多頻率超聲清洗效果實驗平臺的製作方法
2023-12-06 15:01:16 2
多頻率超聲清洗效果實驗平臺的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多頻率超聲清洗效果實驗平臺，它包括核心控制模塊、第一繼電器模塊、第二繼電器模塊、第三繼電器模塊、輸入隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號產生模塊、五個匹配電感和五個換能器陣；其中，核心控制模塊，其信號輸出端分別與超聲信號產生模塊、第一繼電器模塊、第二繼電器模塊、第三繼電器模塊的控制信號輸入端相連接，用於根據輸入的工作頻率選擇信號產生相應的切換控制信號分別傳遞給第一繼電器模塊、第二繼電器模塊和第三繼電器模塊；五個超聲信號產生模塊的輸出端分別通過第一繼電器模塊與輸入隔離模塊選擇性連接。本發明能夠採用多組頻率進行水下構建物清洗汙垢效果研究，突出了清洗效果的有效性和對比性，實時找出最適合該水下構建物汙垢清洗的最佳頻率。
【專利說明】多頻率超聲清洗效果實驗平臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多頻率超聲清洗效果實驗平臺，屬於超聲波清洗【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，大壩閘門或壩體等各處被水長期浸沒的地方，其表面將會沉積一定的汙垢而影響其正常功能甚至損壞設備。目前把超聲技術應用於水下構建物的清洗作業的經驗比較匱乏，雖然已經有人提出水下大型設備的超聲清洗方法，但是大都是在某種特定環境下，採用單一的超聲清洗頻率。而汙垢的物理特性、厚度、堅硬度等與水質的情況和水中的雜質特性息息相關，採用單一頻率的超聲波換能器對水下構建物進行清洗，難以達到工程需求。一方面，由於信號頻率選擇不合適，其清洗效果將會被大打折扣，需要延長超聲換能器的工作時間，從而將增加能耗，不利於節能減排。另一方面，如果採用單一頻率的超聲波換能器去清洗有些易碎、易傷的表面汙垢時，將會使得清洗的表面受損或損壞。所以，根據不同的清洗物表面情況，汙垢的物理特性、厚度和堅硬度等情況，選擇合適表面清洗的信號頻率進行清洗，將會對提高水下構建物清洗效果，保護壩體，延長超聲波換能器的使用時間，減少CO2排放產生積極意義。
[0003]因此，研製出一種具有自適應特徵的、能夠應用於清洗不同表面和去除不同汙垢的水下構建物表面清洗裝置對水利設施的保養與維護意義重大。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種多頻率超聲清洗效果實驗平臺，它能夠採用多組頻率進行水下構建物清洗汙垢效果研究，突出了清洗效果的有效性和對比性，實時找出最適合該水下構建物汙垢清洗的最佳頻率。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是:一種多頻率超聲清洗效果實驗平臺，它包括核心控制模塊、第一繼電器模塊、第二繼電器模塊、第三繼電器模塊、輸入隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號產生模塊、五個匹配電感和五個換能器陣；其中，
核心控制模塊，其信號輸出端分別與超聲信號產生模塊、第一繼電器模塊、第二繼電器模塊、第三繼電器模塊的控制信號輸入端相連接，用於根據輸入的工作頻率選擇信號產生相應的切換控制信號分別傳遞給第一繼電器模塊、第二繼電器模塊和第三繼電器模塊；
五個超聲信號產生模塊，其輸出端分別通過第一繼電器模塊與輸入隔離模塊選擇性連接，用於分別輸出不同頻率的超聲驅動信號；
第一繼電器模塊，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的超聲信號產生模塊和輸入隔離模塊；
輸入隔離模塊，其輸出端與功率放大模塊相連接，用於驅動功率放大模塊正常工作；功率放大模塊，其輸出端通過第二繼電器模塊分別與第一匹配變壓器和第二匹配變壓器選擇性連接； 第二繼電器模塊，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通功率放大模塊和相應的第一匹配變壓器或第二匹配變壓器；
五個匹配電感，其分別與五個超聲信號產生模塊一一對應，並且其中三個匹配電感的輸入端分別通過第三繼電器模塊與第一匹配變壓器選擇性連接，另外兩個匹配電感的輸入端分別通過第三繼電器模塊與第二匹配變壓器選擇性連接，五個匹配電感的輸出端分別與相應的換能器陣相連接，用於對相對應的換能器陣進行調諧匹配；
第一匹配變壓器和第二匹配變壓器，用於改變相對應的換能器陣的阻抗，使其與信源阻抗相匹配，保證相對應的換能器陣獲得最大的電功率；
第三繼電器模塊，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第一匹配變壓器；還用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第二匹配變壓器。
