CN203108868U

CN203108868U - 一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器

Info

Publication number: CN203108868U
Application number: CN 201320101215
Authority: CN
Inventors: 龚润航; 朱昌平; 王斌; 谢秀坤; 郭臣; 周安浩; 黄波; 张秀平; 高远; 殷明
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2023-03-06

Abstract

本实用新型公开了一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，包括扫频信号产生电路、超声信号产生器、超声功率放大器等，可在20kHz至350kHz的宽频带内进行不同频率超声波的调谐、发生与便捷切换。本实用新型采用多抽头级联调谐匹配电感，经核心处理器控制，可在无需拆绕电感和调整磁芯气隙情况下对调谐电感感值进行切换和微调，免去目前手动拆机调整参数的麻烦；同时运用电流互感器和红外测温传感器实时监测装置温度与输入电流，可在发生匹配失谐,导致换能器和功放过热、电路损耗增大时自动调整电路参数，保证换能器正常谐振。

Description

一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器

技术领域

本实用新型涉及一种超声波发生器，特别是涉及一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器。

背景技术

超声空化效应是液体中由于超声的物理作用，在液体内的某一区域会形成局部的暂时的负压区，于是在液体中产生空穴或气泡，这些充有蒸气或空气的气泡处于非稳定状态，当它们突然闭合时，会产生激波。因而在局部微小区域产生很大的压力，从而把聚集起来的声场能量在液体中极小的空间内迅速释放出来，形成高温(可高达5000K以上)、高压(可高达5x10⁷pa)以及强冲击波和射流等极端的物理条件。利用超声空化效应，可以有效清除不规则物体表面油污，开启新的化学反应通道，由此产生了一系列超声产业，方便了人们的生产与生活。近十年来，我国对超声技术及其应用的研究非常活跃，主要集中在超声清洗和声化学反应两个方面。不同的研究方向需要使用不同频率的超声波，其中一些声化学反应的研究需要研究较宽频段内各种频率空化效应的反应效果。这就为研制可以在较宽频带内高效产生不同频率超声波的超声发生器提供了动力。

　　以往的超声波发生器一般只能配合换能器产生很窄频段内的超声波，若需要产生其他频段的超声波，必须由厂家改变驱动信号频率，同时拆开机器，更换阻抗匹配变压器抽头，拆绕匹配电感，调整磁芯气隙改变感值才能实现。为了使超声波发生器自动完成这一过程，市面上已有设置匹配电感抽头，利用电子开关自动切换的技术出现。但在实际运用过程中，由于不同频率及尺寸的换能器对调谐匹配电感的感值非常敏感，稍有匹配不佳便会产生换能器、功放过热、电路损耗增大的问题，而市面上的超声波发生器并无根据温度及输入电流自动有效微调匹配感值的功能。采用在单一调谐匹配电感上抽出许多抽头的解决方法经过本实用新型设计者实践验证，效果不佳。主要是由于，其一，单一调谐匹配电感感值往往较大，相邻各匝间感值的跳变很大，切换抽头后的感值很可能已越过最佳调谐点，无法微调。其二，为了调谐匹配电感的感值实现多级可变，往往需要在单一电感上抽出非常多的抽头，过多的抽头将造成单一调谐匹配电感体积的臃肿，对导线的密绕产生影响。目前为止，并未出现能够真正解决上述问题的超声波发生器。

发明内容

为了解决现有超声波发生器中调谐匹配无法在宽频带内便捷、有效地切换电感感值，在换能器功放过热、电路损耗增大时无法有效微调电感感值等问题，本实用新型提供了一种基于多抽头级联电感，驱动频率可在宽频带内便捷切换、调谐匹配电感可在装置过热、输入电流过大情况下有效微调感值的宽频带超声发生器。

