[發明專利]基于數字脈沖驅動的變頻超聲波系統有效

申請號：	201310254782.7	申請日：	2013-06-25
公開（公告）號：	CN103302055A	公開（公告）日：	2013-09-18
發明（設計）人：	邢曉凱;劉振;王麗玲	申請（專利權）人：	中國石油大學(北京)
主分類號：	B08B3/12	分類號：	B08B3/12;B06B1/06
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地址：	102249 北京市昌***	國省代碼：	北京;11
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摘要：
搜索關鍵詞：	基于數字脈沖驅動變頻超聲波系統
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及超聲波應用技術領域，尤其是基于數字脈沖驅動的變頻超聲波系統。

背景技術

超聲波發生器，通常稱為超聲波電箱、超聲波發生源、超聲波電源。它的作用是把我們的市電(220V或380V，50或60Hz)轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號。

發生器的原理是首先由信號發生器來產生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個特定頻率就是換能器的頻率，一般應用在超聲波設備中的超聲波頻率為20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；100KHz或以上現在尚未大量使用。目前市場上銷售的超聲波發生器很多，但是原理和參數一般沒有多少差別，一般是它激式超聲波發生器。這種發生器只具備一種頻率，比如選定了25KHz的發生器，就只能匹配25KHz的換能器，只能產生25KHz的超聲波，并且發生器和換能器的頻率匹配不能超過2％，這樣，隨著換能器的損耗，需要更換換能器。

這種超聲波發生器優點是，操作簡單，容易維護，價格便宜，所以市場上不可調頻，或者是二頻、三頻超聲波清洗機用的都是這種超聲波發生器，缺點是頻率不能連續調節。由于想要研究超聲波的頻率對乳化、脫氣、除塵、除垢、清洗、滅菌效果的影響，所以要求發生器的頻率最好能夠連續可調。設計超聲波發生器是在原有發生器及基礎上改進，使其具有調頻功能。市場上廠家很少做這種超聲波發生器，是因為即使做了這種發生器，沒有可以調頻的換能器，意義不大。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述技術缺點提供基于數字脈沖驅動的變頻超聲波系統。

本發明解決技術問題采用的技術方案為：基于數字脈沖驅動的變頻超聲波系統，包括超聲波發生器、超聲波換能器和超聲波波場作用槽；超聲波發生器為基于DDS技術的變頻超聲波發生器，包括電源、單片機、頻率生成模塊、功率放大模塊、PLL頻率反饋模塊和輸入輸出模塊；超聲波換能器為多組超聲波換能單元組成的換能模組，超聲波換能單元包括壓電片、導電膠、吸聲材料、導電柱、接線板、擋圈和外殼；超聲波換能器固定在底座上，且與超聲波發生器電性連接，所述超聲波波場作用槽置于超聲波換能器上端，槽內裝有溶劑和實驗杯；

所述電源分別連接單片機、頻率生成模塊、功率放大模塊和PLL頻率反饋模塊，所述單片機與輸入輸出模塊、頻率生成模塊、功率放大模塊電性連接，并通過PLL頻率反饋模塊連接外部超聲波換能器。

所述外殼內部分隔為上端的接線腔和下端的壓電腔，壓電腔底部設有導電膠，導電膠上端連接壓電片，所述壓電片周圍包裹有吸聲材料，壓電片通過導電柱連接接線腔內的接線板，所述接線板上端設有擋圈，通過導線連接外部信號電纜。

所述超聲波發生器上的單片機為基于DDS的ACR芯片集成塊，ACR芯片集成塊上還集成有帶通濾波器電路和信號發生電路。

所述超聲波換能器上的壓電片為ANN-P5F-1001壓電片，壓電片通過高溫導電膠與銅材料制成的導電柱耦合，高溫導電膠優選為DB5015。

所述超聲波換能器內的吸聲材料，優選為雙組份的S2116高彈性電子灌封膠，吸聲材料填充于壓電片的背面，用于吸收和抑制壓電片的反向振動波。

所述接線板為經孔化、鍍金、布線處理的雙面覆銅板，接線板緩沖連接壓電片與外部信號電纜，保護壓電片不受電纜焊接應力的影響。

所述擋圈為與接線腔內壁螺紋相適配套的墊圈標準件，用于卡固接線板。

所述外部信號電纜采用2×0.2mm²的多股耐高溫柔性電纜，電纜外徑約3～3.5mm，彎曲半徑大于6mm，外部信號電纜采用高溫導電膠灌封至符合IP68防護標準。

本發明技術方案的原理為：

一、超聲波發生器實現可調頻功能

本發明采用AVR芯片單片機，采用DIP40直插封裝，實現超聲波發生器的可調頻功能。

AVR芯片單片機采用直接數字頻率合成(DDS)及其帶通濾波器電路，DDS是一種根據輸入數字量生成相對于參考頻率的頻率和相位可調的一種技術，具有高速、高精度、恒溫輸出及靈活變頻、快速反應等優點，但其輸出頻率諧波頻率較多，因此在DDS輸出端加入良好的濾波模塊，可降低DDS的雜散信號，提高信噪比。