超声波清洗机的阻抗匹配电路_鲍善惠

超声波清洗机的阻抗匹配电路_鲍善惠

洗净技术Cleaning Technology

鲍善惠(1946-),江苏镇江人。1969年兰州大学物理系本科毕

业,1982年兰州大学物理系硕士研究生毕业。现为陕西师范大学应

用声学研究所副教授,研究方向为功率超声设备的机理、开发与应

用。

11

1.前言

超声波清洗机中的匹配电路是将发生器输出

的电能送往换能器的通道。匹配电路虽然结构简

单(通常只有一个匹配电感),却具有重要作用。相

同型号的清洗机,匹配调得好的清洗效果好;匹配

调得差的则清洗效果差。对同一台机器而言,如果

工作一段时间后清洗效果变差,或者换能器经过

更换,都需要重新调整匹配。与一般电子设备的匹

配有所不同,超声清洗机的匹配除了要解决变阻

问题(即变换负载的阻值,使之与发生器的最佳负

载值相等)外,还要解决调谐问题,即用匹配电感

的感抗抵消换能器的容抗,使换能器呈纯阻性。技

术人员通常是根据各自的经验进行匹配。例如,有

人在改变清洗槽水位时观察电流的变化,如果电

流变化处于一定范围之内,同时管子不发热,空化

声强,便认为匹配已调好。也有人让机器空载时稍

微呈电感性,而在加载后转变为纯阻状态。这些经

验都是适用的。但在已有经验的基础上,再掌握匹

超声波清洗机

鲍善惠 王艳东

(陕西师范大学应用声学研究所 西安 710062)

摘 要 本文在分析压电换能器的阻抗特性和工作点的基础上,讲述了超声波清洗机的阻抗匹配原

理,并分别介绍了他激式和自激式发生器具体的匹配方法。这些对于超声波清洗机匹配电路的设

计和调节都具有参考价值。

关键词 压电换能器 阻抗匹配 工作点

匹配电路

China Cleaning

China Cleaning

中图分类号TB559 文献标识码A 文章编号 1672-2248(2004)05-0011-04

配的原理,就可以在匹配时有的放矢,更加主动,

从而收到事半功倍的效果。

2.匹配原理

(1) 压电换能器的阻抗特性和工作点

压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图

1a所示。图中C

0

为静态电容,它是在远低于谐振

频率的频率上测出的换能器电容,是一个真实的

电学量。L

1

、C

1

和 R

1

分别是动态电感、动态电容

和动态电阻,它们不是真正的电学量,而是从换能

器的质量、机械顺性和损耗分别折算过来的等效

参数。C

0

所在的支路称作并联支路,L

1

、C

1

和 R

1

所在的支路则称作串联支路

[1]

图1. 压电换能器的等效电路

第2卷第5期 2004年5月 Vol.2 No.5 May. 2004洗净技术Cleaning Technology

13

3.他激式发生器的匹配

超声波清洗机的发生器分为他激式和自激式

两种。匹配的具体方案与发生器的激振方式有关。

对于他激式发生器来说,一般是先确定振荡频率

(也就是换能器的工作频率),测定换能器的相关

参数,据此计算出匹配电感的大小。将电感接入电

路后,还需再作微调。在不同的工作点上,换能器

的等效电抗不同,所需要的匹配电感值也是不同

的。下面以常用的串联谐振频率f

S

和并联谐振频率

f

P

为例,介绍匹配的计算方法。f

S

是等效电路中串

联支路的谐振频率,由定义有 f

S

=1/2π(L

1

C

1

)

1/2

f

P

是指R

1

=0时等效电路的并联谐振频率,由定义

有 f

P

=1/2π(L

1

C)

1/2

。C的意义同前。一个实际的

0

=3.730nF,R

1

=1.087k Ω,

C

1

= 8 8 . 1 2 p F ,L

1

= 0 . 7 1 1 m H ,由此算得

f

S

=20.131kHz,f

P

=20.367kHz。f

S

和f

P

对应的工

且与R轴平行的直线,其与圆的交点对应f

P

;再作

坐标原点到 f

P

的直线,此直线与圆的交点即对应

f

S

,如图2所示。

(1)工作在f

S

由阻抗圆图可以看出,在f

S

附近的区域里,R

的值较小,因此所需的激励电压U较小。这是工作

于f

S

的显著特点。另一方面,X的值也较小,这意

味需要的匹配电感 L 也比较小。

将串联谐振的条件ω

S

L

1

=1/ ω

S

C

1

(ω

S

=2

πf

S

为串联谐振角频率)代入式(2),即可算出f

S

时的等效电阻 R

S

和等效电抗 X

S

( 5)

