磁致伸缩换能器这种换能器的电声效率比较低、制造工艺复杂、价格昂贵，因此目前很少采用。目前我国主要采用的换能器类型是压电换能器，因为这种换能器原材料价格便宜、且电声转换效率高，并且便于制造成不同的结构，以适应不同的清洗要求。压电换能器又有很多种比如喇叭形、圆柱形等。喇叭形换能器辐射的面积较广。所以经过对比最后确定选定32W换能器。 四、实验原理图设计与分析 T1、T2中变压器采用高频磁芯，220V转18V。VT2用NPN型中小功率管，电路板中小功率电阻与小容量电容，按照其元器件规格要求焊接后进行调试。 电源部分很简单.从变压器交流1 8V经整流
9、模块（ 100V/ 2A）后，由电容电感电容滤波后直接接功放电路，另一路经150 欧姆电阻降压后送给三端可调稳圧集成电路。调节RP使输出电压在9V左右,供555振荡电路及前级放大用。由于电流很小， LM31 7不需加：散热片。振荡电路主要是频率和波形，把频率计和示波器探头接入555时基电路的3脚，调节 RP3, 观察输出波形及输出频率的変化。正常情况下应是10-60kHz变化的方波,再将探头放在 VT1的集电集，正常情况应是交流正弦波，幅値在 P-P值1V左右。 如幅度过小或波形失真可整VT1管的工作点及适当调整积分电路的阻容値, 使波形与幅值基本达到要求。功放部分是关键部位, 从VT1集电极
10、经电容耦合的信号送至VT2的基极，放大后直接通过交压器耦合到推挽管的基极。 为了防止推挽引起交越失真,首先调整R15,使功放初始电流在10mA左右。超声波振荡器可分为RC正弦振荡器、LC正弦振荡器和压控振荡器等等。由于555不仅价格便宜而且性能优越，能达到预期的效果，可使清洗机清洗效能达标，并且成本不会太高，因此本次设计中就采用由开关稳压块555构成的振荡器。如图所示为电路图。5、实验结论（1）通过上面的设计，最后进行实物焊接与调试，焊接时，我们采用万能板用焊锡搭线，最终完成实物制作。实物如下图：（2）总结通过几个星期的努力，在老师的悉心指导下，通过室友的共同努力，终于完成了超声波清洗器的设计
11、。毕业设计是本学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的学习机会。通过这次对超声波清洗机的制作，我感受到了小组学习的重要性。而且在制作中，提高了我的焊接水平，加深了我对电路设计的理解，还增长了许多课本上学不到的知识。我们小组分工明确，都积极提出自己的想法，然后放在一起讨论，这中间加深了我们的协作能力。这次的设计收获很大。该设计的硬件结构简单，集成度高，工作可靠，测试稳定。经过测试，各部分运行正常，成功地达到了硬件设计要求。通过与硬件电路的结合，实现了运用超声波清洗器件的功能。总之，完成了设计任务的全部要求。在这次的设计后我了解到，非接触测量在当今的社会发展当中已经变得十分重要，而超声波作为非接触
12、测量的一种方法，已经在很多领域得到应用。本设计已经成功完成，但仍然存在着很大的改进空间。致谢 在此完成了超声波清洗器，谨向我们的指导老师杨全会致以最诚挚的谢意。这个报告是在杨老师的精心指导和严格要求下完成的。在我们做超声波清洗器期间，在老师指导帮助下，使我们组不仅顺利完成了本课预定的各项任务，而且在实验操作能力上有了很大的飞跃。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决，渐渐地，我们的信任与协作能力建立起来了。为以后的工作和生活积累了经验，增强了我们的信心。