为了解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于，包括：

用于产生超声扫频信号的扫频信号产生电路；

与扫频信号产生电路相连接，用于产生超声驱动信号的超声信号产生器；

与超声信号产生器相连接，用于放大超声驱动信号的超声功率放大器；

与超声功率放大器相连接，用于采集超声功率放大器输入电流值的电流互感器；

与超声信号产生器相连接，用于控制超声驱动信号频率的数字电位器；

与超声功率放大器相连接，用于隔离输出信号并使负载与超声功率放大器输出阻抗相匹配的多抽头阻抗匹配变压器；

与多抽头阻抗匹配变压器相连接的多抽头级联调谐匹配电感；

与多抽头级联调谐匹配电感相连接，用于产生超声波的超声换能器；

与超声功率放大器和超声换能器相连接，用于采集超声功率放大器中散热片温度值和超声换能器中压电陶瓷片温度值的红外测温传感器；

分别与超声信号产生器、电流互感器、数字电位器、多抽头阻抗匹配变压器、多抽头级联调谐匹配电感、红外测温传感器相连接的核心处理器；

与核心处理器相连接，用于显示超声发生器运行参数、输入控制指令的人机交互界面。

进一步的技术方案为：

所述多抽头阻抗匹配变压器包括变压器和继电器切换开关，所述变压器次级按匝数递增顺序抽出三个抽头，所述继电器切换开关与所述核心处理器相连接。

所述多抽头级联调谐匹配电感包括一级电感、二级电感、三级电感和继电器切换开关，所述一级电感、二级电感和三级电感上分别按感量递增顺序各抽出六个抽头，所述一级电感、二级电感和三级电感所用磁芯的气隙依次增大。

所述一级电感、二级电感和三级电感间由三组继电器切换开关相连接，所述三组继电器切换开关均与所述核心处理器相连接。

所述电流互感器采用测量型电磁式电流互感器，变比为1000：1。

所述红外测温传感器采用非接触式红外测温模块。

所述超声换能器为压电型超声清洗换能器，中心频率为20～350kHz。

本实用新型的有益效果是：采用多抽头级联调谐匹配电感，经核心处理器控制，可在无需拆绕电感和调整磁芯气隙情况下对调谐电感感值进行切换和微调，免去目前手动拆机调整参数的麻烦；同时运用电流互感器和红外测温传感器实时监测装置温度与输入电流，可在发生匹配失谐,导致换能器和功放过热、电路损耗增大时自动调整电路参数，保证换能器正常谐振。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器包括人机交互界面1，核心处理器2，数字电位器3，扫频信号产生电路4，超声信号产生器5，超声功率放大器6，电流互感器7，红外测温传感器8，多抽头阻抗匹配变压器9，多抽头级联调谐匹配电感10，超声换能器11。所述人机交互界面1采用12864型128×64点阵液晶模块显示超声发生器运行参数，采用4×4薄膜键盘输入控制指令；所述核心处理器2采用单片机MSP430F149芯片，使用3.3V直流电压供电；所述数字电位器3采用DS3905 128抽头、非易失、数控可变电阻芯片；所述超声信号产生器5采用PWM控制芯片产生超声驱动信号，芯片型号为SG3525；所述超声功率放大器6采用N通道、FET型、功率MOS管放大超声驱动信号，型号为IRFP460；所述电流互感器7采用测量型电磁式电流互感器，变比为1000：1，型号为ZMCT103C；所述红外测温传感器8采用非接触式红外测温模块，型号为TN901；所述超声换能器11为压电型超声清洗换能器，中心频率至少为20kHz, 至多为350kHz。

如图1所示，本超声发生器的信号传输过程如下：操作人员通过人机交互界面1输入所驱动的超声换能器中心频率和超声发生器启动指令，中心频率值和启动指令以电信号的形式经导线传输至核心处理器2，核心处理器2分析后控制数字电位器3调至能使超声信号产生器5产生该中心频率的阻值，同时分别控制多抽头阻抗匹配变压器9和多抽头级联调谐匹配电感10中的继电器切换开关切换至适合设定中心频率的抽头档位，并根据所置档位计算出当前接入电路的电感值，送入人机交互界面1显示。之后核心处理器2控制超声信号产生器5开始工作，同时，扫频信号产生电路4产生的超声扫频信号改变超声信号产生器5内部振荡电路的振荡电压，从而产生频率以设定频率为中心，随时间在固定范围内波动的超声驱动电信号。超声驱动电信号经超声功率放大器6放大后被送至多抽头阻抗匹配变压器9进行阻抗匹配，之后经多抽头级联调谐匹配电感10进行调谐匹配后驱动超声换能器11工作。超声换能器11工作的同时，电流互感器7实时采集超声功率放大器6的输入电流值，红外测温传感器8实时采集超声功率放大器6中散热片温度值和超声换能器11中压电陶瓷片温度值，并将数据送至核心处理器2，电流值和温度值经分析处理后被送至人机交互界面1显示，供操作人员参考。