[0006]進一步，所述的五個超聲信號產生模塊分別為第一超聲信號產生模塊、第二超聲信號產生模塊、第三超聲信號產生模塊、第四超聲信號產生模塊和第五超聲信號產生模塊，所述的第一超聲信號產生模塊輸出頻率為20KHZ的超聲驅動信號，第二超聲信號產生模塊輸出頻率為40KHZ的超聲驅動信號，第三超聲信號產生模塊輸出頻率為80KHZ的超聲驅動信號，第四超聲信號產生模塊輸出頻率為160KHZ的超聲驅動信號，第五超聲信號產生模塊輸出頻率為200KHZ的超聲驅動信號。
[0007]進一步，所述的五個匹配電感分別為第一匹配電感、第二匹配電感、第三匹配電感、第四匹配電感和第五匹配電感，第一匹配電感和第一超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為20KHZ，第二匹配電感和第二超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為40KHZ，第三匹配電感和第三超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為80KHZ，第四匹配電感和第四超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為160KHZ，第五匹配電感和第五超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為200KHZ。
[0008]進一步，所述的輸入隔離模塊由驅動電路和隔離變壓器連接而成。
[0009]進一步,功率放大模塊採用半橋型超聲功率放大電路。
[0010]更進一步，能器陣由多個換能器組成，並且每個換能器由多片壓電陶瓷片並聯而成。
[0011]採用了上述技術方案後，由於採用自適應技術對不同的水下構建物和不同狀態可以利用不同頻段下的五種頻率(可以是20kHz、40 kHz,80 kHz,160 kHz和200 kHz)的換能器陣進行水下構建物清洗汙垢效果研究，突出了清洗效果的有效性和對比性，且本發明的多頻率超聲清洗效果實驗平臺具有結構簡單、成本低、節能、操作方便和清洗效果明顯且易於對比等特點，在超聲清洗技術研究方面具有重要意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的多頻率超聲清洗效果實驗平臺的原理框圖。
【具體實施方式】
[0013]為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例並結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明。[0014]如圖1所示，一種多頻率超聲清洗效果實驗平臺，它包括核心控制模塊、第一繼電器模塊1、第二繼電器模塊2、第三繼電器模塊3、輸入隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號產生模塊、五個匹配電感和五個換能器陣4 ;其中，
核心控制模塊，其信號輸出端分別與超聲信號產生模塊、第一繼電器模塊1、第二繼電器模塊2、第三繼電器模塊3的控制信號輸入端相連接，用於根據輸入的工作頻率選擇信號產生相應的切換控制信號分別傳遞給第一繼電器模塊1、第二繼電器模塊2和第三繼電器模塊3 ；
五個超聲信號產生模塊，其輸出端分別通過第一繼電器模塊I與輸入隔離模塊選擇性連接，用於分別輸出不同頻率的超聲驅動信號；
第一繼電器模塊1，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的超聲信號產生模塊和輸入隔離模塊，從而選擇超聲驅動信號的頻率，第一繼電器模塊I的公共埠連接輸入隔離模塊，五個選擇埠分別連接五個超聲信號產生模塊，其由核心控制模塊控制。
[0015]輸入隔離模塊，其輸出端與功率放大模塊相連接，用於將超聲驅動信號進行前級放大並將超聲信號產生模塊與功率放大模塊隔離，從而驅動功率放大模塊正常工作；
功率放大模塊，其輸出端通過第二繼電器模塊2分別與第一匹配變壓器和第二匹配變壓器選擇性連接，用於對超聲驅動信號進行功率放大；
第二繼電器模塊2，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通功率放大模塊和相應的第一匹配變壓器或第二匹配變壓器；第二繼電器模塊2的公共埠連接功率放大模塊，兩個選擇埠分別連接第一匹配變壓器和第二匹配變壓器，其由核心控制模塊控制。
[0016]五個匹配電感，其分別與五個超聲信號產生模塊一一對應，並且其中三個匹配電感的輸入端分別通過第三繼電器模塊3與第一匹配變壓器選擇性連接，另外兩個匹配電感的輸入端分別通過第三繼電器模塊3與第二匹配變壓器選擇性連接，五個匹配電感的輸出端分別與相應的換能器陣4相連接，用於對相對應的換能器陣4進行調諧匹配，使相對應的換能器陣4電路趨於純阻性；
第一匹配變壓器和第二匹配變壓器，用於改變相對應的換能器陣4的阻抗，使其與信源阻抗相匹配，保證相對應的換能器陣4獲得最大的電功率；
第三繼電器模塊3，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第一匹配變壓器；還用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第二匹配變壓器。
