CN103558047B - 多频率超声清洗效果实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频率超声清洗效果实验平台，它包括核心控制模块、第一继电器模块、第二继电器模块、第三继电器模块、输入隔离模块、功率放大模块、第一匹配变压器、第二匹配变压器、五个超声信号产生模块、五个匹配电感和五个换能器阵；其中，核心控制模块，其信号输出端分别与超声信号产生模块、第一继电器模块、第二继电器模块、第三继电器模块的控制信号输入端相连接，用于根据输入的工作频率选择信号产生相应的切换控制信号分别传递给第一继电器模块、第二继电器模块和第三继电器模块。本发明能够采用多组频率进行水下构建物清洗污垢效果研究，突出了清洗效果的有效性和对比性，实时找出最适合该水下构建物污垢清洗的最佳频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种多频率超声清洗效果实验平台，属于超声波清洗技术领域。
背景技术
目前，大坝闸门或坝体等各处被水长期浸没的地方，其表面将会沉积一定的污垢而影响其正常功能甚至损坏设备。目前把超声技术应用于水下构建物的清洗作业的经验比较匮乏，虽然已经有人提出水下大型设备的超声清洗方法，但是大都是在某种特定环境下，采用单一的超声清洗频率。而污垢的物理特性、厚度、坚硬度等与水质的情况和水中的杂质特性息息相关，采用单一频率的超声波换能器对水下构建物进行清洗，难以达到工程需求。一方面，由于信号频率选择不合适，其清洗效果将会被大打折扣，需要延长超声换能器的工作时间，从而将增加能耗，不利于节能减排。另一方面，如果采用单一频率的超声波换能器去清洗有些易碎、易伤的表面污垢时，将会使得清洗的表面受损或损坏。所以，根据不同的清洗物表面情况，污垢的物理特性、厚度和坚硬度等情况，选择合适表面清洗的信号频率进行清洗，将会对提高水下构建物清洗效果，保护坝体，延长超声波换能器的使用时间，减少CO2排放产生积极意义。
因此，研制出一种具有自适应特征的、能够应用于清洗不同表面和去除不同污垢的水下构建物表面清洗装置对水利设施的保养与维护意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种多频率超声清洗效果实验平台，它能够采用多组频率进行水下构建物清洗污垢效果研究，突出了清洗效果的有效性和对比性，实时找出最适合该水下构建物污垢清洗的最佳频率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多频率超声清洗效果实验平台，它包括核心控制模块、第一继电器模块、第二继电器模块、第三继电器模块、输入隔离模块、功率放大模块、第一匹配变压器、第二匹配变压器、五个超声信号产生模块、五个匹配电感和五个换能器阵；其中，
核心控制模块，其信号输出端分别与超声信号产生模块、第一继电器模块、第二继电器模块、第三继电器模块的控制信号输入端相连接，用于根据输入的工作频率选择信号产生相应的切换控制信号分别传递给第一继电器模块、第二继电器模块和第三继电器模块；
五个超声信号产生模块，其输出端分别通过第一继电器模块与输入隔离模块选择性连接，用于分别输出不同频率的超声驱动信号；
第一继电器模块，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的超声信号产生模块和输入隔离模块；
输入隔离模块，其输出端与功率放大模块相连接，用于驱动功率放大模块正常工作；
功率放大模块，其输出端通过第二继电器模块分别与第一匹配变压器和第二匹配变压器选择性连接；
第二继电器模块，用于接收相应的切换控制信号并选择接通功率放大模块和相应的第一匹配变压器或第二匹配变压器；
五个匹配电感，其分别与五个超声信号产生模块一一对应，并且其中三个匹配电感的输入端分别通过第三继电器模块与第一匹配变压器选择性连接，另外两个匹配电感的输入端分别通过第三继电器模块与第二匹配变压器选择性连接，五个匹配电感的输出端分别与相应的换能器阵相连接，用于对相对应的换能器阵进行调谐匹配；
第一匹配变压器和第二匹配变压器，用于改变相对应的换能器阵的阻抗，使其与信源阻抗相匹配，保证相对应的换能器阵获得最大的电功率；
第三继电器模块，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的匹配电感和第一匹配变压器；还用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的匹配电感和第二匹配变压器。