设此时的匹配电感为 L

S

,令ω

S

L

S

= -X

S

即得

( 6)

代入上面的数据,可算出 R

S

=0.861 k Ω,L

S

= 3.49mH。如果设计的换能器功率 P=50W,则

所需激励电压 U

O

=(PR

S

)

1/2

=207V。由于已经调

谐,故激励电压 U

O

全部加在等效电阻R

S

上,即

U

R

=U

O

。流过换能器的电流I

S

=U

O

/R

S

,因而等效

电抗 X

S

上的电压 U

X

=I

S

X

S

=U

O

X

S

/R

S

。换能器两

端的电压 U

T

等于 U

R

与 U

X

( 7)

用上面的数据可以算出 X

S

/ R

S

= 0 . 5 1 2 ,

U

T

=1.23U

O

=255V。可见换能器工作在f

S

时,U

T

不会比 U

O

高出许多。

上面的计算只是一个基础,实际匹配时仍需

根据工作状况对频率和电感进行调节。因此频率

并不是恰好落在f

S

上,而是处在包括f

S

在内的一

个区间里。从阻抗圆图可以看出,这个区间里较低

的f对应着较小的R,因此换能器所需的驱动电压

较小,但较大的 X 和调谐后的较大电流使得 U

X

大。当 X/R>>1 时,换能器实际承受的电压 U

T

≈(X/R)U

O

>>U

O

。由此可以解释,在发生器输出

的电压只有数百伏的情况下,耐压数千伏的换能

器为什么会被击穿。另外,在此处工作时负载变动

引起的电流变化较大。这个区间里较高的f则对应

着较大R的和较小的X,换能器需要较高的驱动电

压而实际承受的电压却不很高。同时,换能器的发

热较小,负载变动时引起的电流变化也较小。

(2)工作频率为f

P

工作在并联谐振频率f

P

时的特点是等效电阻

R

P

和等效电抗X

P

均较大,所以需要较高的激励电

压和较大的匹配电感。但另一方面,在f

P

附近工作

的换能器却具有功率自动调节的性能。

将并联谐振条件ω

p

=(L

1

C)

-1/2

代入式(2),

即可得到

( 8)

依然利用前述换能器的数据,可计算出

R

P

=4.04k Ω≈ 4.7R

S

。而匹配电感L

P

=X

P

/ ω

P

=1/

ω

P

2

C

0

=16.4mH ≈ 4.7L

S

如果仍然要求换能器的功率达到 50W,则激

励电压为 U

P

=449V ≈ 2.2U

S

( 9)

第2卷第5期 2004年5月 Vol.2 No.5 May. 2004ClCcs a n d t h e w o r k i n g p o i n t o f t h e p i e z o e l e c t r i c

e m a t c h i n g p r i n c i p l e s f o r t h e u l t r a s o n i c c l e a n e r . D e t a i l e d i l l u s t r a t i o n w a s

s e p a r a t e - e x c i t e d u l t r a s o n i c g e n e r a t o r . T h e m e t h o d d e s c r i b e d h e r e m a y b e

恰好等于 X

L

,两者抵消后使激励电压 U

O

和电流 I

同相,因此换能器的工作点必为两交点之一。如果

加大 L,直线 MN 向下平移,两个交点随着下移。

f

S

一侧的M下移对应着频率下降, f

P

一侧的N下

移则导致频率上升。L减小时频率变化的趋势与上

述相反。因此,只需调节匹配电感的大小即可使换

能器的工作频率、等效电阻、吸收功率等都发生改

变。

5.结束语

匹配电路是超声波清洗机中的一种特殊电路,

合理设计和细心调整匹配元件的参数,可以使发

生器和换能器均工作于最佳状态。本文中介绍的

匹配原理和通过调节工作点来改变换能器的等效

电阻和功率的方法,在实践应用中收到较好效果,

对于超声清洗机的设计和调节具有参考价值。

参考文献

[1]张沛霖,张仲渊编.压电测量.工业出版社,

1983.