在本超声发生器运行前，需要对其内部电路参数进行设置。绕制多抽头阻抗匹配变压器9时，因为一定变比的阻抗匹配变压器可驱动一定频段内的超声换能器，所以在次级抽出三个抽头，使次级各抽头档位与初级变比分别满足20kHz至80kHz、80kHz至150kHz、150kHz至240kHz和240kHz至350kHz的阻抗匹配要求。绕制多抽头级联调谐匹配电感10时，因为不同频率及尺寸的换能器对调谐匹配电感的感值非常敏感，所以采取三级电感抽头级联的形式将固定的感值进行细分。由于电感磁芯气隙越大，感值越小，故先使一级电感、二级电感和三级电感所用磁芯的气隙依次增大。一级电感、二级电感和三级电感上分别按感量递增顺序各抽出六个抽头，这样各电感上的感值可按量级进行细分，再通过继电器切换开关的分别连接，可实现对微小感量调整的电子控制。最后将对应驱动不同超声频率时，多抽头阻抗匹配变压器9和多抽头级联调谐匹配电感10应置的不同抽头档位数据，存入核心处理器2中。

下面以一具体实施例为例，详细说明如何运用多抽头级联电感使本超声发生器在宽频带内产生超声波。为发生160kHz的超声波，根据换能器阻抗、寄生电容值等参数计算得其调谐匹配电感值为302μH。首先绕制构成多抽头级联调谐匹配电感10的一级电感，通过调整磁芯气隙并抽出六个抽头，使其各档位电感值分别为343μH、294μH、245μH、196μH、147μH、98μH、49μH和0μH。再绕制二级电感，通过增大磁芯气隙并抽出六个抽头，使其各档位电感值分别为49μH、42μH、35μH、28μH、21μH、14μH、7μH和0μH。之后绕制三级电感，通过进一步增大磁芯气隙并抽出六个抽头，使其各档位电感值分别为7μH、6μH、5μH、4μH、3μH、2μH、1μH和0μH。将上述数值及160kHz通过人机交互界面1输入核心处理器2后，启动装置，核心处理器2自动运算出一级、二级、三级电感经级联要达到302μH的感值所需档位，分别控制多抽头阻抗匹配变压器9的继电器切换开关切换至150kH～240kHz档，控制多抽头级联调谐匹配电感10中一级电感的继电器切换开关切换至294μH档，控制二级电感的继电器切换开关切换至7μH档，再控制三级电感的继电器切换开关切换至1μH档。之后数字电位器3，扫频信号产生电路4，超声信号产生器5，超声功率放大器6，电流互感器7，红外测温传感器8在核心处理器2的控制下启动，产生160kHz超声功率电信号驱动超声换能器11开始工作。工作一段时间后，标称为160kHz的超声换能器由于自身振动发热导致其实际谐振频率偏离至162.5kHz，需要305μH的调谐感量才能重新谐振。装置在此失谐状态下检测到换能器和功放散热片异常升温，输入电流逐步增加，核心处理器2开始调整三级电感感值以1μH的步进升高。达到4μH档时检测到换能器和功放散热片温升停止，输入电流回落并稳定不变，立即停止调整，最终使整个超声发生器始终工作在稳定谐振状态。若需产生其他频率的超声波，只需更换对应频率的换能器，经人机交互界面1输入其中心频率值即可。通过数字电位器3，多抽头阻抗匹配变压器9和多抽头级联调谐匹配电感10的联调配合，本超声发生器可以实现自动感量微调控制，高效稳定驱动20kHz至350kHz的超声换能器，有效解决单一多抽头匹配电感存在的抽头间感值跳变过大的问题，免除拆绕匹配电感，调整磁芯气隙改变感值带来的麻烦。经参数更改后，本实用新型的驱动频率可以便捷地在更宽的频带内进行切换，为不同频率超声清洗和声化学反应的科研探究提供便利。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于，包括：

用于产生超声扫频信号的扫频信号产生电路；

2.根据权利要求1所述的一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于：所述多抽头阻抗匹配变压器包括变压器和继电器切换开关，所述变压器次级按匝数递增顺序抽出三个抽头，所述继电器切换开关与所述核心处理器相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于：所述多抽头级联调谐匹配电感包括一级电感、二级电感、三级电感和继电器切换开关，所述一级电感、二级电感和三级电感上分别按感量递增顺序各抽出六个抽头，所述一级电感、二级电感和三级电感所用磁芯的气隙依次增大。

4.根据权利要求3所述的一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于：所述一级电感、二级电感和三级电感间由三组继电器切换开关相连接，所述三组继电器切换开关均与所述核心处理器相连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于：所述电流互感器采用测量型电磁式电流互感器，变比为1000：1。

6.根据权利要求1所述的一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于：所述红外测温传感器采用非接触式红外测温模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于多抽头级联电感的宽频带超声发生器，其特征在于：所述超声换能器为压电型超声清洗换能器，中心频率为20～350kHz。