CN106000994A - 一种基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置与方法，装置包括人机交互模块、数字清洗控制模块、宽频超声换能器、超声导管、电源和位置固定模块。由数字清洗控制模块产生宽频电信号，可以是连续变频或者是离散变频信号。宽频超声换能器将宽频电信号转换为宽频超声信号发出，宽频超声换能器连接多路超声导管，通过超声导管将超声信号导入清洗溶液中各个不同的位置和方向，实现均匀清洗。本发明利用宽频超声信号，涵盖各种清洗频率，发挥不同频率超声信号的清洗优势，清洗更全面彻底；导管将超声信号传输至被清洗件周围，清洗更均匀；清洗装置主体置于清洗溶液外，使用方便安全。

Description

一种基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置与方法

技术领域

本发明属于超声清洗领域，具体涉及一种基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置与方法。

背景技术

超声波清洗技术是指向被清洁物件发射超声波，超声波经过清洗溶液时产生空化作用和直进流作用，使得被清洁物件表面的污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。空化作用是指超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压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，会在液体中产生一个很大的撕裂力，将液体分子拉裂成空洞形成气泡，这些空洞为真空或非常接近真空的状态，即液体中产生真空核群泡；在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时，液体分子激烈碰撞会产生非常强大的冲击力从而剥离被清洗件表面的污垢。这种空化作用非常容易在固体与液体的交界处产生。而直进流作用是指清洗溶液沿着超声波振子振动的方向流动，使得溶液与被清洁物件的表面产生相对运动，从而使得污染层剥离。超声波清洗技术清洗程度高、不损伤被清洗件，广泛应用于贵重金属、光学仪器、光电子玻璃器件、半导体材料与器件等工业零件的精密清洗。然而，现在的超声波清洗技术虽然在零件清洗等工业领域广泛应用，但是在人们的日常生活中，比如清洗水果、蔬菜、碗碟、衣物等很多方面，使用得还比较少，将超声波清洗设备推向家用是其进一步发展的一个方向。归纳现有的超声波清洗技术，还存在以下一些问题：

首先，大多数超声波清洗技术还是用模拟的超声信号发生器产生一个或者多个频率的超声波信号，未见连续扫频的超声清洗。超声波清洗的效果与超声波的频率设定有关。超声波频率越低，液体受到压缩作用的时间更长，气泡可以生长到较大的尺寸才破裂，可增强空化强度，清洗大部件表面、污物与清洗件表面结合度高的场合。超声波频率越高，产生的空化泡数量越多，穿透力较强，适合清洗表面形状复杂的清洗件，可穿达凹槽、细缝、深孔等细微结构，但空化强度较低，适合清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合。作为清洗用途的超声波频率一般在25KHZ～130KHZ之间，现有超声清洗设备设定一个或者几个固定的超声波频率点，由模拟发生器产生信号，由一个或者几个不同中心频率的超声探头发出超声信号。如果能够发送一个频率连续变化或者频率离散变化的宽频超声信号进行清洗，则能实现更好的清洁作用，比如对于清洗蔬菜，低频超声信号可以增强清洗强度，高频超声信号有利于清洗蔬菜叶表面不平整处的污垢。

第二，现有的槽式结构超声清洁设备体积大，超声换能器固定安装，集中发射。槽式结构是在槽中盛满清洗溶液，将待清洗物件摆放在槽中，这种结构的超声波清洗机体积较大，不便于携带和家用。且超声换能器在清洗槽的周围固定安装，超声信号集中发射。超声换能器发出超声信号时，具有较强的方向性，因此如果超声换能器固定安装，经过多个反射面后，信号大幅衰减，不便清洗结构比较复杂、多层次的物体，比如蔬菜。

