專利名稱：數(shù)字式超聲波發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲波發(fā)生器，更具體地說，涉及一種智能型、數(shù)字式超聲波 發(fā)生器。
背景技術：
如圖1所示是一種傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器的原理框圖，其中包括與220V市電 連接的整流及濾波電路101，它向橋式功率放大逆變電路103輸出315V直流 電；振蕩及驅動電路102則向橋式功率放大逆變電路103中的功率開關管輸出 控制信號;橋式功率放大逆變電路103經輸出匹配電路104連接到換能器105， 從而由換能器105將電磁能量轉換為超聲波。從圖中可以看出，其中是一個調 頻電位器106來實現(xiàn)人工頻率調節(jié)，并有一個負載指示百分表107來監(jiān)控整個 超生波發(fā)生器的工作狀態(tài)。在橋式功率放大逆變電路103中，通常使用大功率 三級管和IGBT(絕緣三雙極型功率管)做末級功率放大電路。超聲波具有很高的能量。以超聲清潔裝置為例，超聲波在媒液(例如水、 或水基介質)中傳播時，把能量傳遞給傳媒質點，傳媒質點再將能量傳遞到被 清洗物體表面、促使污垢解離分散。超聲波的清洗作用包括本身具有的能量作 用，即空穴破壞時放出的能量作用；還包括對媒液的攪拌流動作用等。超聲波 發(fā)生器的作用則是將電磁能量轉換成超聲波能量，具體是通過前述換能器105 來完成。在超聲清潔裝置中，換能器105通常固定在清洗槽底部，有時也裝在 清洗槽側面。由于超聲波以正壓、負壓交替變化的方式向前傳播。負壓時可在 媒液中造成微小的洞穴而形成氣泡；正壓時氣泡被壓縮，最后被壓破。在氣泡 被壓破的瞬間，會對其周圍會形成巨大的轟擊，放出巨大的能量，附近的液體 或固體都會受到上千個大氣壓的高壓，從而使得物體表面及縫隙之中的污垢迅速剝落，這就是超聲波清洗中特有的"空穴現(xiàn)象"。在圖1所示傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器的振蕩及驅動電路102中，通常使用早期的 自激振蕩電路，雖然也有一些產品中使用他激式電路，但都是釆用手動方式來 跟蹤頻率。使用時，由于外界因素的影響，采用人工方法不能及時跟蹤到諧振 頻率，從而使得整個超聲波發(fā)生器的工作頻率極不穩(wěn)定。除了只能手動跟蹤而 無法實現(xiàn)自動頻率跟蹤外，傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器還存在不具有成本高、效率低、 故障率高、沒有定時功能等缺點。發(fā)明內容針對現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明要解決傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器只能手動跟蹤 而無法實現(xiàn)自動頻率跟蹤的問題。為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種超聲波發(fā)生器，其中包括依次連接 的整流濾波電路、逆變單元、匹配電路、以及換能器，還包括向所述逆變電路 中的功率開關管輸出控制信號的振蕩及驅動電路;其中還包括 一個控制單元；對輸入所述整流濾波電路的電流進行檢測，并向所述控制單元輸出電流檢測信號的電流檢測電路；與所述控制單元的頻率跟蹤信號輸出端連接，并向所述振 蕩及驅動電路輸出頻率調節(jié)信號的第一數(shù)字電位器；以及，與所述控制單元連 接的輸入按鍵。本發(fā)明的超聲波發(fā)生器中，最好還包括與所述控制單元的功率調節(jié)信號輸 出端連接，并向所述振蕩及驅動電路輸出功率調節(jié)信號的第二數(shù)字電位器。