[0017]核心控制模塊以MSP430F149單片機為核心，根據按鍵輸入的信息來控制三個繼電器模塊的通斷方式，從而實現選擇所需頻率的超聲信號驅動超聲換能器工作的功能。
[0018]五個超聲信號產生模塊分別為第一超聲信號產生模塊、第二超聲信號產生模塊、第三超聲信號產生模塊、第四超聲信號產生模塊和第五超聲信號產生模塊，所述的第一超聲信號產生模塊輸出頻率為20KHZ的超聲驅動信號，第二超聲信號產生模塊輸出頻率為40KHZ的超聲驅動信號，第三超聲信號產生模塊輸出頻率為80KHZ的超聲驅動信號，第四超聲信號產生模塊輸出頻率為160KHZ的超聲驅動信號，第五超聲信號產生模塊輸出頻率為200KHZ的超聲驅動信號。
[0019]五個匹配電感分別為第一匹配電感、第二匹配電感、第三匹配電感、第四匹配電感和第五匹配電感，第一匹配電感和第一超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為20KHZ，第二匹配電感和第二超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為40KHZ，第三匹配電感和第三超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為80KHZ，第四匹配電感和第四超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為160KHZ，第五匹配電感和第五超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為200KHZ。五個匹配電感可以採用PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體、絲包線繞制而成。
[0020]五個超聲信號產生模塊均具有SG3525晶片，通過改變晶片第6腳的電阻值，產生20kHz、40kHz、80kHz、160kHz和200kHz五種頻率的超聲驅動信號。
[0021]輸入隔離模塊由驅動電路和隔離變壓器連接而成，輸入隔離模塊以TIP122晶片NPN達林頓功率電晶體和TIP127晶片PNP達林頓功率電晶體為核心的驅動電路構成，達到驅動MOSFET的目的，輸入隔離模塊中含有採用PQ-26型骨架、E-E型磁芯、0.27mm直徑漆包線繞制、原副線圈匝數比為1:1的隔離變壓器，來避免前、後級電路信號的幹擾。
[0022]功率放大模塊採用半橋型超聲功率放大電路,將五種不同頻率的超聲驅動信號功率放大到100W。
[0023]換能器陣4可以由多個換能器組成，並且每個換能器由多片壓電陶瓷片並聯而成。本實施例的換能器陣4由3X3換能器陣列組成，中心頻率分別為20kHz、40 kHz,80kHz,160 kHz和200 kHz，實現與相應的換能器陣4靜態電容Ctl調諧匹配。用於將超聲頻率電信號轉化為超聲機械振動，並帶動防水外殼振動，從而在水中產生超聲空化作用，剝落構建物上的汙垢，達到清洗的目的。
[0024]第一匹配變壓器可以用PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體、絲包線繞制而成的變壓器，在頻率為20kHz、40kHz和80kHz時實現後端相應換能器陣4電路與前端電路的阻抗匹配。
[0025]第二匹配變壓器可以採用PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體、絲包線繞制而成的變壓器，在頻率為160kHz和200kHz時實現後端相應換能器陣4電路與前端電路的阻抗匹配。
[0026]第三繼電器模塊3在頻率為20kHz、40kHz和80kHz時，其上部公共埠連接第一匹配變壓器，相應的三個選擇埠分別連接第一匹配電感、第二匹配電感、第三匹配電感，其由核心控制模塊控制，第三繼電器模塊3在頻率為160kHz、和200kHz時，其下部公共埠連接第二匹配變壓器，相應的兩個選擇埠分別連接第四匹配電感、第五匹配電感，其由核心控制模塊控制。
[0027]本發明的工作原理如下:
在實驗五頻可切換超聲清洗實驗研究時，根據需要選擇實驗用超聲信號頻率。通過核心控制模塊設置所選的超聲驅動信號頻率，核心控制模塊控制相應的超聲信號產生模塊和第一繼電器模塊I協調工作，同時控制第二繼電器模塊2和第三繼電器模塊3連接相應的第一匹配變壓器或第二匹配變壓器，和相應的匹配電感。超聲信號產生模塊產生與所選頻率相對應的兩路同頻反相峰值為5V的單極方波信號，經第一繼電器模塊I輸出給輸入隔離模塊中的驅動電路，兩路同頻反相峰值為5V的單極方波信號經放大整形為一路峰值為12V的雙極方波信號，信號經由匝數比為1:1的隔離變壓器分成兩路同頻反相信號，驅動與其相連的功率放大模塊。功率放大模塊的輸出端連接第二繼電器模塊2，第二繼電器模塊2的選擇輸出端選通第一匹配變壓器或第二匹配變壓器，功率放大模塊的電源電壓為310V，第一匹配變壓器和第二匹配變壓器用於實現與換能器陣4的阻抗匹配，第一匹配變壓器的輸出端連接第三繼電器模塊3的上公共埠，相應的選擇埠連接第一匹配電感、第二匹配電感和第三匹配電感；第二匹配變壓器的輸出端連接第三繼電器模塊3的下公共埠，相應的選擇埠連接第四匹配電感和第五匹配電感。核心控制模塊將控制第二繼電器模塊2和第三繼電器模塊3選擇設定的信號傳輸路徑，第三繼電器模塊3的各選擇埠與各匹配電感相連接，通過選通相應的匹配電感與相應的換能器陣4相連接，實現調諧匹配。相應的換能器陣4將輸入的超聲電信號轉化為超聲機械振動，從而使換能器陣4前後的水發生超聲空化效應，對待清洗物的表面進行超聲清洗。改變所選超聲波的頻率，重複以上過程，對汙垢清洗效果進行針對性探究。
