[发明专利]基于数字脉冲驱动的变频超声波系统

说明书

技术领域

本发明涉及超声波应用技术领域，尤其是基于数字脉冲驱动的变频超声波系统。

背景技术

超声波发生器，通常称为超声波电箱、超声波发生源、超声波电源。它的作用是把我们的市电(220V或380V，50或60Hz)转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。

发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；100KHz或以上现在尚未大量使用。目前市场上销售的超声波发生器很多，但是原理和参数一般没有多少差别，一般是它激式超声波发生器。这种发生器只具备一种频率，比如选定了25KHz的发生器，就只能匹配25KHz的换能器，只能产生25KHz的超声波，并且发生器和换能器的频率匹配不能超过2％，这样，随着换能器的损耗，需要更换换能器。

这种超声波发生器优点是，操作简单，容易维护，价格便宜，所以市场上不可调频，或者是二频、三频超声波清洗机用的都是这种超声波发生器，缺点是频率不能连续调节。由于想要研究超声波的频率对乳化、脱气、除尘、除垢、清洗、灭菌效果的影响，所以要求发生器的频率最好能够连续可调。设计超声波发生器是在原有发生器及基础上改进，使其具有调频功能。市场上厂家很少做这种超声波发生器，是因为即使做了这种发生器，没有可以调频的换能器，意义不大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术缺点提供基于数字脉冲驱动的变频超声波系统。

本发明解决技术问题采用的技术方案为：基于数字脉冲驱动的变频超声波系统，包括超声波发生器、超声波换能器和超声波波场作用槽；超声波发生器为基于DDS技术的变频超声波发生器，包括电源、单片机、频率生成模块、功率放大模块、PLL频率反馈模块和输入输出模块；超声波换能器为多组超声波换能单元组成的换能模组，超声波换能单元包括压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、挡圈和外壳；超声波换能器固定在底座上，且与超声波发生器电性连接，所述超声波波场作用槽置于超声波换能器上端，槽内装有溶剂和实验杯；

所述电源分别连接单片机、频率生成模块、功率放大模块和PLL频率反馈模块，所述单片机与输入输出模块、频率生成模块、功率放大模块电性连接，并通过PLL频率反馈模块连接外部超声波换能器。

所述外壳内部分隔为上端的接线腔和下端的压电腔，压电腔底部设有导电胶，导电胶上端连接压电片，所述压电片周围包裹有吸声材料，压电片通过导电柱连接接线腔内的接线板，所述接线板上端设有挡圈，通过导线连接外部信号电缆。

所述超声波发生器上的单片机为基于DDS的ACR芯片集成块，ACR芯片集成块上还集成有带通滤波器电路和信号发生电路。

所述超声波换能器上的压电片为ANN-P5F-1001压电片，压电片通过高温导电胶与铜材料制成的导电柱耦合，高温导电胶优选为DB5015。

所述超声波换能器内的吸声材料，优选为双组份的S2116高弹性电子灌封胶，吸声材料填充于压电片的背面，用于吸收和抑制压电片的反向振动波。

所述接线板为经孔化、镀金、布线处理的双面覆铜板，接线板缓冲连接压电片与外部信号电缆，保护压电片不受电缆焊接应力的影响。

所述挡圈为与接线腔内壁螺纹相适配套的垫圈标准件，用于卡固接线板。

所述外部信号电缆采用2×0.2mm²的多股耐高温柔性电缆，电缆外径约3～3.5mm，弯曲半径大于6mm，外部信号电缆采用高温导电胶灌封至符合IP68防护标准。

本发明技术方案的原理为：

一、超声波发生器实现可调频功能

本发明采用AVR芯片单片机，采用DIP40直插封装，实现超声波发生器的可调频功能。

AVR芯片单片机采用直接数字频率合成(DDS)及其带通滤波器电路，DDS是一种根据输入数字量生成相对于参考频率的频率和相位可调的一种技术，具有高速、高精度、恒温输出及灵活变频、快速反应等优点，但其输出频率谐波频率较多，因此在DDS输出端加入良好的滤波模块，可降低DDS的杂散信号，提高信噪比。

由于系统的工作频率低于200kHz，所以低通滤波器采用有源结构，优选为Salleft-Key拓扑结构的2阶巴特沃思低通滤波器，并在后级采用RC高通滤波器滤除直流成分。

上述电路的数模转换器，优选DDS型号为AD9835BRUZ的数模转换器。