畢業(yè)論文--嵌入式超聲波除垢器(含外文翻譯）

1、<p><b>　　嵌入式超聲波除垢器</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，功率超聲學(xué)的創(chuàng)新和開發(fā)應(yīng)用已在工業(yè)處理的各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)中，管道結(jié)垢普遍存在，它影響生產(chǎn)，浪費(fèi)能源，己成為造成管道報(bào)廢的主要原因?；瘜W(xué)防除垢方法成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染

2、比較嚴(yán)重。近年來為了提高除垢的效率人們正在不斷探索新的除垢方法，超聲波除垢正是在這種背景下發(fā)展起來的。</p><p>　　超聲波除垢器是利用超聲波在傳播過程中的空化效應(yīng)，剪切效應(yīng)和抑制效應(yīng)等物理特性，通過改變水的物理結(jié)構(gòu)，達(dá)到防垢、除垢的效果。它具有節(jié)能、免拆卸、無污染、使用簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。目前的超聲波除垢己經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，并己在石油、電力等工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，現(xiàn)正向人們息息相關(guān)的生活領(lǐng)域拓展，超聲波除垢已經(jīng)

3、成為超聲的一項(xiàng)重要技術(shù)。</p><p>　　文中首先對(duì)超聲波除垢技術(shù)的基本原理和現(xiàn)階段的研究情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，分析了它的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)傳統(tǒng)的除垢方法不能在線除垢的問題，提出了一種具有在線除垢特點(diǎn)的超聲波除垢器。本設(shè)計(jì)是以STC12C2052AD單片機(jī)為核心控制器，通過SG3525控制IGBT開關(guān)來驅(qū)動(dòng)超聲波振蕩器以達(dá)到在線除垢；本文從控制超聲波振蕩系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)超聲波發(fā)生器工作原理，硬件電路部分及軟件部

4、分進(jìn)行了解釋和分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞 超聲波；單片機(jī)；除垢 </p><p>　　Embedded Ultrasonic Cleaning Device</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Following the development of electronic

5、 technology and computer technology,the innovation and application of power ultrasonics already more and more remarkably reflect in each domain of industry processing.In the industrial production, The pipeline scaling ge

6、nerally exists.It seriously influences product process,wastes energy,and brings the pipeline discards.The cost of chemistry guarding against the scale is high,and it needs lots of labors,causes serious pollution.In recen

7、t years the people un</p><p>　　Ultrasonic eliminating scale apparatus uses physical property of ultrasonic wave in spreading process, changing water physical structure to eliminating scale. There are some vi

8、rtues in it, such as simple convenience, energy conservation, and no pollution. In present ultrasonic eliminating scale has been widely approval, and apply in some industry domains such as petroleum,electric power.Right

9、now,it is applying to the life domain which is closely linked to the people develops. Ultrasonic elimina</p><p>　　This paper mainly studies the control system of ultrasonic eliminating and the basic principl

10、es of technology, and analysis the trends in its development at this stage.Aiming at the problem that traditional scale removal methods can’t perform online scale removal, a method used ultrasonic online scale removal is

11、 proposed. This design takes STC12C2052AD microcomputer as core controller, achieving online scale removal by controlling ultrasonic; at the same time, ultrasonic scale removal mechanism </p><p>　　Keywords

12、Ulrtasonic;Singlechip;Eiminating Scale </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></

13、p><p>　　1.1 論文的選題背景1</p><p>　　1.1.1 課題的提出1</p><p>　　1.2 課題研究的意義1</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.2 國外研究現(xiàn)狀3</p&

14、gt;<p>　　1.3.3 超聲波發(fā)展歷史和趨勢(shì)4</p><p>　　1.4 超聲波除垢的優(yōu)勢(shì)5</p><p>　　1.5 論文的主要工作7</p><p>　　第2章 超聲波除垢器的研究與分析8</p><p>　　2.1 超聲波及超聲波除垢簡(jiǎn)介8</p><p>　　2.1.1 超聲波

15、簡(jiǎn)介8</p><p>　　2.1.2 超聲波除垢的原理8</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.2.1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)介9</p><p>　　2.2.2 超聲波電源設(shè)計(jì)方案10</p><p>　　2.3 超聲波電源的主要參數(shù)選擇10</p><p

16、>　　2.4 本章小結(jié)10</p><p>　　第3章 硬件設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 主電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1.1 電源部分12</p><p>　　3.1.2 IGBT控制部分15</p><p>　　3.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)18</p><p>

17、　　3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原則19</p><p>　　3.2.2 光電耦合器19</p><p>　　3.3 控制電路20</p><p>　　3.3.1 STC12C2052AD單片機(jī)簡(jiǎn)介21</p><p>　　3.3.2 PWM調(diào)制技術(shù)的控制芯片24</p><p>　　3.3.3 MAX232的

18、在系統(tǒng)可編程28</p><p>　　3.4 本章小結(jié)30</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)的總體思路31</p><p>　　4.2 主程序的設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.3 初始化程序32</p><p>　　4.3.1 A/D轉(zhuǎn)

19、換32</p><p>　　4.3.2 中斷程序控制33</p><p>　　4.4 本章小結(jié)35</p><p><b>　　結(jié)論36</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b>&

20、lt;/p><p><b>　　附錄A40</b></p><p><b>　　附錄B43</b></p><p><b>　　附錄C46</b></p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把

21、上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　論文的選題背景</b></p><p><b>　　課題的提出</b></p><p>　　熱交換裝置管壁上堅(jiān)硬沉積物(水垢)會(huì)大大降低交換器的參數(shù)，因而不得不進(jìn)行清

22、洗。傳統(tǒng)的清洗方法有機(jī)械清洗法和化學(xué)清洗法。不管使用機(jī)械法或者化學(xué)法，都必須使換熱裝置停止運(yùn)行，部分拆開，并使用相當(dāng)有害的化學(xué)藥劑如鹽酸進(jìn)行清洗。熱交換裝置的數(shù)量很多，其中許多體積巨大，又缺乏足夠的優(yōu)質(zhì)的化學(xué)處理過的水(尤其是在那些遠(yuǎn)離工業(yè)中心的地區(qū))，因而清洗熱交換器以及把使用過的清洗藥劑無害化處理的費(fèi)用極其巨大。除此之外，用傳統(tǒng)方法清洗熱交換器水垢的工作既骯臟，又有害于工人的健康。</p><p>　　與水垢

