技术领域
[0001] 本
发明涉及
超声波清洗技术领域，尤其涉及一种超声波谐振频率匹配装置。
背景技术
[0002] 超声波
破碎是利用超声能实施物料破碎的过程。破碎原理包括：超声在介质中传播形成的正负交变声压场对介质中的物料颗粒施加拉压作用
力，频繁的交变
应力可导致颗粒疲劳破碎；当超声频率与物料颗粒共振频率一致时，可激发颗粒共振，使
能量产生激荡，致使物料颗粒共振破碎；超声
空化作用使得声场低压处空穴(非稳态微气泡)形成、高压处空穴溃灭，空穴溃灭时产生的高强穴壁冲击力使得物料颗粒破碎或疲劳破碎。该原理作为一种重要的声能转化和利用方法广泛应用于微
粉碎加工中。
[0003] 超声破碎通常采用单一频率处理方式，当频率确定时，提升破碎场内声压幅值的峰谷压差对可强化上述三种破碎能量，有效提高声能利用率。目前国内的超声波清洗针对一些特殊工艺需要进行多次，不同频率的清洗，需要将清洗试样移动，放置在不同的清洗槽清洗，这样增加了成本。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于解决现有超声波清洗需要清洗试样移动，放置在不同的清洗槽清洗，存在操作不便，成本高，清洗设备体积大以及清洗效果不理想等技术问题，而提出一种超声波谐振频率匹配装置。
[0005] 为解决本发明所提出的技术问题，采用的技术方案是：
[0006] 一种超声波谐振频率匹配装置，包括取
水槽、超声波振子、超声波控制
电路、X轴驱动机构、Y轴驱动机构和
外壳，所述超声波振子安装在所述取水槽的四个侧面及底面上，所述超声波控制电路用于控制所述超声波振子发出预设频率超声波，所述取水槽的四个侧面及底面的连接处设置有可折叠结构，所述X轴驱动机构用于驱动所述取水槽位于X轴方向的两个侧面依靠所述可折叠机构进行扩张或收缩，所述Y轴驱动机构用于驱动所述取水槽位于Y轴方向的两个侧面依靠所述可折叠机构进行扩张或收缩，所述取水槽、X轴驱动机构、Y轴驱动机构和所述超声波振子作为整体位于所述外壳内，且所述取水槽的开口朝外。
[0007] 可选的，所述X轴驱动机构包括X轴驱动
电机、X轴
螺纹杆、第一
连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆和所述第二连接杆的一端分别固定在所述取水槽的X方向的两个侧面上，另一端分别与所述X轴螺纹杆
螺纹连接，所述X轴
驱动电机驱动所述X轴螺纹杆正转或反转，进而带动所述第一连接杆和所述第二连接杆相向或相背而行；所述Y轴驱动机构包括Y轴驱动电机、Y轴螺纹杆、第三连接杆和第四连接杆，所述第三连接杆和所述第四连接杆的一端分别固定在所述取水槽的Y方向的两个侧面上，另一端分别与所述Y轴螺纹杆螺纹连接，所述Y轴驱动电机驱动所述Y轴螺纹杆正转或反转，进而带动所述第三连接杆和所述第四连接杆相向或相背而行。
[0008] 可选的，所述超声波控制电路包括
单片机、220V交流电源、
电流检测模
块、双向晶闸管、桥式整流堆、电感线圈、MOS驱动电路、过零点检测模块、第一
反相器、第二反相器、PWM功率驱动电路、第三反相器、功率调节模块、
开关变压器、电机驱动电路和电感调节机构，所述220V交流电源连接所述电流检测模至所述单片机，所述220V交流电源依次连接所述双向晶闸管、桥式整流堆、电感线圈、MOS驱动电路和所述超声波振子，所述单片机依次连接所述第一反相器、第二反相器、PWM功率驱动电路、开关变压器和所述MOS驱动电路，所述第一反相器连接所述功率调节模块至所述双向晶闸管，所述第一反相器依次连接所述PWM功率驱动电路、第三反相器和所述单片机，所述220V交流电源连接所述桥式整流堆，所述桥式整流堆连接所述过零点检测模块至所述单片机，所述电机驱动电路分别连接所述X轴驱动电机、Y轴驱动电机和所述电感调节机构，所述电感调节机构用于调节所述电感线圈电感大小。
