【摘 要】针对超声波清洗机存在频率选择性问题，本文提出设计多频超声波发生器，利用单片机智能控制，与多种频率的超声波探头进行匹配，并进行实时跟踪监控，改善清洗机清洗效果。
【关键词】超声波；高频脉冲；功放电路
0 引言
超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用以及直进流作用对液体和污物直接或间接地作用，使污物层被分散、乳化、剥离达到清洗目的[1]。如今市场上的超声波清洗机就是使用超声波的这种功能特性，但存在的问题是使用单一频率的超声波，无法进行调整，事实上，超声波的频率对清洗对象具有选择性，频率不同，清洗的效果不同。比如五金、机械、汽摩等行业的清洗对象采用28Hz频率的超声波效果为佳，电子线路板、光电子清洗采用40Hz频率的超声波，而高频的超声波适合于清洗集成电路芯片、硅片及薄膜的清洗，能去除微米级的污物而对清洗对象没有任何损伤。因此，能够进行频率选择的超声波清洗机研究就非常有意义，可以根据不用的清洗对象，选择合适的超声波频率清洗以达到最佳的清洗效果。本文提出应用单片机控制脉宽调制电路产生一定频率的超声频电信号，驱动超声波换能器产生超声波，同时设计匹配电路实现换能器稳定工作在谐振频率上，提高其电声转换效率。
1 超声波发生器的总体设计
超声波发生器的总体设计包括硬件电路设计和软件系统设计。硬件电路主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路实现对超声频的电信号进行功率放大，然后去激发超声波换能器产生超声波。交流电经过整流和滤波形成直流电，通过桥式变换器将直流电压转变为与换能器谐振频率一致的交流电压，再经高频变压器和匹配电路，最后送至负载。控制电路主要是为主电路中的桥式变换器提供脉冲信号，并借助反馈电路实现闭环控制。如图1所示：
2 硬件电路设计
2.1 信号产生电路
SG3525是一种频率可调、占空比可调的脉宽调制器[2]，由美国通用电气公司的产品，采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需的外器件较少，内置基准电压源，芯片内振荡器工作频率宽100Hz～400kHz。振荡器引脚5外接电容CT，引脚6外接电阻RT，振荡器频率f由CT和RT决定。芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd就可以在较大范围内调节死区时间。频率的计算方法如下：
f=1/[CT（0.67RT+1.3RD）]
2.2 信号控制电路
信号频率的选择是通过单片机89S51来控制，89S51是Atmel的产品，芯片含快擦写存储器，方便调试，同时内含看门狗电路，易实现看门狗监视功能。通过程序改变单片机输出引脚的电压，经D/A转换器，接到三极管的基极，通过控制三极管集电极的电流，可调整集电极和发射极之间的阻值。由上述脉宽调制器输出信号的频率控制条件可知，将单片机输出的数字信号去控制改变压控电阻R，就可以获得不同频率值的脉冲波信号。由于超声波换能器的固有频率会变化，需要实时跟踪并调整输出电信号的频率，因此设计反馈电路来跟踪超声波换能器的谐振频率的变化，并及时调整脉宽调制器所需的控制信号。
2.3 功放电路
超声波发生器的主电路是功放电路，它对信号产生电路输出的脉冲信号进行功率放大，通过阻抗匹配电路传导给换能器，换能器将电信号转化为机械振动。功放电路包括整流滤波电路和逆变电路。
整流滤波电路的主要作用是将市电转变成逆变电路所需要的直流电。本文选择采用全桥整流和电容滤波的方式，四个二极管组成全桥整流电路。
逆变电路是将直流电转换为交流电的变换电路。目前逆变电路的拓扑结构主要有推挽、全桥、半桥等方式，其中，在半桥式变换电路中，功率管耐压要求较低，对滤波电容要求也较低，考虑到节约成本和保证一定的输出功率，本文选择半桥逆变电路组成功放电路。该电路的一个桥臂由开关管Q1和Q2组成，另一个桥臂由电容C1和C2组成。高频变压器一端接在Q1和Q2的公共连接端，另一端接在电容C1和C2的中点，变压器初级一端电压等于直流电压的一半，由于开关交替导通，在变压器的次级形成交流方波电压。
2.4 匹配电路
超声波发生器是为换能器提供激励信号的，它们之间的匹配设计十分重要，直接影响到设备能否高效工作[3，4]。超声波发生器与换能器之间的匹配包括调谐匹配和阻抗匹配两个方面。由于压电型换能器在谐振频率工作时呈容性，如果直接将信号源接到换能器上就会产生一部分无功功率，使得有功功率相对减小，因此需要设计调谐匹配，即在发生器输出端通过匹配感抗，使得负载呈纯电阻。阻抗匹配是指调整负载的阻值，使之与发生器的内阻相等，以获得发生器对外的最大输出功率。
3 系统软件设计
超声波发生器的工作流程是由单片机来控制，通过软件编程，实现对超声波频率的设置、调整和显示等控制，同时监控频率反馈信号，调整参数使换能器高效率输出超声波。系统流程图如图2所示：
4 总结
设计的多频超声波发生器采用单片机与数模电路结合的方式产生超声频的脉冲信号，可实现与多个频率的超声波换能器进行匹配，解决了实际当中超声波清洗机对频率的特定要求，达到最佳的清洗效果。该系统设计简洁，输出功率稳定，可靠性高，能实时跟踪换能器谐振频率的变化并进行调整，在实验环境取得良好效果。
【参考文献】
[1]宋占文，周东良.超声波清洗技术在制造业中的应用[J].清洗世界，2006，22.
[2]李纲园，王建军.基于AT89S52与SG3525的直流脉冲电源研制[J].电气自动化，2009，31.
[3]周康.超声波清洗机用发生器的研制[D].华中科技大学，2008：14-20.
[4]曾东红.智能大功率超声波清洗电源的研制[J].电源世界，2011，6.
[责任编辑：曹明明]