23、作斗爭(zhēng)的另一方法，是防止水垢形成。傳統(tǒng)的防水垢方法是對(duì)水進(jìn)行化學(xué)處理，即用鈉陽離子交換法把水中的硬質(zhì)鹽分離出去。為了保證交換床的工作，必須定期更換用于水處理的樹脂，并對(duì)排出物進(jìn)行無害化處理。但是，即便花費(fèi)了大量資金建起水處理設(shè)備，并使其運(yùn)行，也不能產(chǎn)生百分之百的除垢效果，因?yàn)樵谒型ǔ＿€含有其他非離子交換床所能濾掉的物質(zhì)，如鐵的化合物等?，F(xiàn)急需研制出一種無需停機(jī)而且效率要高的除垢手段[1]。</p><p>&l

24、t;b>　　課題研究的意義</b></p><p>　　工業(yè)過程中，由于金屬腐蝕、無機(jī)鹽結(jié)晶、有機(jī)物聚合、固體顆粒沉積等原因造成的設(shè)備管路內(nèi)部結(jié)垢在所難免。污垢的產(chǎn)生和積累，可能導(dǎo)致管路堵塞、設(shè)備腐蝕加劇、換熱效率降低等許多問題。阻垢、除垢已成為一些企業(yè)保證安全、穩(wěn)定生產(chǎn)亟待解決的難題。傳統(tǒng)的阻垢(如投加阻垢劑)與除垢(如機(jī)械清洗、化學(xué)清洗)方法，因其對(duì)生產(chǎn)過程和時(shí)間的影響及相對(duì)較大的工作勞動(dòng)強(qiáng)

25、度，使它們的應(yīng)用受到一定限制。</p><p>　　在石油開采中，隨著溫度、壓力的下降，地層水中的各種成垢鹽將在井底的設(shè)備和管線內(nèi)發(fā)生沉積。油井的結(jié)垢會(huì)影響油井的產(chǎn)量．嚴(yán)重的甚至堵塞管線，使井底泵不能輸出油。而且由于目前油田開采多采用注水法，因此，在注水管道中結(jié)有大量的垢(如碳酸鈣，硫酸鈣，硫酸鋇等)，造成注水系統(tǒng)的流量減小，極大的影響了生產(chǎn)效率，浪費(fèi)了能源；同時(shí)石油在管道輸送的過程中也非常容易沉積結(jié)垢，并且由于

26、結(jié)垢，大量的生產(chǎn)設(shè)備不得不提前報(bào)廢，也使油田蒙受了財(cái)產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的防垢除垢方法(主要是化學(xué)方法)成本高，效率低，有污染，已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。隨著綠色環(huán)保理念越來越深入人心，開始大量采用新型無污染的防垢除垢技術(shù)。超聲波防垢除垢技術(shù)近年來得到了廣泛的應(yīng)用。所謂超聲波是指頻率高于20KHZ的機(jī)械波，它具有傳播方向性好、穿透力強(qiáng)、在固體和液體中傳播衰減小等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)伴隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，在解決了設(shè)備體積過大，不穩(wěn)定、壽命短等問題后，

27、超聲波防垢除垢技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、機(jī)械、醫(yī)療、環(huán)保、計(jì)量檢測(cè)等諸多行業(yè)。超聲波阻垢與除垢技術(shù)實(shí)現(xiàn)了阻垢與除垢的連續(xù)在線操作，自動(dòng)化程度高，工作性能可靠，不需要化學(xué)藥劑，對(duì)環(huán)境無污染，因此</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域相互滲透,使超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、化工、醫(yī)學(xué)、石油化工等許多領(lǐng)域。超聲波作為一種特殊的能量輸入方式,所具有的高效能在材料化學(xué)中起到光、電、熱方法所無法達(dá)到的作用。

28、而超聲波除垢，可謂是一種操作簡(jiǎn)單，效率又高的一種除垢方法。當(dāng)然超聲防垢研究包括了超聲學(xué)、物理化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科的問題，是各學(xué)科綜合應(yīng)用的結(jié)果。所以我們只有很好的把各學(xué)科結(jié)合起來，尋找更有利于除垢的途徑，相信不久的將來超聲除垢技術(shù)將會(huì)給現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)帶來巨大的變革。雖然，超聲波防垢除垢技術(shù)在油田有著很好的應(yīng)用前景，但是，目前針對(duì)油田特殊工作環(huán)境和要求設(shè)計(jì)的超聲波防垢除垢設(shè)備卻很少。若能開發(fā)出專門適用于油田的新型超聲波防垢除垢

29、設(shè)備，將能在油田生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　傳統(tǒng)除垢方法主要有機(jī)械除垢、堿煮、酸洗和有機(jī)除垢劑除垢。不同行業(yè)采取了不同的清垢方式,其方式主要有在線連續(xù)清垢和離線停工清垢兩類。在線連續(xù)清垢的傳統(tǒng)方法有注入阻垢劑法、涂料法、永磁法、電磁法及高頻法。其中阻垢劑需要連續(xù)注入,每次用量難以把握,清垢效果時(shí)好

30、時(shí)壞；涂料法對(duì)涂料工藝要求高且價(jià)格昂貴,若達(dá)不到工藝要求,會(huì)造成涂料脫落,起不到防垢作用;而后三種方法因成本高或?qū)嵤├щy,因此不能有效地解決實(shí)際問題。離線停工清垢常常是在計(jì)劃外停工、裝置局部停工或各設(shè)備切換條件下進(jìn)行,而傳統(tǒng)采用的各種手段,如高壓水噴射(機(jī)械清垢法)和化學(xué)清洗劑(化學(xué)清垢法)等,也只是治標(biāo)不治本,不但給生產(chǎn)造成了影響,同時(shí)會(huì)增加計(jì)劃外費(fèi)用、磨損腐蝕設(shè)備、污染區(qū)域環(huán)境、損害工人健康等。在線除垢將是今后主要發(fā)展方向[3]。&

31、lt;/p><p>　　超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械以及材料為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一。目前,超聲技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。超聲技術(shù)是通過聲波的產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的,它的應(yīng)用研究正是結(jié)合超聲波之獨(dú)有特性而展開的。由于超聲波防垢除垢主要是依賴于空化效應(yīng)的物理作用而非化學(xué)反應(yīng)，以純水或水進(jìn)行在線防垢除垢成為了可能，這不僅能有效降低成本，而且在環(huán)保領(lǐng)域也有非常重要的意義。上述種種優(yōu)點(diǎn)使超聲波在管道

32、防垢除垢領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。盡管如此，在實(shí)際應(yīng)用中仍有一些問題未得到有效的解決：</p><p><b>　　1. 噪聲污染</b></p><p>　　超聲波防垢除垢設(shè)備工作時(shí)往往產(chǎn)生較大的噪聲，雖然可以通過提高頻率來降低噪聲，但是也降低了空化強(qiáng)度，影響了防垢除垢效率。</p><p><b>　　2. 空化腐蝕&