[0009] 可选的，所述电流检测模块包括电流互感器和整流滤波电路，所述220V交流电源依次连接所述电流互感器、整流滤波电路和所述单片机；和/或所述功率调节模块包括触发控制电路和触发控制放大电路，所述第一反相器依次连接所述触发控制放大电路、触发控制电路和所述双向晶闸管；和/或导通关断电路，所述单片机连接所述导通关断电路至所述功率调节模块；和/或所述超声波控制电路包括稳压模块，所述稳压模块为所述单片机、PWM功率驱动电路和所述功率调节模块提供稳压电源。
[0010] 可选的，包括功能键设定模块和/或自检模块和/或测距检测电路和/或显示模块，所述功能键设定模块、自检模块、测距检测电路和所述显示模块分别与所述单片结连接。
[0011] 可选的，所述稳压模块包括变压器、整流滤波模块和稳压电路，所述220V交流电源依次连接所述变压器、整流滤波模块和所述稳压电路，所述稳压电路为所述单片机、PWM功率驱动电路和所述功率调节模块提供稳定
电压。
[0012] 可选的，所述可折叠机构由
硅胶材料制成。
[0013] 可选的，所述取水槽的底部安装有试管
支架，所述试管支架的周边通过
弹簧与所述取水槽的四个侧面弹性连接。
[0014] 可选的，包括电源和
风扇，所述电源与所述风扇连接，所述风扇用于超声波振子
散热。
[0015] 可选的，所述外壳上设有散热孔，所述散热孔用于所述超声波振子及所述电源散热。
[0016] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0017] 本发明能在不移动清洗试样的情况下对试样进行多频段清洗，达到其他清洗设备需要多个清洗槽才能完成清洗的效果，同时能够调节取水槽的尺寸使发射超声波与反射超声波处于同
相位来增强振动幅度，从而提高粉碎或清洗效果；
[0018] 本发明可以在低功模式(双向晶闸管导通
角较小时)进行频率扫描，根据功率最大时可以获得超声波最佳工作频率；在最佳工作频率设定后，可以通过调节线圈绕组电感来获得最大功率；当超声波振子处于最佳工作频率和最大功率时，通过调节取水槽的长和宽使其等于超声波
波长的整数倍，使取水槽的超声波入射波和反射
波形成干涉加强；
[0019] 本发明采用硅胶材料制成的位于取水槽的四个侧面及底面的连接处的可折叠机构，可以调节取水槽长度和宽度，以实现超声波在取水槽内的干涉加强；
[0020] 本发明采用的试管支架用于插入试管，试管内可以放置
生物试样或者其他需粉碎试样，而采用弹簧来连接试管支架和取水槽的四个侧面可以适应取水槽扩张和收缩时长度和宽度发生变化；
[0021] 本发明采用风扇对超声波振子及电源进行散热，而相应地，在外壳上设有对超声波振子及电源进行散热的散热孔。
[0022] 当然，采用本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的全部优点。
附图说明
[0023] 图1为本发明一
实施例的超声波谐振频率匹配装置除去外壳的结构图；
[0024] 图2为本发明一实施例的超声波谐振频率匹配装置外视图；
[0025] 图3为本发明一实施例的试管支架装配结构图；
[0026] 图4为本发明一实施例的超声波谐振频率匹配装置控制电路；
[0027] 图5为图4的电感调节机构结构图；
[0028] 图6为图4的电机驱动电路图；
[0029] 图7为图4的超声波驱动电路图；
[0030] 图8为图4的主控电路图。