[2]程存弟主编.超声技术.陕西师范大学出版

社.1993.

[3]鲍善惠.压电换能器的动态匹配. 应用声

学,1998,17(2).

209-217.

[5]任金莲,张明铎,牛勇.功率超声设备频率振

幅自动控制研究.应用声学,2003,22(1).

匹配电感不同,

确定工作点的。

电感变化的原

器的振荡频率

[5]

。图3中用

感L的感抗X

L

N,分别在 f

S

器的等效电抗X

Vol.2 No.5 May. 2004洗净技术Cleaning Technology

鲍善惠(1946-),江苏镇江人。1969年兰州大学物理系本科毕

业,1982年兰州大学物理系硕士研究生毕业。现为陕西师范大学应

用声学研究所副教授,研究方向为功率超声设备的机理、开发与应

用。

11

1.前言

超声波清洗机中的匹配电路是将发生器输出

的电能送往换能器的通道。匹配电路虽然结构简

单(通常只有一个匹配电感),却具有重要作用。相

同型号的清洗机,匹配调得好的清洗效果好;匹配

调得差的则清洗效果差。对同一台机器而言,如果

工作一段时间后清洗效果变差,或者换能器经过

更换,都需要重新调整匹配。与一般电子设备的匹

配有所不同,超声清洗机的匹配除了要解决变阻

问题(即变换负载的阻值,使之与发生器的最佳负

载值相等)外,还要解决调谐问题,即用匹配电感

的感抗抵消换能器的容抗,使换能器呈纯阻性。技

术人员通常是根据各自的经验进行匹配。例如,有

人在改变清洗槽水位时观察电流的变化,如果电

流变化处于一定范围之内,同时管子不发热,空化

声强,便认为匹配已调好。也有人让机器空载时稍

微呈电感性,而在加载后转变为纯阻状态。这些经

验都是适用的。但在已有经验的基础上,再掌握匹

超声波清洗机

鲍善惠 王艳东

(陕西师范大学应用声学研究所 西安 710062)

摘 要 本文在分析压电换能器的阻抗特性和工作点的基础上,讲述了超声波清洗机的阻抗匹配原

理,并分别介绍了他激式和自激式发生器具体的匹配方法。这些对于超声波清洗机匹配电路的设

计和调节都具有参考价值。

关键词 压电换能器 阻抗匹配 工作点

匹配电路

China Cleaning

China Cleaning

中图分类号TB559 文献标识码A 文章编号 1672-2248(2004)05-0011-04

配的原理,就可以在匹配时有的放矢,更加主动,

从而收到事半功倍的效果。

2.匹配原理

(1) 压电换能器的阻抗特性和工作点

压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图

1a所示。图中C

0

为静态电容,它是在远低于谐振

频率的频率上测出的换能器电容,是一个真实的

电学量。L

1

、C

1

和 R

1

分别是动态电感、动态电容

和动态电阻,它们不是真正的电学量,而是从换能

器的质量、机械顺性和损耗分别折算过来的等效

参数。C

0

所在的支路称作并联支路,L

1

、C

1

和 R

1

所在的支路则称作串联支路

[1]

图1. 压电换能器的等效电路

第2卷第5期 2004年5月 Vol.2 No.5 May. 2004洗净技术Cleaning Technology

13

3.他激式发生器的匹配

超声波清洗机的发生器分为他激式和自激式

两种。匹配的具体方案与发生器的激振方式有关。

对于他激式发生器来说,一般是先确定振荡频率

(也就是换能器的工作频率),测定换能器的相关

参数,据此计算出匹配电感的大小。将电感接入电

路后,还需再作微调。在不同的工作点上,换能器

的等效电抗不同,所需要的匹配电感值也是不同

的。下面以常用的串联谐振频率f

S

和并联谐振频率

f

P

为例,介绍匹配的计算方法。f

S

是等效电路中串

联支路的谐振频率,由定义有 f

S

=1/2π(L

1

C

1

)

1/2

f

P

是指R

1

=0时等效电路的并联谐振频率,由定义

有 f

P

=1/2π(L

1

C)