第三，出现了一批便携式的超声清洗设备，利用已有的水池或者盆代替清洗槽，以减小设备体积，增强移动性，比如德国的Dolfi便携式洗衣设备，制作成肥皂盒大小，超声信号从其四周发出，需把整个工作电路置于清洗溶剂中，连接电源的电缆进入清洗溶液中为其供电，要做很好的防水来保证使用安全性。另外，越靠近设备的地方超声波强度越大，远离设备的地方超声波变弱。对于某些多层次的物体，经过多面反射后超声信号逐渐变小，清洗程度不均匀。另有一些将清洁设备做成长筒状，将超声波换能器浸入清洗溶液，电路部分在清洗溶液外面，超声信号只能从一个方向进入清洗溶液，同样存在清洗不均匀的现象。

发明内容

为了克服现存的便携式超声清洗设备的清洗不均匀等缺点，提升其清洗均匀性、安全性，本发明提出一种基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置与方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置与方法，其产生数字宽频电信号，是频率连续变化的宽频电信号或频率离散变化的宽频电信号，所述的频率变化可以是线性变化，也可以是非线性变化。由宽频超声换能器将宽频电信号转换为宽频超声信号发出，宽频超声换能器连接一路或者多路超声导管，由超声导管将超声信号导入清洗溶液中各个不同的位置和方向，实现宽频超声信号的均匀清洗。为了提高便携性，本发明装置中不包含盛装清洗溶液的容器，用户可自行使用已有的水池、盆等盛装清洗溶液和待清洗物件。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，包括人机交互模块、数字清洗控制模块、宽频超声换能器、超声导管、电源和位置固定模块。人机交互模块与数字清洗控制模块相连，数字清洗控制模块与宽频超声换能器相连。人机交互模块、数字清洗控制模块、宽频超声换能器、电源是一个整体，以防水材料的外壳封装。超声导管的一端与宽频超声换能器紧密耦合相连。

上述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的人机交互模块用于用户设定清洗参数，包括清洗时长、清洗频率、清洗强度。人机交互模块包含屏幕、按键等输入输出设备。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的数字清洗控制模块用于产生宽频电信号以及控制整个清洗装置各个模块的工作，包含信号产生单元、存储单元、控制单元、数模转换单元和功率放大单元。控制单元与人机交互模块相连，根据用户输入的清洗频率控制信号产生单元生成相应频段的宽频信号，根据用户输入的清洗强度设定产生的宽频信号的幅度，并将产生的宽频信号存储在存储单元中。控制单元还需要根据用户输入的清洗时长反复读取存储单元中的宽频信号并输出给数模转换单元，数模转换单元将宽频数字电信号转换为宽频模拟电信号并输出给功率放大单元，经过功率放大单元放大功率后，输出给宽频超声换能器。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的宽频超声换能器可以用现有的宽频超声换能器，需保证带宽能够覆盖清洗应用中所需要的超声频段，可以是一个或者多个超声换能器并列布置。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的超声导管是柔软长管，所述软管的管壁由很薄的柔软材料制作。整个软管分为两段，上面一段管壁是柔软的、声阻抗很大的材料制作，下面一段管壁以及软管的底部是柔软的、声阻抗很小的导声材料制作，两段的长度可以根据实际应用而定。整个软管内部由声阻抗很小的导声材料填充。超声导管的上面一端紧密耦合在宽频超声换能器上，另一端要浸入清洗溶液中，用于将宽频超声换能器产生的宽频超声信号导入清洗溶液中。一个宽频超声换能器，可以配置一个或者多个超声导管，当配置一个超声导管时，超声导管的面积与宽频超声换能器的面积一致，当配置多个超声导管时，多个超声导管的面积应能完整覆盖该宽频超声换能器的面积。软管横截面的形状可根据具体应用而定。多个宽频超声换能器，需配置多个超声导管。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的电源，是为整个装置供电的，可以经过电源适配器直接接入家用电源，也可以用充电电池。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的位置固定模块是用于固定整个超声清洗装置的，可以是一个支撑底座，也可以是夹具或者挂钩。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗方法，其特征在于，宽频超声换能器发送的清洗超声波是宽频信号，是频率连续变化的宽频信号或者是频率离散变化的宽频信号，所述频率变化可以是线性变化也可以是非线性变化。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗方法，工作过程包含以下步骤：