33、lt;/b></p><p>　　超聲波換能器往往自身在工作時(shí)也要受到空化效應(yīng)的腐蝕，結(jié)果縮短了換能器的壽命。對(duì)此可采用耐腐蝕的高性能材料；另一方面，改變換能器的結(jié)構(gòu)及其在工作環(huán)境(管道)中的分布也是一種有效的解決辦法。</p><p><b>　　3. 降低功率損耗</b></p><p>　　利用先進(jìn)的變換技術(shù)，如軟開關(guān)技術(shù)，改善功率

34、開關(guān)的工作狀態(tài)，降低功率開關(guān)元件的損耗和在開關(guān)過程中產(chǎn)生的干擾。另外，如何進(jìn)一步提高換能器的穩(wěn)定性和電聲轉(zhuǎn)換效率也是迫切需要解決的問題。</p><p><b>　　國內(nèi)研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　在國內(nèi)，陳先慶將UPP超聲波介質(zhì)處理器用于四川石油局川西南礦43號(hào)站污水回注管線的阻垢。該站回注水礦化度約為200mg/L，通常0.5a可將φl05mm的管線全部

35、堵塞。采用超聲波處理后，泵壓從原來的3.0～4.0MPa降至1.1MPa左右．被保護(hù)管線出口處污水礦化度高于入口處。這說明管內(nèi)污水在輸送過程中，不僅沒有沉積出垢塊，而且管內(nèi)原有垢物也逐漸剝落．阻垢與除垢效果十分明顯。張錫波等對(duì)孤島油田墾利聯(lián)合站長(zhǎng)距離輸液管線進(jìn)行了超聲波處理。由于油水混合液中水的礦化度極高．達(dá)到6000mg/L以上．處理前更換管線時(shí)發(fā)現(xiàn)垢厚已達(dá)2cm。經(jīng)超聲波處理一個(gè)月以后．壓力穩(wěn)定在2.36MPa，加熱爐、多孔濾板、輸

36、液泵均無明顯的結(jié)垢現(xiàn)象。但目前國內(nèi)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究還處于剛剛起步階段，只有中科院、南京大學(xué)，華中科技大學(xué)，中國科學(xué)院等?？傮w來說超聲波除垢還處于研究狀態(tài)，產(chǎn)品還不是特別成熟，有的還處于研發(fā)狀態(tài)。造成該局面的問題除了我國在該研究方向起步比較晚以外，還有二個(gè)重要的客觀原因：一是隨著人們對(duì)可用能源緊張局面的從新認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了新型可靠的大功率開關(guān)管技術(shù)的發(fā)展，僅十幾年推出了性能較好的開關(guān)管IGBT（Ins</p><p>

37、<b>　　國外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　美國和前蘇聯(lián)，均有采用超聲波對(duì)油井進(jìn)行阻垢處理的先例，效果良好。美國曾在德克薩斯州9個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)油區(qū)，對(duì)240km2范圍內(nèi)的2l口油井進(jìn)行了超聲波處理，顯著提高了這些油井產(chǎn)量，投資效益比達(dá)到l.0:7.75。前蘇聯(lián)在曼格什拉克、西西伯利亞、格魯吉亞等油田采用頻率12-80KHZ、聲強(qiáng)為1-2W/cm2的超聲波對(duì)18口油井進(jìn)行了處理，每日可凈

38、增產(chǎn)原油202t，平均增油率為73％。前蘇聯(lián)蘇阿姆斯庫地區(qū)油田水的硬度為595mg/L，地面鹽垢的沉積速度達(dá)到lmm/d，這使得φl02mm的管線在開工2-3個(gè)月內(nèi)就被完全堵死了[28-29]。在管道內(nèi)安裝了連續(xù)工作的磁性伸縮式超聲波發(fā)生裝置后，管道運(yùn)行通暢?？偟膩碚f俄羅斯等一些國家在此方面的研究已經(jīng)比較深人，生產(chǎn)出的一些除垢器，在實(shí)際應(yīng)用中也已顯示出了超聲除垢的優(yōu)越性，這些都是我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和借鑒的地方。</p><

39、p>　　超聲波發(fā)展歷史和趨勢(shì)</p><p>　　超聲技術(shù)是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超聲波作為一種能量形式，通過它或它引起的超聲空化，與傳聲媒介相互作用而產(chǎn)生的種種效應(yīng)，己經(jīng)在物理、化學(xué)、生物以及醫(yī)藥等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)中展示出十分廣闊的前景。利用超聲的高頻率、大功率以及高強(qiáng)度去改變作為媒介的物質(zhì)的特性，采用合適的聲參數(shù)和聲波形會(huì)產(chǎn)生其他手段

40、所達(dá)不到的效果。超聲對(duì)媒介具有機(jī)械作用、熱作用、生物醫(yī)學(xué)作用以及化學(xué)作用等。用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用稱功率超聲。功率超聲是超聲學(xué)中，研究超聲能量對(duì)物質(zhì)進(jìn)行處理的一個(gè)學(xué)科分支。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一，目前，超聲技術(shù)的研究和應(yīng)用的范圍，己經(jīng)從船舶、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域擴(kuò)大到二十多個(gè)工業(yè)部門，并取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。</p><p>　　超聲技術(shù)出現(xiàn)在二十世紀(jì)

41、初期，近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展表明，超聲技術(shù)是聲學(xué)發(fā)展中最為活躍的一個(gè)部分，如今它已經(jīng)滲透到國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)、人民生活和科學(xué)技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。1995年9月在德國召開的首屆世界超聲學(xué)大會(huì)，集中體現(xiàn)了超聲學(xué)發(fā)展的這一強(qiáng)勁勢(shì)頭?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn):一定頻率范圍內(nèi)的超聲波，作用于液體介質(zhì)里，可以達(dá)到清洗的作用。經(jīng)過一段時(shí)間的研究和試驗(yàn)，不僅得到了滿意的效果，而且發(fā)現(xiàn)其清洗效率極高，由此超聲波清洗機(jī)被逐漸運(yùn)用于各行各業(yè)中去。在應(yīng)用初期，由于電子工業(yè)的限制，超

42、聲波清洗設(shè)備電源的體積比較龐大，穩(wěn)定性及使用壽命不太理想，價(jià)格昂貴，一般的工礦企業(yè)難以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然讓部分實(shí)力雄厚的國有企業(yè)一見傾心。隨著電廣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，新一代的電子元器件層出不窮，應(yīng)用新的電子線路以及新的電子元器件，超聲波電源的穩(wěn)定性及使用壽命進(jìn)一步的提高，體積減小，價(jià)格逐漸降低。二十世紀(jì)八十年代末，第三代超聲波電源問世，即逆變電源，應(yīng)用最新IGBT元件，新的超聲波電源具有體積小，可靠性高，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，清洗