进一步，所述的五个超声信号产生模块分别为第一超声信号产生模块、第二超声信号产生模块、第三超声信号产生模块、第四超声信号产生模块和第五超声信号产生模块，所述的第一超声信号产生模块输出频率为20KHz的超声驱动信号，第二超声信号产生模块输出频率为40KHz的超声驱动信号，第三超声信号产生模块输出频率为80KHz的超声驱动信号，第四超声信号产生模块输出频率为160KHz的超声驱动信号，第五超声信号产生模块输出频率为200KHz的超声驱动信号。
进一步，所述的五个匹配电感分别为第一匹配电感、第二匹配电感、第三匹配电感、第四匹配电感和第五匹配电感，第一匹配电感和第一超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为20KHz，第二匹配电感和第二超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为40KHz，第三匹配电感和第三超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为80KHz，第四匹配电感和第四超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为160KHz，第五匹配电感和第五超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为200KHz。
进一步，所述的输入隔离模块由驱动电路和隔离变压器连接而成。
进一步，功率放大模块采用半桥型超声功率放大电路。
更进一步，能器阵由多个换能器组成，并且每个换能器由多片压电陶瓷片并联而成。
采用了上述技术方案后，由于采用自适应技术对不同的水下构建物和不同状态可以利用不同频段下的五种频率(可以是20kHz、40kHz、80kHz、160kHz和200kHz)的换能器阵进行水下构建物清洗污垢效果研究，突出了清洗效果的有效性和对比性，且本发明的多频率超声清洗效果实验平台具有结构简单、成本低、节能、操作方便和清洗效果明显且易于对比等特点，在超声清洗技术研究方面具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的多频率超声清洗效果实验平台的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种多频率超声清洗效果实验平台，它包括核心控制模块、第一继电器模块1、第二继电器模块2、第三继电器模块3、输入隔离模块、功率放大模块、第一匹配变压器、第二匹配变压器、五个超声信号产生模块、五个匹配电感和五个换能器阵4；其中，
核心控制模块，其信号输出端分别与超声信号产生模块、第一继电器模块1、第二继电器模块2、第三继电器模块3的控制信号输入端相连接，用于根据输入的工作频率选择信号产生相应的切换控制信号分别传递给第一继电器模块1、第二继电器模块2和第三继电器模块3；
五个超声信号产生模块，其输出端分别通过第一继电器模块1与输入隔离模块选择性连接，用于分别输出不同频率的超声驱动信号；
第一继电器模块1，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的超声信号产生模块和输入隔离模块，从而选择超声驱动信号的频率，第一继电器模块1的公共端口连接输入隔离模块，五个选择端口分别连接五个超声信号产生模块，其由核心控制模块控制。
输入隔离模块，其输出端与功率放大模块相连接，用于将超声驱动信号进行前级放大并将超声信号产生模块与功率放大模块隔离，从而驱动功率放大模块正常工作；
功率放大模块，其输出端通过第二继电器模块2分别与第一匹配变压器和第二匹配变压器选择性连接，用于对超声驱动信号进行功率放大；
第二继电器模块2，用于接收相应的切换控制信号并选择接通功率放大模块和相应的第一匹配变压器或第二匹配变压器；第二继电器模块2的公共端口连接功率放大模块，两个选择端口分别连接第一匹配变压器和第二匹配变压器，其由核心控制模块控制。
五个匹配电感，其分别与五个超声信号产生模块一一对应，并且其中三个匹配电感的输入端分别通过第三继电器模块3与第一匹配变压器选择性连接，另外两个匹配电感的输入端分别通过第三继电器模块3与第二匹配变压器选择性连接，五个匹配电感的输出端分别与相应的换能器阵4相连接，用于对相对应的换能器阵4进行调谐匹配，使相对应的换能器阵4电路趋于纯阻性；
第一匹配变压器和第二匹配变压器，用于改变相对应的换能器阵4的阻抗，使其与信源阻抗相匹配，保证相对应的换能器阵4获得最大的电功率；
第三继电器模块3，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的匹配电感和第一匹配变压器；还用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的匹配电感和第二匹配变压器。