步骤1.参数设置。使用者用容器盛装清洗溶液，将待清洗物件浸入清洗溶液中，使清洗溶液淹没待清洗物件，将超声导管的下面一段，即管壁为透声材料的一段，放入清洗溶液中清洗物件的周围或内部，多个超声导管可根据需要放入不同的位置，置于不同的方向。使用者通过人机交互界面输入清洗参数，包括清洗时长、清洗频率、清洗强度。

步骤2.产生信号。数字清洗控制模块的信号产生模块根据用户输入的清洗频率、清洗强度产生宽频电信号，并将宽频电信号存储在存储单元。

步骤3.发送超声信号。数字清洗控制模块的控制单元读取存储单元中的宽频电信号，并经过数模转换单元、功率放大单元后输入到宽频超声换能器。宽频超声换能器输出宽频超声信号。

步骤4.清洗。宽频超声信号经过超声导管进入清洗溶液中，实现清洗目的。当达到清洗时长后，控制单元控制整个装置停止工作。使用者将超声导管从清洗溶液中取出即可。如没有达到清洗时长，则回到步骤3。

本发明的有益效果是：

1、利用宽频数字信号实现宽频超声信号的发生，取代传统模拟的单频或者多频点超声信号发生。频率越高，越有利于清洗表面不平整处的污垢，频率越低，越有利于提升清洁度，宽频超声信号有利于提升整体清洁度。

2、清洗装置主体部分置于清洗溶液外面，使用更安全。

3、清洗装置的超声导管的下面一段均能发出超声信号，将若干超声导管置于被清洗物件的周围或者内部，超声信号从超声导管下面一段管壁发射出来，使得各个位置、各个方向都能有超声源，清洗更均匀，尤其适合于一些比较复杂多层次的物件清洗，比如蔬菜。

4、清洗装置体积小、便携性好，适合于家用和旅行，可用于清洗果蔬、衣物、碗碟等很多方面。

附图说明

图1是本发明所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的结构框图；

图2是本发明所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的示意图；

图3是本发明实施例的清洗步骤流程图。

具体实施方式

本实施例结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

如图1所述，是本发明所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的结构框图，包括人机交互模块、数字清洗控制模块、宽频超声换能器、超声导管、电源和位置固定模块。人机交互模块与数字清洗控制模块相连，数字清洗控制模块与宽频超声换能器相连。人机交互模块、数字清洗控制模块、宽频超声换能器、电源是一个整体，以防水材料的外壳封装。上述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的人机交互模块用于用户设定清洗参数，包括清洗时长、清洗频率、清洗强度。人机交互模块包含屏幕、按键等输入输出设备。

所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的数字清洗控制模块用于产生宽频电信号以及控制整个清洗装置各个模块的工作，包含信号产生单元、存储单元、控制单元、数模转换单元和功率放大单元。控制单元与人机交互模块相连，根据用户输入的清洗频率控制信号产生单元生成相应频段的宽频信号，并存储在存储单元中。宽频信号可以是连续变频信号也可以是离散变频信号，可以是线性变频信号，也可以是非线性变频信号。本实施例中产生的是线性连续调频信号，设定的信号起始频率和截止频率为f₀＝40KHz至f₁＝100KHz、清洗时长为T_a＝5分钟，那么数字清洗控制模块可设定调频信号的时长为T＝1s，信号的幅度可根据用户输入的清洗强度来确定，本实施例中设置信号幅度A＝1。产生宽频离散信号表达式为：