43、效率得以進(jìn)一步提高，而價(jià)格也降到了大部分企業(yè)可以接受的程度。在國民經(jīng)濟(jì)中，超聲波清洗對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)</p><p>　　超聲阻垢技術(shù)作為現(xiàn)代的一種環(huán)保、高效的先進(jìn)技術(shù)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但是由于目前超聲除垢的機(jī)理及影響因素研究的還不是很深人，除垢器的設(shè)計(jì)也沒能達(dá)到完善的程度，當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域也比較窄，因此有許多問題正等待著專家和學(xué)者去研究[6]。比如不同的管流及換熱器件有其特定的結(jié)構(gòu)，結(jié)垢物質(zhì)，結(jié)垢速度，結(jié)垢程度

44、也大不相同，另外不同的設(shè)備有不同的結(jié)垢形態(tài)，而且有的換熱工作表面聲波不能波及，因此超聲設(shè)備的最佳參數(shù)，設(shè)施部位和安裝方法等都十分重要，這些就必須在理論研究的指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐來選擇、調(diào)整。因此發(fā)展總的趨勢(shì)是向著輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展，并以提高可靠性為前提，融入數(shù)字化控制和優(yōu)化控制，來增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p><b>　　超聲波除垢的優(yōu)勢(shì)</b></p>

45、<p>　　相比其他多種的除垢方式，超聲波除垢顯示出了巨大的優(yōu)越性，尤其在專業(yè)化、集團(tuán)化的生產(chǎn)企業(yè)中，己逐漸用超聲波除垢器取代了傳統(tǒng)的浸洗、刷洗、壓力沖洗、振動(dòng)清洗和蒸汽清洗等工藝方法，超聲波除垢器的高效率和高清潔度，得益于其聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的穿透性和空化沖擊波，所以很容易將帶有復(fù)雜外形，內(nèi)腔和細(xì)孔的零部件清洗干凈，對(duì)一般的除油、防銹、磷化等工藝過程，在超聲波作用下只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍，甚至

46、幾十倍，清潔度也能達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，這在許多對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量和生產(chǎn)率要求較高的場(chǎng)合，更突出地顯示了用其它處理方法難以達(dá)到或不可取代的結(jié)果。超聲波清洗具有清洗潔凈度高、清洗速度快等特點(diǎn)。特別是對(duì)盲孔和各種幾何狀物體，獨(dú)有其他除垢手段所無法達(dá)到的洗凈效果。表1-1為各種除垢方式的比較[11]。</p><p>　　表1-1 超聲波清洗與其他清洗的比較</p><p><b>　　續(xù)表1<

47、;/b></p><p><b>　　論文的主要工作</b></p><p>　　綜上所述，超聲波除垢是一項(xiàng)新興的除垢技術(shù)，現(xiàn)階段國內(nèi)對(duì)此技術(shù)還處于研究階段。因此本課題在了解超聲波技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用以及超聲波除垢機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一套新型超聲波防垢除垢器，并提出了合理的控制策略，當(dāng)然超聲波除垢的發(fā)展還有很大的發(fā)展空間和挑戰(zhàn)。針對(duì)傳統(tǒng)的除垢方法不能在線除垢的

48、問題，提出了一種具有在線除垢特點(diǎn)的超聲波除垢器，本論文主要完成以下幾項(xiàng)工作：</p><p>　　1. 通過對(duì)超聲波防垢除垢機(jī)理的研究，了解超聲波空化作用產(chǎn)生的條件和空化氣泡的運(yùn)動(dòng)過程，以及磁致伸縮超聲波換能器的工作原理。</p><p>　　2. 以理論分析結(jié)果為依據(jù)，構(gòu)建控制系統(tǒng)的架構(gòu)，控制部分以單片機(jī)構(gòu)成</p><p>　　系統(tǒng)為核心，電源部分即由整流濾波電

49、路、IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、及由單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　3. 數(shù)字PWM信號(hào)發(fā)生器研究與設(shè)計(jì)；</p><p>　　4. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　超聲波除垢器的研究與分析</p><p>　　隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，功率超聲學(xué)的創(chuàng)新和開發(fā)應(yīng)用已越來越顯著地反映在工業(yè)處理的各個(gè)領(lǐng)域。超聲

50、波除垢是功率超聲的一種很重要的應(yīng)用，它與超聲無損檢測(cè)不同，需要產(chǎn)生功率很大的超聲波，但超聲的頻率不高一般在18KHZ到25KHZ。為了更好的對(duì)超聲波除垢器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所具有功能有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。</p><p>　　超聲波及超聲波除垢簡(jiǎn)介</p><p><b>　　超聲波簡(jiǎn)介</b></p><p>　　所

51、謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺可以聽到20-20KHZ的聲波，低于20HZ的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過20KHZ的聲波稱為超聲波。超聲波是聲波大家族中的一員。聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)或能量的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)[4]。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20KHZ以上的，其每秒的振動(dòng)次數(shù)(頻率)甚高，超出了人耳

52、聽覺的上限(20KHZ)，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。</p><p>　　超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長(zhǎng)短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。</p><p>　　超聲波具有如下特性:</p><p>　　1. 超聲波可在氣體、液體、

53、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。</p><p>　　2. 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。</p><p>　　3. 超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。</p><p>　　4. 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。</p><p><b>　　超聲波除垢的原理</b></p>&l

54、t;p>　　超聲波除垢器主要是利用超聲波強(qiáng)聲場(chǎng)處理流體，使流體中成垢物質(zhì)在超聲場(chǎng)的作用下，其物理形態(tài)和性能發(fā)生一系列變化，使之分散、粉碎、松散、松脫而不易附著管壁形成積垢[20-21]。超聲波的除垢機(jī)理主要表現(xiàn)在:</p><p><b>　　1.“空化”效應(yīng)</b></p><p>　　超聲波的輻射能對(duì)被處理液體介質(zhì)直接產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，也就是把液體拉裂而

55、形成無數(shù)極微小的局部空穴，當(dāng)這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時(shí)，產(chǎn)生一定范圍的強(qiáng)大的壓力峰，這一強(qiáng)壓力峰能使成垢物質(zhì)粉碎懸浮于液體介質(zhì)中，并使已生成的垢層破碎使其易于脫落。</p><p><b>　　2．“活化”效應(yīng)</b></p><p>　　超聲波在液體介質(zhì)中通過空化作用，可以使水分子裂解為H·自由基和HO·自由基，甚至H+和OH-等。而OH-與