本發(fā)明的超聲波發(fā)生器中，最好還包括與所述控制單元連接的頻率顯示 器、以及功率顯示器。本發(fā)明的超聲波發(fā)生器中，所述控制單元為一個單片機。由上述方案可以看出，本發(fā)明的超聲波發(fā)生器為全數(shù)字化工作，因而工作 可靠，抗干擾能力強，易于調試。本發(fā)明的超聲波發(fā)生器能自動找到使半橋逆 變電路的輸入電流達到最大值的頻率點，從而克服了一般采用反饋形式的頻率 自動跟蹤系統(tǒng)中反饋嘗試不易控制、電路參數(shù)難以調整的困難。


下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中 圖1是傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器的原理框圖； 圖2是本發(fā)明一個實施例中的超聲波發(fā)生器的原理框圖； 圖3是根據(jù)"單變量線性規(guī)劃"尋找最大電流點的示意圖； 圖4是本發(fā)明中實現(xiàn)自動跟蹤的流程圖；圖5是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中單片機控制單元和數(shù)字顯示部分的電路圖；圖6是與圖5配合的末級功率放大部分的電路圖；圖7是與圖5配合的IGBT功率放大管驅動電路的電路圖；圖8是與圖5配合的振蕩電路的電路圖。
具體實施方式
本發(fā)明的一個實施例如圖2所示，從圖中可以看出，這種超聲波發(fā)生器中 包括依次連接的整流濾波電路201、逆變單元203、匹配電路204、以及換能 器205，還包括向逆變電路203中的功率開關管輸出控制信號的振蕩及驅動電 路202。與圖l中所示的傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器相比，本實施例的超聲波發(fā)生器中 還包括單片機控制單元206、對輸入整流濾波電路的電流進行檢測并向控制 單元輸出電流檢測信號的電流檢測電路207、與控制單元的頻率跟蹤信號輸出 端連接并向振蕩及驅動電路輸出頻率調節(jié)信號的第一數(shù)字電位器209、與控制 單元的功率調節(jié)信號輸出端連接并向振蕩及驅動電路輸出功率調節(jié)信號的第 二數(shù)字電位器210、以及與控制單元連接的輸入按鍵208。本實施例中，采用P麗(脈寬調制)來實現(xiàn)功率調節(jié)，具體是利用單片機控 制單元206控制死區(qū)的電壓來實現(xiàn).并通過輸入按鍵208的加減，分八路輸出 電壓逐級調節(jié)輸出功率。因此，本實施例中形成一個單片機功率調節(jié)系統(tǒng)，這 里的單片機，通常也稱為單片微型計算機、微控制器、或嵌入式微控制器。本實施例中，采用半橋逆變式電源，并通過對輸入半橋逆變電路的電流， 以及換能器振動系統(tǒng)的振幅、頻率隨負載的變化情況進行測量和分析，進而找出輸入半橋逆變電路的電流、換能器振動系統(tǒng)的振幅、超聲波發(fā)生器的頻率之 間的一一對應的單調關系。當換能器處于諧振狀態(tài)時，振幅最大，此時輸入半 橋逆變電路的電流也最大。也就是說，只要搜索到輸入半橋逆變電路的最大電 流，也就找到了諧振頻率點。因此，本實施例中形成一個單片機頻率自動跟蹤 系統(tǒng)，采用變頻搜索方式，使得輸入半橋逆變電路的電流總是保持在最大值， 從而保證換能器總是工作于諧振狀態(tài)。本發(fā)明實施例中，根據(jù)"單變量線性規(guī)劃"的原理來尋找最大電流點。通過分析可知，影響振幅的主要因素(例如負載)在一定的時間內是穩(wěn)定的；因此， 如果系統(tǒng)的工作速度足夠快，就能在該時間內尋找到最佳工作狀態(tài)。