[0031] 图中，1-取水槽；2-超声波振子；3-X轴驱动机构；4-Y轴驱动机构；5-外壳；6-可折叠机构；7-盖板；8-X轴驱动电机；9-X轴螺纹杆；10-第一连接杆；11-第二连接杆；12-Y轴驱动电机；13-Y轴螺纹杆；14-第三连接杆；15-第四连接杆；16-安装孔；17-散热孔；18-试管支架；19-弹簧；20-上端日字形硅
钢片；21-底面
固定板；22-升降电机；23-升降螺纹杆；24-
螺母；25-电感线圈；26-接线端；27-空气间隙；28-顶面固定板；29-下端日字形硅钢片。
具体实施方式
[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。
[0033] 结合图1和图2所示，一种超声波谐振频率匹配装置，包括取水槽1、超声波振子2、超声波控制电路、X轴驱动机构3、Y轴驱动机构4和外壳5。取水槽1的四个侧面及底面由钢板或者其他适合超声波清洗用的板材组成，四个侧面及底面的连接处设有可折叠机构6，可折叠机构6可以展开或折叠，取水槽1可以凭借可折叠机构6的展开或折叠来改变容积大小，也就是改变取水槽1的长宽尺寸，可折叠机构6与取水槽1的四个侧面及底面为密封连接，因此取水槽1中的水或者
溶剂不会发生泄露。具体地，X轴驱动机构3用于驱动取水槽1位于X轴方向的两个侧面相向或相背移动，Y轴驱动机构4用于驱动取水槽1位于Y轴方向的两个侧面相向或相背移动。取水槽1的四个侧面及底面分别安装有两个超声波阵子2，超声波阵子2的数量不做限制，超声波控制电路可以调节超声波阵子2发出的超声波频率，超声波阵子2在取水槽1内发出超声波入射波，超声波入射波经对面的钢板反射形成超声波反射波，当超声波反射波和超声波入射波的相位相同时，两者形成干涉加强，此时具有最好的超声波清洗效果。本发明可同时调节超声波阵子2发出的超声波频率和取水槽1的尺寸，以实现超声波干涉加强和在低功耗模式下具有最大功率。取水槽1、X轴驱动机构3、Y轴驱动机构4和超声波振子2作为整体位于外壳5内，且取水槽1的开口朝外，其
外延设置的盖板7与外壳5连接，以实现保护超声波谐振频率匹配装置内部结构的作用。
[0034] 在一个实施例中，X轴驱动机构3包括X轴驱动电机8、X轴螺纹杆9、第一连接杆10和第二连接杆11，第一连接杆10和第二连接杆11的一端分别固定在取水槽1的X方向的两个侧面上，另一端分别与X轴螺纹杆9螺纹连接，X轴驱动电机8固定在取水槽1X轴方向的一个侧面上，X轴驱动电机8驱动X轴螺纹杆9正转或反转，带动第一连接杆10和第二连接杆11相向或相背而行，第一连接杆10和第二连接杆11带动取水槽1X轴方向的两个侧面相向或相背而行；Y轴驱动机构4包括Y轴驱动电机12、Y轴螺纹杆13、第三连接杆14和第四连接杆15，第三连接杆14和第四连接杆15的一端分别固定在取水槽1的Y方向的两个侧面上，另一端分别与Y轴螺纹杆13螺纹连接，Y轴驱动电机12固定在取水槽1Y轴方向的一个侧面上，Y轴驱动电机12驱动Y轴螺纹杆13正转或反转，带动第三连接杆14和第四连接杆15相向或相背而行，第三连接杆14和第四连接杆15带动取水槽1Y轴方向的两个侧面相向或相背而行。
[0035] 在一个实施例中，可折叠机构6可以是由硅胶材料或者其他适合扩张和收缩的材料制成，可以是由弹性材料或非弹性材料制成，在收缩时可以是折叠状态、非折叠状态或者部分是折叠状态，部分是非折叠状态。
[0036] 如图3所示，取水槽1的底部安装有试管支架18，试管支架18上排布有插槽或者插孔，内含清洗试样的试管放置在插槽或插孔内，试管支架18的周边通过弹簧19与取水槽1的四个侧面弹性连接，通过弹簧19的拉伸和压缩来适应取水槽1的四个侧面的扩张和收缩。
[0037] 在一个实施例中，本装置包括电源和风扇，电源与风扇连接，为风扇提供