56、成垢物質(zhì)離子可形成諸如CaOH，MgOH等的配合物，從而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相對(duì)提高。也就是說，超聲波能提高流動(dòng)液體和成垢物質(zhì)的活性，增大被水分子包裹著的成垢物質(zhì)微晶核的釋放，破壞垢類生成和在管壁沉積的條件，使成垢物質(zhì)在液體中形成分散沉積而不在管壁上形成硬垢。</p><p><b>　　3.“剪切”效應(yīng)</b></p><p>　　水分子裂解產(chǎn)生的活性H自

57、由基的壽命比較長(zhǎng)，它進(jìn)入管道后將產(chǎn)生還原作用，可以使生成的積垢剝落下來。而且因超聲波輻射在垢層和管壁上，加熱管上的吸收和傳播速度不同，產(chǎn)生速度差，形成垢層與管壁界面上的相對(duì)剪切力，從而導(dǎo)致垢層產(chǎn)生疲勞而松脫。</p><p><b>　　4.“抑制”效應(yīng)</b></p><p>　　通過超聲波的作用，改變了液體主體的物理化學(xué)性質(zhì)，縮短了成垢物質(zhì)的成核誘導(dǎo)期，刺激了微小

58、晶核的生成。新生成的這些微小晶核，由于體積小、質(zhì)量輕、表面積大，懸浮于液體中，生成比壁面大得多的界面，有很強(qiáng)的爭(zhēng)奪水中離子的能力，能抑制離子在壁面處的成核和長(zhǎng)大，讓既定結(jié)構(gòu)的晶粒長(zhǎng)大，因此減少了粘附于換熱面上成垢離子的數(shù)量，從而也就減小了積垢的沉積速率。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)液體過飽和系數(shù)一定時(shí)，在同一超聲波參數(shù)下，超聲波作用時(shí)間越長(zhǎng)，則成垢物質(zhì)的成核誘導(dǎo)期越短。此外，超聲波輻射壓力、聲學(xué)毛細(xì)管現(xiàn)象、科努瓦諾夫效應(yīng)和聲流對(duì)積垢生成也有直接的防

59、除效應(yīng)。</p><p><b>　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波除垢以其具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而受到了廣泛的關(guān)注。但由于功率超聲技術(shù)還處于發(fā)展階段，有許多方面還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。為了提高超聲波除垢的效果，這里對(duì)其控制部分進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠隨著可調(diào)負(fù)載的變化來改變自身的頻率，讓超聲系統(tǒng)工作在的換能器的諧振頻率上，使超聲波設(shè)

60、備能夠高效、穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間在線工作。下面對(duì)其原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。</p><p>　　超聲波除垢器由兩部分組成，即超聲電源(超聲波發(fā)生器)和超聲振動(dòng)系統(tǒng)。超聲電源將電網(wǎng)上50HZ交流電變成超聲頻率為20KHZ交流電，超聲振動(dòng)系統(tǒng)將激勵(lì)它的交變電能轉(zhuǎn)換為同頻率的超聲振動(dòng)，再一級(jí)級(jí)放大，最后傳遞給外界負(fù)載做功。</p><p>　　超聲振動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)介</p><p>　

61、　超聲振動(dòng)系統(tǒng)一般包括換能器、變幅桿兩部分，這兩部分均是諧振單元，按統(tǒng)一諧振頻率分別設(shè)計(jì)，然后級(jí)聯(lián)起來。換能器是將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)的環(huán)節(jié)。從物理學(xué)的磁致伸縮效應(yīng)我們知道，如果在換能器兩端加上交流電壓，鐵磁體的體積和長(zhǎng)度就會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)產(chǎn)生出同頻率的機(jī)械變形振動(dòng)，當(dāng)外加的交變電壓與換能器的固有頻率相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅值將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為諧振。對(duì)于普通的換能器，受自身材料和力學(xué)性能的限制其輸出端的位移振幅很小，一般不超過10

62、微米，達(dá)不到工作要求。因此在換能器振子前表面加裝變幅桿，將輸出位移振幅放大，幅值可以達(dá)到幾十微米。</p><p><b>　　超聲波電源設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　超聲波電源的主要起到產(chǎn)生功率電信號(hào)的作用，主電路采用交-直-交結(jié)構(gòu)，包括整流、三端穩(wěn)壓器，逆變器、變壓器及負(fù)載等組成部分。主要使用了單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，電源部分即由整流濾波電路、I

63、GBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、及由單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，使用脈寬調(diào)制控制器進(jìn)行脈寬調(diào)制的移相控制。</p><p>　　超聲波除垢器主要通過控制超聲波振蕩器來除垢。它是利用IGBT做為開關(guān)管，并通過處理器控制SG3525產(chǎn)生的PWM波以實(shí)現(xiàn)控制超聲波振蕩器。原理如圖2-1所示，單相工頻交流電，經(jīng)過全橋整流濾波后，行成直流電壓，送到IGBT，然后控制器產(chǎn)生PWM通過控制驅(qū)動(dòng)電路使得IGBT開關(guān)來控制超聲波振蕩器

64、。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖 2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　超聲波電源的主要參數(shù)選擇</p><p>　　超聲波系統(tǒng)大體由超聲波電源、換能器兩部分組成，超聲波電源是超聲波除垢器的主要的組成部分，其輸出的信號(hào)穩(wěn)定與否直接影響到換能器的輸出和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。超聲波電源的輸入是由系統(tǒng)的輸入所決定的，而超聲波電源的輸出則由超聲波換能器的輸入所

65、決定[10]。</p><p>　　超聲波電源的主要工作參數(shù)如下:</p><p>　　供電電源: AC220V10% 50HZ</p><p>　　工作頻率: 25KHZ3KHZ</p><p>　　輸出功率: 100W</p><p>　　工作方式: 長(zhǎng)期連接在線運(yùn)

66、行</p><p>　　控制方式: 單片機(jī)自動(dòng)控制</p><p>　　工作環(huán)境溫度: -30°C-+50°C</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章全面的介紹了超聲波除垢的原理，對(duì)超聲波除垢器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，對(duì)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇了設(shè)計(jì)方案，確定

67、了電源的主要工作參數(shù)，系統(tǒng)的了解了該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)步驟。</p><p><b>　　硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　隨著功率超聲得到廣泛的關(guān)注，超聲波電源技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。單片機(jī)和脈寬調(diào)制技術(shù)也己經(jīng)在功率超聲中得到了引用。單片機(jī)的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而脈寬調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，則使超聲電源的輸出功率得到了很大的提高，拓寬了功率超聲的應(yīng)用領(lǐng)域。在