1/2

。C的意义同前。一个实际的

0

=3.730nF,R

1

=1.087k Ω,

C

1

= 8 8 . 1 2 p F ,L

1

= 0 . 7 1 1 m H ,由此算得

f

S

=20.131kHz,f

P

=20.367kHz。f

S

和f

P

对应的工

且与R轴平行的直线,其与圆的交点对应f

P

;再作

坐标原点到 f

P

的直线,此直线与圆的交点即对应

f

S

,如图2所示。

(1)工作在f

S

由阻抗圆图可以看出,在f

S

附近的区域里,R

的值较小,因此所需的激励电压U较小。这是工作

于f

S

的显著特点。另一方面,X的值也较小,这意

味需要的匹配电感 L 也比较小。

将串联谐振的条件ω

S

L

1

=1/ ω

S

C

1

(ω

S

=2

πf

S

为串联谐振角频率)代入式(2),即可算出f

S

时的等效电阻 R

S

和等效电抗 X

S

( 5)

设此时的匹配电感为 L

S

,令ω

S

L

S

= -X

S

即得

( 6)

代入上面的数据,可算出 R

S

=0.861 k Ω,L

S

= 3.49mH。如果设计的换能器功率 P=50W,则

所需激励电压 U

O

=(PR

S

)

1/2

=207V。由于已经调

谐,故激励电压 U

O

全部加在等效电阻R

S

上,即

U

R

=U

O

。流过换能器的电流I

S

=U

O

/R

S

,因而等效

电抗 X

S

上的电压 U

X

=I

S

X

S

=U

O

X

S

/R

S

。换能器两

端的电压 U

T

等于 U

R

与 U

X

( 7)

用上面的数据可以算出 X

S

/ R

S

= 0 . 5 1 2 ,

U

T

=1.23U

O

=255V。可见换能器工作在f

S

时,U

T

不会比 U

O

高出许多。

上面的计算只是一个基础,实际匹配时仍需

根据工作状况对频率和电感进行调节。因此频率

并不是恰好落在f

S

上,而是处在包括f

S

在内的一

个区间里。从阻抗圆图可以看出,这个区间里较低

的f对应着较小的R,因此换能器所需的驱动电压

较小,但较大的 X 和调谐后的较大电流使得 U

X

大。当 X/R>>1 时,换能器实际承受的电压 U

T

≈(X/R)U

O

>>U

O

。由此可以解释,在发生器输出

的电压只有数百伏的情况下,耐压数千伏的换能

器为什么会被击穿。另外,在此处工作时负载变动

引起的电流变化较大。这个区间里较高的f则对应

着较大R的和较小的X,换能器需要较高的驱动电

压而实际承受的电压却不很高。同时,换能器的发

热较小,负载变动时引起的电流变化也较小。

(2)工作频率为f

P

工作在并联谐振频率f

P

时的特点是等效电阻

R

P

和等效电抗X

P

均较大,所以需要较高的激励电

压和较大的匹配电感。但另一方面,在f

P

附近工作

的换能器却具有功率自动调节的性能。

将并联谐振条件ω

p

=(L

1

C)

-1/2

代入式(2),

即可得到

( 8)

依然利用前述换能器的数据,可计算出

R

P

=4.04k Ω≈ 4.7R

S

。而匹配电感L

P

=X

P

/ ω

P

=1/

ω

P

2

C

0

=16.4mH ≈ 4.7L

S

如果仍然要求换能器的功率达到 50W,则激

励电压为 U

P

=449V ≈ 2.2U

S

( 9)

第2卷第5期 2004年5月 Vol.2 No.5 May. 2004ClC·¢éú?÷è??ü±£?¤???ü?÷?y

3£1¤×÷

[4]

恰好等于 X

L

,两者抵消后使激励电压 U

O

和电流 I

同相,因此换能器的工作点必为两交点之一。如果

加大 L,直线 MN 向下平移,两个交点随着下移。

f

S

一侧的M下移对应着频率下降, f

P

一侧的N下

移则导致频率上升。L减小时频率变化的趋势与上

述相反。因此,只需调节匹配电感的大小即可使换

第2卷第5期 2004年5月 Vol.2 No.5 May. 2004

BACK PAGE