其中，ω₀是线性调频信号的起始角频率，ω₀＝2πf₀/f_s，f_s为采样率，k为调频率，k＝(f₁-f₀)/(f_s ²T)，N为数字信号的样本数，N＝f_sT。为相位，可以取随机的初始相位。A为幅度。控制单元还需要根据用户输入的清洗时长控制反复读取存储单元中的宽频电信号并输出给数模转换单元，在本实施例中，产生的宽频数字信号的时长为T＝1s，用户设定的清洗时长为T_a＝5分钟，因此需反复读取T_a/T＝300次宽频数字信号。数模转换单元将宽频数字信号转换为宽频模拟信号输出给功率放大单元，经过功率放大单元放大功率后，输出给宽频超声换能器。

如图2所示，是本发明所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的示意图，图中包括数字清洗控制模块201，人机交互模块202，宽频超声换能器203，电源204，防水材料外壳205，位置固定模块(挂钩)206，超声导管207，水池208。宽频超声换能器可以用现有的宽频超声换能器，需保证带宽能够覆盖清洗应用中所需要的超声频段，本实施例中是需要覆盖40KHz-100KHZ频段，可以是一个或者多个超声换能器并列布置，本实施例中布置了3个宽频超声换能器。电源为整个装置供电，可以经过电源适配器直接接入家用电源，也可以用充电电池。上述几个模块整体以防水材料外壳205封装。位置固定模块用于固定整个超声清洗装置，可以是一个支撑底座，也可以是夹具或者挂钩，本实施例中使用的是挂钩。超声导管是柔软长管，管壁由很薄的柔软材料制作。整个软管分为两段，上面一段管壁是柔软的、声阻抗很大的材料制作(比如在上面一段超声导管中管壁设置为双层管壁，双层管壁中间为真空)，下面一段管壁和软管底部是柔软的、声阻抗很小的导声材料制作(比如硅胶)，两段的长度可以根据实际应用而定。整个超声导管内部由声阻抗很小的导声材料填充(比如高分子凝胶)。超声导管的上面一端紧密耦合在宽频超声换能器上，另一端要浸入清洗溶液中，用于将宽频超声换能器产生的宽频超声信号导入清洗溶液中。一个宽频超声换能器，可以配置一个或者多个超声导管，本实施例中每个宽频超声换能器配置一个超声导管，超声导管的面积与宽频超声换能器的面积一致。软管横截面的形状可根据具体应用而定。本实施例中是横截面为圆形的管。本实施例中以清洗蔬菜水果为例，清洗的时候将待清洗的蔬菜水果放入水池208中，水池不包含在本发明装置中，用户利用已有的水池或者盆等容器。在水池中装水淹没蔬菜和水果，超声导管应放在蔬菜、水果的周围或者穿过蔬菜叶之间。

下面结合图3，以清洗蔬菜、水果为例，对清洗的步骤进行描述：

步骤1.参数设置。使用者将蔬菜、水果放入水池，盛水淹没蔬菜水果，将超声导管的下面一段，即管壁为透声材料的一段，放入水中蔬菜水果的周围或穿插在蔬菜内部，多个超声导管可根据需要放入不同的位置，置于不同的方向。使用者通过人机交互界面输入清洗参数，包括清洗时长、清洗频率、清洗强度。

步骤2.产生信号。数字清洗控制模块的信号产生模块根据用户输入的清洗频率、清洗强度产生宽频电信号，并将宽频超声信号存储在存储单元。

步骤3.发送超声信号。数字清洗控制模块的控制单元读取存储单元中的宽频电信号，并经过数模转换单元、功率放大单元后输入到宽频超声换能器。宽频超声换能器输出宽频超声信号。

步骤4.清洗。宽频超声信号经过超声导管进入清洗溶液中，实现清洗目的。当达到清洗时长后，控制单元控制整个装置停止工作。使用者将超声导管从清洗水中取出即可。如果没有达到清洗时长，则回到步骤3。

Claims (9)