68、設(shè)計(jì)電路時(shí)盡可能使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定可靠和具有較好的通用性，當(dāng)然在允許的情況下也要考慮經(jīng)濟(jì)因素來降低成本。</p><p>　　超聲波除垢器的控制部分主要由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路三部分組成。</p><p><b>　　主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主電路主要由三端穩(wěn)壓器，變壓器，橋式整流電路，IGBT驅(qū)動(dòng)模塊組成的，三端穩(wěn)壓

69、器提供所需要的驅(qū)動(dòng)電壓，通過對(duì)探頭1，探頭2的震動(dòng)來進(jìn)行除垢。</p><p>　　主控板的主要功能是產(chǎn)生頻率信號(hào)，并對(duì)換能器的反饋信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，然后根據(jù)處理結(jié)果對(duì)頻率信號(hào)和脈寬調(diào)制過程進(jìn)行一定的調(diào)整，最終使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)最佳的工作狀態(tài)。該主控板使用C51中的STC12C2052AD單片機(jī)作為主要控制芯片。圖3-1為主電路設(shè)計(jì)圖。</p><p>　　圖 3-1 主電路設(shè)計(jì)圖</

70、p><p><b>　　電源部分</b></p><p>　　電源部分主要用于維持控制芯片和IGBT的正常工作電壓。這部分的電源采用兩個(gè)交流變壓器：一路通過整流濾波后，形成直流電壓后，再降壓來供芯片正常工作，主要用作MCU和其他芯片的工作電壓；另一路經(jīng)過交流變壓器后，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓用來驅(qū)動(dòng)IGBT。當(dāng)然，采用兩路供電的目的就是為了避免兩路互相產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)正常

71、工作。</p><p><b>　　橋式整流電路</b></p><p>　　整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。它可以分為單相半波整流電路，單相全波整流電路，單相橋式整流電路。但是半波整說是以"犧牲"一半交流為代價(jià)而換取整流效果的，電流利用率很低，因此常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般無線電裝置中很少采用；然而全波整流電路，需要變壓器有一

72、個(gè)使兩端對(duì)稱的次級(jí)中心抽頭，這給制作上帶來很多的麻煩。另外，這種電路中，每只整流二極管承受的最大反向電壓，是變壓器次級(jí)電壓最大值的兩倍，因此需用能承受較高電壓的二極管。而橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)[9]。</p><p>　　整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟瑢?/p>

73、正負(fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動(dòng)電壓。但是，這種單向脈動(dòng)電壓往往包含著很大的脈動(dòng)成分，距離理想的直流電壓還差的很遠(yuǎn)。</p><p>　　圖 3-2 橋式整流電路</p><p>　　整流電路按其組成器件可分為不控整流電路、半控整流電路和全控整流電路。后兩種電路按其控制方式又可分為相控整流電路和斬波整流電路。相控整流電路由于采用電網(wǎng)換相方式，不需要專門的換相電路，因而電路簡(jiǎn)單、工

74、作可靠，得到廣泛應(yīng)用。但相控整流電路在控制用α較大時(shí)，功率因數(shù)較低，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量較大。因而在大功率調(diào)速傳動(dòng)中，低速運(yùn)行時(shí)，采用斬控整流電路可解決功率因數(shù)變壞的問題。整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式各種各樣，如上圖3-2所示。</p><p>　　橋式整流電路工作原理如下：在U2的正半周內(nèi)，二極管D1，D2導(dǎo)電，D3，D4截止，電路中構(gòu)成了D1，R，D2通電回

75、路；在U2的負(fù)半周內(nèi)，二極管D3，D4導(dǎo)電，D1，D2截止，電路中構(gòu)成了D3，R，D4通電回路。正、負(fù)半周均有電流流過負(fù)載電阻R，而且無論在正半周還是負(fù)半周，流過R的電流方向都是一致的，因而使輸出電壓的直流成分得到提高，脈沖成分被降低。</p><p>　　輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。</p><p><b>　　輸出平均電壓：</b>&l

76、t;/p><p>　　流過負(fù)載的平均電流：</p><p>　　流過二極管的平均電流：</p><p>　　二極管所承受的最大反向電壓：</p><p><b>　　固定三端穩(wěn)壓器</b></p><p>　　三端穩(wěn)壓器，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種輸出電壓是可調(diào)的

77、，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)太器，其基本原理相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。三端穩(wěn)壓器的通用產(chǎn)品有78系列(下電源)和79系列(負(fù)電源)，輸出電壓由具體型號(hào)中的后面兩個(gè)數(shù)字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。輸出電流以78（或79）后面加字母來區(qū)分L表示0.1；AM表示0.5A，無字母表示1.5

78、A，如78L05表示5V，0.1A[13]。</p><p><b>　　1. 電路結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　三端集成穩(wěn)壓器大多采用串聯(lián)穩(wěn)壓方式。它由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電路、誤差放大器、調(diào)整管、取樣電阻及保護(hù)電路等組成。它與分立元件的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器電路工作原理完全相同。</p><p>　　以7805為例，該三端穩(wěn)壓器的固定輸出電壓是5V

79、，而輸入電壓至少大于7V，這樣輸入/輸出之間有2-3V及以上的壓差。使調(diào)整管保證工作在放大區(qū)。但壓差取得大時(shí)，又會(huì)增加集成塊的功耗，所以，兩者應(yīng)兼顧，即既保證在最大負(fù)載電流時(shí)調(diào)整管不進(jìn)入飽和，又不致于功耗偏大。另外一般在三端穩(wěn)壓器的輸入輸出端接一個(gè)二極管，用來防止輸入端短路時(shí),輸出端存儲(chǔ)的電荷通過穩(wěn)壓器,而損壞器件。</p><p>　　2. 穩(wěn)壓器的主要參數(shù)</p><p>　　a. 輸

80、出電壓V0輸出電壓是指穩(wěn)壓器的各工作參數(shù)符合規(guī)定時(shí)的輸出電壓值。對(duì)于固定輸出穩(wěn)壓器，它是常數(shù)；對(duì)于可調(diào)式輸出穩(wěn)壓器，它是輸出電壓范圍。</p><p>　　b. 輸出電壓偏差對(duì)于固定輸出穩(wěn)壓器，實(shí)際輸出的電壓值和規(guī)定的輸出電壓V0之間往往有一定的偏差。這個(gè)偏差值一般用百分比表示，也可以用電壓值表示。</p><p>　　c. 最大輸出電流Icm最大輸出電流指穩(wěn)壓器能夠保持輸出電壓不變的最大

81、電流。 </p><p>　　d. 最小輸入電壓Vimin輸入電壓值在低于最小輸入電壓值時(shí)，穩(wěn)壓器將不能正常工作。 </p><p>　　e. 最大輸入電壓Vimax最大輸入電壓是指穩(wěn)壓器安全工作時(shí)允許外加的最大電壓值。</p><p>　　f. 最小輸入、輸出電壓差(Vi-V0)它是指穩(wěn)壓器能正常工作時(shí)的輸入電壓Vi與輸出電壓V0是最小電壓差值。</p>