由于控制 變量僅僅是超聲波發(fā)生器的頻率f 、以及半橋逆變電路的輸入電流I之間的關 系，所以是單變量線性規(guī)劃問題。如圖3所示，設I是要尋找的目標，f是影響的因素。首先將f在允許的 范圍內分成若干等份，以得出控制f過程的推進量Af。假設初始狀態(tài)在fl 處，通過測量得到對應的I1;然后f向前推進至f2,又可到I2;然后比較I2 與II的大小，若I2> II,則表示I在增加。此時，沿原方向進一步推進至 f3(對應I3)，如此不斷進行，直至f4(對應I4)時，若再進一步推進至f5(對 應15)，從圖中可以看出，此時15<14，即I值下降了，這說明控制已超過極 值點，此時應改變原推進方向，即反方向推進。例如在一次跟蹤過程中一共推進了 64步才找到電流最大點，那么就有兩 種可能性第一種是向前推進了 62步電流都是在往上升狀態(tài)進行，但是到了 63步時電流開始下降，這時候就停止向前推進，并改變方向向后推進一步，從 而在第64步找到電流最大值；第二種是向前推進第1步時電流就往下降，這 時候就停止向前推進，并改變方向向后推進，向后推進了 61步電流都是在往上 升狀態(tài)進行，但是到了 63步時電流開始下降，這時候就停止向后推進，并改變 方向向前推進一步，這樣就可在第64步找到電流最大值?？偟膩碚f，如果之前 的推進中電流是增大趨勢，到某一點轉為減少趨勢時，再回退一步，即為電流 最大值所在點。這樣，只要增加推進步數(shù)，即減少步長Af，就可以得到更高精度I，得到圖3所示的狀態(tài)，即在f4得到電流最大值。每隔一定時間重復一次上述過 程，就可保證系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)。如圖4所示為本發(fā)明一個實施例中實現(xiàn)頻率跟蹤的流程圖，從圖中可以看 出，剛開始工作時，通過單片機內部程序控制頻率遞增，從而使得電流逐漸變 大，此時利用圖3所示原理尋找電流電大值， 一旦找到，就進行頻率鎖定，即 保持在當前頻率點工作。然后，每隔一分鐘作一次頻率自動校正，先作頻率遞 增，如果遞增一步后電流增大，則表示需繼續(xù)遞增；如果遞增到某一步后電流 減小，則反向作頻率遞減；在頻率遞減過程中，如果遞減一步后電流增大，則 表示需繼續(xù)遞減，如果遞減到某一步后電流減小，鎖定該頻率點。如圖5取至圖8是本發(fā)明 一個優(yōu)選實施例中的超聲波發(fā)生器的電路圖，其 中，圖5是單片機控制單元和數(shù)字顯示部分的電路圖，圖6是末級功率放大部 分的電路圖，圖7是IGBT功率放^;管驅動電路的電路圖，圖8是振蕩電路的 電路圖。該超聲波發(fā)生器的軟件部分則采用了模塊化程序設計技術，根據(jù)功能 要求，將軟件分成以下幾個模塊系統(tǒng)初始模塊、信號采集及比較模塊、頻率 遞增模塊、頻率遞減模塊。該系統(tǒng)全部采用先進的集成電路，全數(shù)字化工作，因而工作可靠，所有i/o口均有光耦隔離，抗干擾能力強，易于調試。此外，本實施例中增設了定時功能，通過對輸入的時間進行確認后，超聲 波發(fā)生器啟動開始工作，工作滿預定時間后，自動關閉。其中，定時時間可為 0. 1秒至999小時，通過按鍵設定定時時間，定時時間由3位LED數(shù)碼管顯示。 具有12種工作模式，用戶可自行設定工作模式。外接6MHz晶體振蕩器，定時 誤差小于10毫秒，最小定時分辨率達0. 1秒。對本實施例中的超聲波發(fā)生器進行空載和帶負載試驗，結果表明，能可靠 地對頻率進行跟蹤，實現(xiàn)自動運行的目標，且跟蹤準確、波動小、跟蹤時間小 于3秒。本實施例中的超聲波發(fā)生器，具有以下特點(1) 率先使用全集成化的單片式微機控制技術。(2) 明亮的LED頻率顯示，用戶可以實時監(jiān)控超聲波的工作頻率及功率。(3) 多種定時模式選擇，用戶可以跟據(jù)不同的產品進行選擇時間模式。