核心控制模块以MSP430F149单片机为核心，根据按键输入的信息来控制三个继电器模块的通断方式，从而实现选择所需频率的超声信号驱动超声换能器工作的功能。
五个超声信号产生模块分别为第一超声信号产生模块、第二超声信号产生模块、第三超声信号产生模块、第四超声信号产生模块和第五超声信号产生模块，所述的第一超声信号产生模块输出频率为20KHz的超声驱动信号，第二超声信号产生模块输出频率为40KHz的超声驱动信号，第三超声信号产生模块输出频率为80KHz的超声驱动信号，第四超声信号产生模块输出频率为160KHz的超声驱动信号，第五超声信号产生模块输出频率为200KHz的超声驱动信号。
五个匹配电感分别为第一匹配电感、第二匹配电感、第三匹配电感、第四匹配电感和第五匹配电感，第一匹配电感和第一超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为20KHz，第二匹配电感和第二超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为40KHz，第三匹配电感和第三超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为80KHz，第四匹配电感和第四超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为160KHz，第五匹配电感和第五超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为200KHz。五个匹配电感可以采用PQ-28型骨架、E-E型铁氧体、丝包线绕制而成。
五个超声信号产生模块均具有SG3525芯片，通过改变芯片第6脚的电阻值，产生20kHz、40kHz、80kHz、160kHz和200kHz五种频率的超声驱动信号。
输入隔离模块由驱动电路和隔离变压器连接而成，输入隔离模块以TIP122芯片NPN达林顿功率晶体管和TIP127芯片PNP达林顿功率晶体管为核心的驱动电路构成，达到驱动MOSFET的目的，输入隔离模块中含有采用PQ-26型骨架、E-E型磁芯、0.27mm直径漆包线绕制、原副线圈匝数比为1:1的隔离变压器，来避免前、后级电路信号的干扰。
功率放大模块采用半桥型超声功率放大电路，将五种不同频率的超声驱动信号功率放大到100W。
换能器阵4可以由多个换能器组成，并且每个换能器由多片压电陶瓷片并联而成。本实施例的换能器阵4由3×3换能器阵列组成，中心频率分别为20kHz、40kHz、80kHz、160kHz和200kHz，实现与相应的换能器阵4静态电容C0调谐匹配。用于将超声频率电信号转化为超声机械振动，并带动防水外壳振动，从而在水中产生超声空化作用，剥落构建物上的污垢，达到清洗的目的。
第一匹配变压器可以用PQ-28型骨架、E-E型铁氧体、丝包线绕制而成的变压器，在频率为20kHz、40kHz和80kHz时实现后端相应换能器阵4电路与前端电路的阻抗匹配。
第二匹配变压器可以采用PQ-28型骨架、E-E型铁氧体、丝包线绕制而成的变压器，在频率为160kHz和200kHz时实现后端相应换能器阵4电路与前端电路的阻抗匹配。
第三继电器模块3在频率为20kHz、40kHz和80kHz时，其上部公共端口连接第一匹配变压器，相应的三个选择端口分别连接第一匹配电感、第二匹配电感、第三匹配电感，其由核心控制模块控制，第三继电器模块3在频率为160kHz、和200kHz时，其下部公共端口连接第二匹配变压器，相应的两个选择端口分别连接第四匹配电感、第五匹配电感，其由核心控制模块控制。
本发明的工作原理如下：
在实验五频可切换超声清洗实验研究时，根据需要选择实验用超声信号频率。通过核心控制模块设置所选的超声驱动信号频率，核心控制模块控制相应的超声信号产生模块和第一继电器模块1协调工作，同时控制第二继电器模块2和第三继电器模块3连接相应的第一匹配变压器或第二匹配变压器，和相应的匹配电感。超声信号产生模块产生与所选频率相对应的两路同频反相峰值为5V的单极方波信号，经第一继电器模块1输出给输入隔离模块中的驱动电路，两路同频反相峰值为5V的单极方波信号经放大整形为一路峰值为12V的双极方波信号，信号经由匝数比为1:1的隔离变压器分成两路同频反相信号，驱动与其相连的功率放大模块。功率放大模块的输出端连接第二继电器模块2，第二继电器模块2的选择输出端选通第一匹配变压器或第二匹配变压器，功率放大模块的电源电压为310V，第一匹配变压器和第二匹配变压器用于实现与换能器阵4的阻抗匹配，第一匹配变压器的输出端连接第三继电器模块3的上公共端口，相应的选择端口连接第一匹配电感、第二匹配电感和第三匹配电感；第二匹配变压器的输出端连接第三继电器模块3的下公共端口，相应的选择端口连接第四匹配电感和第五匹配电感。