82、;<p>　　g. 電壓調(diào)整率Sv電壓調(diào)整率是指當(dāng)穩(wěn)壓器負(fù)載不變而輸入的直流電壓變化時(shí)，所引起的輸出電壓的相對(duì)變化量。</p><p><b>　　IGBT控制部分</b></p><p>　　這一部分主要實(shí)現(xiàn)控制IGBT，利用IGBT作為開關(guān)元件來控制超聲波振蕩器。這部分主要是把工頻220V交流電經(jīng)過整流濾波后變?yōu)橹绷麟?，然后送到IGBT，通過驅(qū)動(dòng)控制

83、IGBT的開關(guān)來控制超聲波振蕩器。整流的作用主要是把交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電。交流220V經(jīng)過整流后變成直流電壓，然后在通過電容濾波使得波形更加平滑，防止電壓變化劇烈，同時(shí)可抑制高頻干擾，使系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　圖 3-3 IGBT控制電路</p><p>　　特別需要注意的是在電路中由于濾波采用的大容量電容在斷電時(shí)放電電流會(huì)對(duì)IGBT產(chǎn)生巨大沖擊，非常容易造成IGBT的損壞；

84、所以為了避免發(fā)生此類狀況，在電容上并聯(lián)一個(gè)大功率1K電阻，同時(shí)在電阻旁邊串聯(lián)一個(gè)交流繼電器K1的常閉觸點(diǎn)（起始端接一個(gè)交流220V的繼電器）。這樣在上電時(shí)，繼電器K1的常閉觸點(diǎn)打開，電容正常濾波，IGBT正常工作；斷電時(shí)繼電器的常閉觸點(diǎn)會(huì)閉合，電容會(huì)通過電阻進(jìn)行放電，也就不會(huì)沖擊IGBT，造成它的損壞。</p><p>　　IGBT及其保護(hù)電路</p><p>　　在這里電路選擇使用了絕緣

85、柵型雙極晶體管(IGBT),IGBT是八十年代初出現(xiàn)的一種新型半導(dǎo)體功率器件，其電壓控制輸入特性伴隨低阻通態(tài)輸出特性，可以在眾多領(lǐng)域替代GTR和功率MOSFET等器件[22]。另外IGBT還具有MOSFET的高輸入阻抗，電壓驅(qū)動(dòng)，無二次擊穿，安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，成為功率器件中強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。目前IGBT在國際上從軍用如導(dǎo)彈、航天、衛(wèi)星等到民用如汽車、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、焊機(jī)、UPS電源和通訊電源、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用己經(jīng)較為廣泛，它的制造和應(yīng)用技

86、術(shù)也較為成熟。目前國際上一些半導(dǎo)體公司相繼開發(fā)了第四代、第五代的IGBT，其特征主要表現(xiàn)在低的通態(tài)電壓、短的關(guān)斷時(shí)間、低損耗、高頻率、無閉鎖等。</p><p>　　1. IGBT的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　IGBT是從功率MOSFET發(fā)展而來的，是MOS管與雙極型晶體管的復(fù)合器件。IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖示于圖3-4,IGBT是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)P+層發(fā)射極，形成PN結(jié)

87、J1，并由此引出集電極。門極和射極則完全與MOSFET的柵極和源極相似。為提高IGBT的性能，通常在N基區(qū)增加一個(gè)N+緩沖層，有N+緩沖層的IGBT稱為穿通型結(jié)構(gòu)(PT)，其反向阻斷能力弱，但正向壓降低，關(guān)斷時(shí)間短，關(guān)斷尾部電流小。無N+緩沖層的IGBT稱為非穿通型結(jié)構(gòu)(NPT)，它具有對(duì)稱的正反向阻斷能力，但其它特性如正向通態(tài)壓降，關(guān)斷時(shí)間，防閉鎖能力等，都不及穿通型IGBT[21]。</p><p>　　圖

88、3-4 IGBT等效電路圖</p><p>　　由圖3-4可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，其簡(jiǎn)化等效電路如圖3-4。圖中電阻Rd是厚基區(qū)BJT基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。IGBT是以BJT為主導(dǎo)元件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓器件。圖示器件為N溝道IGBT,MOSFET為N溝道型，BJT為PNP型[30]。</p><p>　　2. IGBT的工作原理</p

89、><p>　　IGBT的開通與關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)從P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴對(duì)N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N-區(qū)的電阻Rd，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝遭消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被切斷[23]。</p><p>　　3. IG

90、BT柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值</p><p>　　IGBT為電壓控制器件,從其電氣特性圖3-5(b)可知,當(dāng)UGE>UGE(th)(UGE(th),為閉值電壓)時(shí)，IGBT即可開通，一般情況下UGE(m)=5-6V。由圖3-5(a)可知，當(dāng)UGE增加時(shí)，通態(tài)電壓UCE減小，通態(tài)損耗減小，IGBT承受短路電流能力減?。划?dāng)UGE太大時(shí)，可能會(huì)引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。所以，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)折中考慮柵極電壓的選取，為獲得

91、通態(tài)壓降小，同時(shí)IGBT又具有較好的承受短路電流的能力，UGE應(yīng)折中取12-15V為宜。在需要IGBT關(guān)斷期間，為提高IGBT的抗干擾能力及承受di/dt上升率能力(其中i為電流，t為時(shí)間)，保證其可靠地關(guān)斷，最好給柵射極間加5-l0V的負(fù)偏壓，過大的反向偏壓會(huì)造成IGBT柵射極反向擊穿。</p><p>　　圖 3-5 IGBT電氣特性圖</p><p>　　4. IGBT的保護(hù)電路&

92、lt;/p><p>　　IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓VGE的保證值為±20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會(huì)損壞IGBT，因此，在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。另外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極－發(fā)射極有電流流過。這時(shí)若集電極和發(fā)射極間處于

93、高壓狀態(tài)時(shí),可能會(huì)使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運(yùn)輸或振動(dòng)過程中使得柵極回路斷開,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會(huì)損壞。為防止此類情況發(fā)生，應(yīng)在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十千歐的電阻,此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極[24]。如下圖3-6。</p><p>　　圖 3-6 柵極保護(hù)電路</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</b>&