(4) 自動/手動頻率模式選擇，用戶可以跟據(jù)不同的需要進行選擇。(5) 多種功率控制方式-控制空化強度在10%-100%的范圍內變化，以使功 率滿足不同應用的需要。這種功率控制是通過調節(jié)幅度來實現(xiàn)的，從而確保了 過程控制的穩(wěn)定性和安全性。功率LED顯示屏顯示所選擇的檔位。(6) 自動頻率跟蹤-保持應用所需的最佳工作頻率。自動頻率跟蹤采用動 態(tài)調節(jié)發(fā)生器，使其適應溫度，液位，負載等變化的條件，以優(yōu)化清洗效果。(7) 通過更改軟件就可以針對不同的產品調節(jié)載波的頻率及掃頻的各種 參數(shù)，這是其它同行業(yè)廠家做不到的。(8) 所有I/O 口均有光耦隔離，抗干擾能力極強。由上述實施例可以看到，本發(fā)明能自動找到使半橋逆變電路的輸入電流達 到最大值的頻率點，從而克服了一般采用反饋形式的頻率自動跟蹤系統(tǒng)中反饋 嘗試不易控制、電路參數(shù)難以調整的困難。本發(fā)明超聲波發(fā)生器變頻的步長、 延時參數(shù)均可由軟件加以調整，十分方便，體現(xiàn)了硬件軟化的功能，故對各種 系統(tǒng)的適應性強。
權利要求
1. 一種數(shù)字式超聲波發(fā)生器，其中包括依次連接的整流濾波電路、逆變單元、匹配電路、以及換能器，還包括向所述逆變電路中的功率開關管輸出控制信號的振蕩及驅動電路；其特征在于，還包括一個控制單元；對輸入所述整流濾波電路的電流進行檢測，并向所述控制單元輸出電流檢測信號的電流檢測電路；與所述控制單元的頻率跟蹤信號輸出端連接，并向所述振蕩及驅動電路輸出頻率調節(jié)信號的第一數(shù)字電位器；以及，與所述控制單元連接的輸入按鍵。
2、 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式超聲波發(fā)生器，其特征在于，還包括與 所述控制單元的功率調節(jié)信號輸出端連接，并向所述振蕩及驅動電路輸出功率 調節(jié)信號的第二數(shù)字電位器。
3、 根據(jù)權利要求2所述的數(shù)字式超聲波發(fā)生器，其特征在于，還包括與 所述控制單元連接的頻率顯示器、以及功率顯示器。
4、 根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的數(shù)字式超聲波發(fā)生器，其特征在于， 所述控制單元為一個單片機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波發(fā)生器，為解決傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器只能手動跟蹤而無法實現(xiàn)自動頻率跟蹤的問題，本發(fā)明提供一種數(shù)字式超聲波發(fā)生器，其中包括整流濾波電路、逆變單元、匹配電路、換能器、以及振蕩及驅動電路。還包括控制單元，對輸入所述整流濾波電路的電流進行檢測并向所述控制單元輸出電流檢測信號的電流檢測電路，與所述控制單元連接并向振蕩及驅動電路輸出頻率調節(jié)信號的第一數(shù)字電位器，與所述控制單元連接并向所述振蕩及驅動電路輸出功率調節(jié)信號的第二數(shù)字電位器，以及與所述控制單元連接的輸入按鍵。本發(fā)明的超聲波發(fā)生器為全數(shù)字化工作，工作可靠、抗干擾能力強，更重要的是能自動找到使半橋逆變電路的輸入電流達到最大值的頻率點。
文檔編號B06B1/02GK101269370SQ20071007363
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權日2007年3月22日
發(fā)明者蔡序鋒 申請人:深圳市艾柯森自動化設備有限公司