核心控制模块将控制第二继电器模块2和第三继电器模块3选择设定的信号传输路径，第三继电器模块3的各选择端口与各匹配电感相连接，通过选通相应的匹配电感与相应的换能器阵4相连接，实现调谐匹配。相应的换能器阵4将输入的超声电信号转化为超声机械振动，从而使换能器阵4前后的水发生超声空化效应，对待清洗物的表面进行超声清洗。改变所选超声波的频率，重复以上过程，对污垢清洗效果进行针对性探究。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多频率超声清洗效果实验平台，其特征在于：它包括核心控制模块、第一继电器模块(1)、第二继电器模块(2)、第三继电器模块(3)、输入隔离模块、功率放大模块、第一匹配变压器、第二匹配变压器、五个超声信号产生模块、五个匹配电感和五个换能器阵(4)；其中，
核心控制模块，其信号输出端分别与超声信号产生模块、第一继电器模块(1)、第二继电器模块(2)、第三继电器模块(3)的控制信号输入端相连接，用于根据输入的工作频率选择信号产生相应的切换控制信号分别传递给第一继电器模块(1)、第二继电器模块(2)和第三继电器模块(3)；
五个超声信号产生模块，其输出端分别通过第一继电器模块(1)与输入隔离模块选择性连接，用于分别输出不同频率的超声驱动信号；
第一继电器模块(1)，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的超声信号产生模块和输入隔离模块；
输入隔离模块，其输出端与功率放大模块相连接，用于驱动功率放大模块正常工作；
功率放大模块，其输出端通过第二继电器模块(2)分别与第一匹配变压器和第二匹配变压器选择性连接；
第二继电器模块(2)，用于接收相应的切换控制信号并选择接通功率放大模块和相应的第一匹配变压器或第二匹配变压器；
五个匹配电感，其分别与五个超声信号产生模块一一对应，并且其中三个匹配电感的输入端分别通过第三继电器模块(3)与第一匹配变压器选择性连接，另外两个匹配电感的输入端分别通过第三继电器模块(3)与第二匹配变压器选择性连接，五个匹配电感的输出端分别与相应的换能器阵(4)相连接，用于对相对应的换能器阵(4)进行调谐匹配；
第一匹配变压器和第二匹配变压器，用于改变相对应的换能器阵(4)的阻抗，使其与信源阻抗相匹配，保证相对应的换能器阵(4)获得最大的电功率；
第三继电器模块(3)，用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的匹配电感和第一匹配变压器；还用于接收相应的切换控制信号并选择接通相应的匹配电感和第二匹配变压器；
所述的五个超声信号产生模块分别为第一超声信号产生模块、第二超声信号产生模块、第三超声信号产生模块、第四超声信号产生模块和第五超声信号产生模块，所述的第一超声信号产生模块输出频率为20KHz的超声驱动信号，第二超声信号产生模块输出频率为40KHz的超声驱动信号，第三超声信号产生模块输出频率为80KHz的超声驱动信号，第四超声信号产生模块输出频率为160KHz的超声驱动信号，第五超声信号产生模块输出频率为200KHz的超声驱动信号；
所述的五个匹配电感分别为第一匹配电感、第二匹配电感、第三匹配电感、第四匹配电感和第五匹配电感，第一匹配电感和第一超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为20KHz，第二匹配电感和第二超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为40KHz，第三匹配电感和第三超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为80KHz，第四匹配电感和第四超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为160KHz，第五匹配电感和第五超声信号产生模块相对应，并且其谐振频率为200KHz。
2.根据权利要求1所述的多频率超声清洗效果实验平台，其特征在于：所述的输入隔离模块由驱动电路和隔离变压器连接而成。
3.根据权利要求1或2所述的多频率超声清洗效果实验平台，其特征在于：所述的功率放大模块采用半桥型超声功率放大电路。
4.根据权利要求1所述的多频率超声清洗效果实验平台，其特征在于：换能器阵(4)由多个换能器组成，并且每个换能器由多片压电陶瓷片并联而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160706 Termination date: 20181111 |
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