94、lt;/p><p>　　IGBT驅(qū)動(dòng)是整個(gè)系統(tǒng)比較關(guān)鍵的地方，驅(qū)動(dòng)電路的性能，直接影響系統(tǒng)的復(fù)雜程序與易用性。目前常用兩種IGBT驅(qū)動(dòng)電路，一種是EXB841，一種是M57962L。由于本系統(tǒng)使用的是三菱公司IGBT，而M57962L是三菱公司針對(duì)其IGBT產(chǎn)品推出的驅(qū)動(dòng)電路，其兼容性方面要比EXB841來驅(qū)動(dòng)要好。另外經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)，M57962L的可靠性相對(duì)比較好。</p><p>　　絕緣

95、柵雙極晶體管IGBT是第三代電力電子器件，安全工作，它集功率晶體管GTR和功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有易于驅(qū)動(dòng)、峰值電流容量大、自關(guān)斷、開關(guān)頻率高(10-40KHZ)的特點(diǎn)，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應(yīng)用于小體積、高效率的變頻電源、電機(jī)調(diào)速、UPS及逆變焊機(jī)當(dāng)中。</p><p>　　為了保證IGBT能可靠快速關(guān)斷，提高驅(qū)動(dòng)功率是必要的，這樣也可提高系統(tǒng)的快速性、安全性。圖3-7是

96、自行設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單的功率放大電路，可以起到良好的放大效果，能滿足系統(tǒng)的要求。該電路的主要工作原理是當(dāng)高速光耦U1導(dǎo)通時(shí)，三極管Q1關(guān)斷，而三極管Q2導(dǎo)通，所以致使Q5和Q6關(guān)斷，同時(shí)引發(fā)Q3和Q4導(dǎo)通，使得IGBT導(dǎo)通；反之，當(dāng)光耦關(guān)斷時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，而Q2關(guān)斷，使得Q3、Q4關(guān)斷，同時(shí)Q5和Q6導(dǎo)通，則使IGBT關(guān)斷。</p><p>　　圖 3-7 驅(qū)動(dòng)電路</p><p><

97、;b>　　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原則</b></p><p>　　IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電力電子設(shè)備的效率、可靠性、壽命都有重要的影響，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也要遵從一定的設(shè)計(jì)規(guī)則才可以滿足各項(xiàng)要求。驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下圖3-8所示：</p><p>　　IGBT驅(qū)動(dòng)電路有以下要求：</p><p>　　1. 由于是容性輸出輸出阻抗；因此IGBT對(duì)

98、門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。</p><p>　　2. 用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充放電，以保證門及控制電壓UGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。</p><p>　　3. 門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12～+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V～-10V。</p

99、><p>　　4. IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT其RG值較大。</p><p>　　5. 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的自

100、保護(hù)功能。IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下,IGBT的G～E極之間不能為開路[24]。</p><p>　　圖 3-8 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)框圖</p><p><b>　　光電耦合器</b></p><p>　　這里的驅(qū)動(dòng)電壓采用光電耦合器提供200ms甚至更高快的開關(guān)時(shí)間，最大低電平輸出

101、電壓為0.5V。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的柵極必須以穩(wěn)定的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓推動(dòng)，并需要相對(duì)較高的電流水平，以便在導(dǎo)通和斷開之間快速切換，這個(gè)高電流主要用來進(jìn)行柵源級(jí)以及柵漏極之間電容的快速的充放電。</p><p>　　圖 3-9 光電耦合器</p><p><b>　　控制電路</b></p><p>　　圖 3-10 控制電路</p&

102、gt;<p>　　控制電路主要由STC12C2052AD和SG3525組成。STC12C2052AD是完全兼容8051的一種芯片，并且自帶八通道八位A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有高抗干擾性的特點(diǎn)；同時(shí)該芯片具有在線系統(tǒng)可編程ISP特點(diǎn)，它的好處就是省去了編程器，可以在線下載/燒錄程序，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間并且更經(jīng)濟(jì)。控制電路結(jié)構(gòu)圖如下圖3-11所示。</p><p>　　圖 3-11 控制電路框圖</p>

103、;<p>　　控制電路主要通過STC12C2052AD控制SG3525來實(shí)現(xiàn)輸出PWM。如圖3-10所示，當(dāng)SG3525的10腳接低電平時(shí)，SG3525正常輸出；當(dāng)10腳接高電平時(shí)，SG3525的輸出端禁止。通過控制SG3525的10腳來控制輸出PWM，這樣就能控制IGBT關(guān)斷以達(dá)到控制超聲波振蕩器除垢目地。由于SG3525本身可以輸出一定頻率的PWM波，通過調(diào)整電位器ADJ3就可以調(diào)整輸出PWM的頻率，以適應(yīng)不同環(huán)境下不

104、同的頻率；同時(shí)如果想調(diào)整輸出波形的占空比，就可以調(diào)整電位器ADJ1，使之達(dá)到控制所需要求。另外，為了使超聲波震蕩器震動(dòng)也需要一個(gè)通斷頻率輸出，采取通過CPU控制SG3525開通或閉鎖，來達(dá)到一個(gè)通斷頻率（通過控制電位器ADJ2就可以調(diào)節(jié)通斷頻率大小，這樣方便用戶調(diào)節(jié)，避免在軟件上頻繁修改帶來的麻煩）。這樣其實(shí)就把SG3525的固有輸出頻率和通斷頻率疊加起來了，可以滿足了超聲波振蕩器震蕩需要，從而達(dá)到控制的目地。</p>&

105、lt;p>　　STC12C2052AD單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　STC12C2052AD單片機(jī)是宏晶科技推出的STC12系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)中的一種，STC12系列單片機(jī)有1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期的增強(qiáng)型8051內(nèi)核；而普通8051單片機(jī)為12個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期。因此STC12系列單片機(jī)速度是普通8051單片機(jī)的8-12倍。STC12C2052AD單片機(jī)有2KB片內(nèi)Flash和256Byte片內(nèi)RAM，集

106、成有高速(可達(dá)100kSps)8通道8位A/D轉(zhuǎn)換器，引腳與AT89C2051兼容，價(jià)格僅略高于AT89C2051。STC12C2052AD單片機(jī)的管腳圖如圖1所示。由于STC12C2052AD單片機(jī)內(nèi)部集成有高速A/D轉(zhuǎn)換器，用于智能傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，可使用內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器直接輸入模擬信號(hào)，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。雖然STC12C2052AD單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器精度稍低(8位)，但對(duì)于精度要求不高的場(chǎng)合是很適宜的，如果需要更高精度，可以改用

107、STC12系列單片機(jī)中的STC12C5410AD，該單片機(jī)內(nèi)部集成有高速8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器[7]。圖3-12為芯片的引腳圖。</p><p><b>　　具有以下特點(diǎn)：</b></p><p>　　1. 增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容8051</p><p>　　2. 工作電壓：5.5V-3.5V（5V單片