[0028]以上所述的具體實施例，對本發明解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種多頻率超聲清洗效果實驗平臺，其特徵在於:它包括核心控制模塊、第一繼電器模塊(I)、第二繼電器模塊(2)、第三繼電器模塊(3)、輸入隔離模塊、功率放大模塊、第一匹配變壓器、第二匹配變壓器、五個超聲信號產生模塊、五個匹配電感和五個換能器陣(4)；其中， 核心控制模塊，其信號輸出端分別與超聲信號產生模塊、第一繼電器模塊(I)、第二繼電器模塊(2)、第三繼電器模塊(3)的控制信號輸入端相連接，用於根據輸入的工作頻率選擇信號產生相應的切換控制信號分別傳遞給第一繼電器模塊(I)、第二繼電器模塊(2)和第三繼電器模塊(3); 五個超聲信號產生模塊，其輸出端分別通過第一繼電器模塊(I)與輸入隔離模塊選擇性連接，用於分別輸出不同頻率的超聲驅動信號； 第一繼電器模塊(1)，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的超聲信號產生模塊和輸入隔離模塊； 輸入隔離模塊，其輸出端與功率放大模塊相連接，用於驅動功率放大模塊正常工作；功率放大模塊，其輸出端通過第二繼電器模塊(2)分別與第一匹配變壓器和第二匹配變壓器選擇性連接； 第二繼電器模塊(2)，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通功率放大模塊和相應的第一匹配變壓器或第二匹配變壓器； 五個匹配電感，其分別與五個超聲信號產生模塊一一對應，並且其中三個匹配電感的輸入端分別通過第三繼電器模塊(3)與第一匹配變壓器選擇性連接，另外兩個匹配電感的輸入端分別通過第三繼電器模塊(3)與第二匹配變壓器選擇性連接，五個匹配電感的輸出端分別與相應的換能器陣(4)相連接，用於對相對應的換能器陣(4)進行調諧匹配； 第一匹配變壓器和第二匹配變壓器，用於改變相對應的換能器陣(4)的阻抗，使其與信源阻抗相匹配，保證相對應的換能`器陣(4)獲得最大的電功率； 第三繼電器模塊(3)，用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第一匹配變壓器；還用於接收相應的切換控制信號並選擇接通相應的匹配電感和第二匹配變壓器。
2.根據權利要求1所述的多頻率超聲清洗效果實驗平臺，其特徵在於:所述的五個超聲信號產生模塊分別為第一超聲信號產生模塊、第二超聲信號產生模塊、第三超聲信號產生模塊、第四超聲信號產生模塊和第五超聲信號產生模塊，所述的第一超聲信號產生模塊輸出頻率為20KHZ的超聲驅動信號，第二超聲信號產生模塊輸出頻率為40KHZ的超聲驅動信號，第三超聲信號產生模塊輸出頻率為80KHZ的超聲驅動信號，第四超聲信號產生模塊輸出頻率為160KHZ的超聲驅動信號，第五超聲信號產生模塊輸出頻率為200KHZ的超聲驅動信號。
3.根據權利要求1所述的多頻率超聲清洗效果實驗平臺，其特徵在於:所述的五個匹配電感分別為第一匹配電感、第二匹配電感、第三匹配電感、第四匹配電感和第五匹配電感，第一匹配電感和第一超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為20KHZ，第二匹配電感和第二超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為40KHZ，第三匹配電感和第三超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為80KHZ，第四匹配電感和第四超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為160KHZ，第五匹配電感和第五超聲信號產生模塊相對應，並且其諧振頻率為200KHZ。
4.根據權利要求1所述的多頻率超聲清洗效果實驗平臺，其特徵在於:所述的輸入隔離模塊由驅動電路和隔離變壓器連接而成。
5.根據權利要求1或4所述的多頻率超聲清洗效果實驗平臺，其特徵在於:所述的功率放大模塊採用半橋型超聲功率放大電路。
6.根據權利要求1所述的多頻率超聲清洗效果實驗平臺，其特徵在於:換能器陣(4)由多個換能器組成，並且每個換能器由多片壓電陶瓷片並聯而成。
【文檔編號】G01M99/00GK103558047SQ201310556615
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】李青龍, 姚澄, 王斌, 朱益鵬, 朱昌平, 單鳴雷, 陳秉巖 申請人:河海大學常州校區