1.一种基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于包括人机交互模块、数字清洗控制模块、宽频超声换能器、超声导管、电源；人机交互模块与数字清洗控制模块相连，数字清洗控制模块与宽频超声换能器相连；人机交互模块、数字清洗控制模块、宽频超声换能器、电源是一个整体，以防水材料的外壳封装；超声导管的一端与宽频超声换能器紧密耦合相连；人机交互模块用于用户设定清洗参数，包括清洗时长、清洗频率、清洗强度；数字清洗控制模块用于产生宽频电信号以及控制整个清洗装置的工作；宽频超声换能器将宽频电信号转换为宽频超声信号发出，宽频超声换能器连接一路或者多路超声导管，由超声导管将超声信号导入清洗溶液中各个不同的位置和方向，实现均匀清洗。

2.根据权利要求1所述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于所述

数字宽频电信号，是频率连续变化的宽频电信号或频率离散变化的宽频电信号，所述的频率变化是线性变化或非线性变化。

3.根据权利要求1所述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于数字清洗控制模块包含信号产生单元、存储单元、控制单元、数模转换单元和功率放大单元；控制单元与人机交互模块相连，根据用户输入的清洗频率控制信号产生单元生成相应频段的宽频信号，根据用户输入的清洗强度设定产生的宽频信号的幅度，并将产生的宽频信号存储在存储单元中；控制单元还需要根据用户输入的清洗时长反复读取存储单元中的宽频信号并输出给数模转换单元，数模转换单元将宽频数字电信号转换为宽频模拟电信号并输出给功率放大单元，经过功率放大单元放大功率后，输出给宽频超声换能器。

4.根据权利要求1所述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于所述宽频超声换能器用现有的宽频超声换能器，带宽能够覆盖清洗过程中所需要的超声频段，是一个或者多个超声换能器并列布置。

5.根据权利要求1所述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于所述电源为整个装置供电的，经过电源适配器直接接入家用电源或采用用充电电池。

6.根据权利要求1所述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于还包括位置固定模块，用于固定整个超声清洗装置。

7.根据权利要求2所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于超声导管是柔软管，整个软管分为两段，上面一段管壁是柔软的、上面一段管壁的声阻抗大于，下面一段管壁的声阻抗；下面一段管壁采用导声材料制作；整个软管内部由导声材料填充。

8.根据权利要求7所述基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置，其特征在于超声导管的上面一端紧密耦合在宽频超声换能器上，另一端使用时浸入清洗溶液中，用于将宽频超声换能器产生的宽频超声信号导入清洗溶液中；一个宽频超声换能器配置一个或者多个超声导管，当配置一个超声导管时，超声导管的面积与宽频超声换能器的面积一致，当配置多个超声导管时，多个超声导管的面积能覆盖该宽频超声换能器的面积；多个宽频超声换能器需配置多个超声导管。

9.利用权利要求1~8任一项所述的基于数字宽频信号的导管式便携超声清洗装置的清洗方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1. 参数设置，使用者用容器盛装清洗溶液，将待清洗物件浸入清洗溶液中，使清洗溶液淹没待清洗物件，将超声导管的下面一段，即管壁为透声材料的一段，放入清洗溶液中清洗物件的周围或内部，多个超声导管能根据需要放入不同的位置，置于不同的方向；使用者通过人机交互界面输入清洗参数，包括清洗时长、清洗频率、清洗强度；

步骤2. 产生信号，数字清洗控制模块的信号产生模块根据用户输入的清洗频率、清洗强度产生宽频电信号，并将宽频电信号存储在存储单元；

步骤3．发送超声信号；数字清洗控制模块的控制单元读取存储单元中的宽频电信号，并经过数模转换单元、功率放大单元后输入到宽频超声换能器；宽频超声换能器输出宽频超声信号；

步骤4．清洗，宽频超声信号经过超声导管进入清洗溶液中，实现清洗目的；当达到清洗时长后，控制单元控制整个装置停止工作；使用者将超声导管从清洗溶液中取出即可；如没有达到清洗时长，则回到步骤3。