电能，风扇安装在取水槽1的底面的下方，但不做限制，风扇
自下而上吹风，
加速位于取水槽1的四个侧面及底面的超声波阵子2散热。相应地，外壳5上设有散热孔17，散热孔17用于超声波振子及电源散热。外壳5上还设有安装孔16，通过安装孔16可以实现X轴驱动机构3和Y轴驱动机构4安装在外壳5内部。
[0038] 如图4所示，超声波控制电路包括单片机、220V交流电源、电流检测模块、双向晶闸管、桥式整流堆、电感线圈、MOS驱动电路、过零点检测模块、第一反相器、第二反相器、PWM功率驱动电路、第三反相器、功率调节模块、开关变压器、电机驱动电路和电感调节机构，220V交流电源连接电流检测模至单片机，220V交流电源依次连接双向晶闸管、桥式整流堆、电感线圈、MOS驱动电路和超声波振子，单片机依次连接第一反相器、第二反相器、PWM功率驱动电路、开关变压器和MOS驱动电路，第一反相器连接功率调节模块至双向晶闸管，第一反相器依次连接PWM功率驱动电路、第三反相器和单片机，220V交流电源连接桥式整流堆，桥式整流堆连接过零点检测模块至单片机，电机驱动电路分别连接X轴驱动电机、Y轴驱动电机和电感调节机构，电感调节机构用于调节电感线圈电感大小。
[0039] 在一个实施例中，超声波控制电路包括功能键设定模块、自检模块、测距检测电路和显示模块，功能键设定模块、自检模块、测距检测电路和显示模块分别与单片结连接。本实施例中，功能键设定模块可以用于功率调节、清洗或粉碎时间设定以及频率校正等。自检模块可以用于超声波控制电路的各项参数指标是否合乎规定，是否正常运行。测距检测电路用于检测取水槽尺寸大小，可以是在取水槽的侧面内壁设置超声波
传感器来实现测距，但不做限制。显示模块可以用于显示装置的各项的设定参数和/或当前装置的各项实际参数。
[0040] 如图5所示，电感调节机构包括上端日字形硅钢片20、底面固定板21、升降电机22、升降螺纹杆23、螺母24、顶面固定板28和下端日字形硅钢片29，电感线圈25放在上端日字形硅钢片20和下端日字形硅钢片29之间，上端日字形硅钢片20和下端日字形硅钢片29之间具有空气间隙27，电感线圈25上的两个接线端26分别与桥式整流堆和MOS驱动电路电连接，下端日字形硅钢片29和两个升降电机22固定在底面固定板28上，上端日字形硅钢片20和两个螺母24固定在顶面固定板28上，两个升降螺纹杆23分别与两个螺母24及顶面固定板28螺纹连接，两个升降电机22分别驱动两个升降螺纹杆23升降，进而带动上端日字形硅钢片20升降，从而调节上端日字形硅钢片20和下端日字形硅钢片29之间的空气间隙27的大小，空气间隙27越小，则电感线圈25的等效电感越大，空气间隙27越大，则电感线圈25的等效电感越小。
[0041] 在一个实施例中，电流检测模块包括电流互感器和整流滤波电路，220V交流电源依次连接电流互感器、整流滤波电路和单片机，在低功模式进行频率扫描，当电流检测模块检测到最大电流，则此时功率最大，即可以获得超声波最佳工作频率。功率调节模块包括触发控制电路和触发控制放大电路，第一反相器依次连
接触发控制放大电路、触发控制电路和双向晶闸管，功率调节模块可以调节双向晶闸管的导通角大小，进而可以调节超声波振子输出功率大小。导通关断电路，单片机连接导通关断电路至功率调节模块，当电路出现过压、过流、
过热、空载或
短路时，导通关断电路关断整个装置的控制电路，起到保护装置作用。超声波控制电路包括稳压模块，稳压模块为单片机、PWM功率驱动电路和功率调节模块提供稳压电源。
[0042] 在一个实施例中，稳压模块包括变压器、整流滤波模块和稳压电路，220V交流电源依次连接变压器、整流滤波模块和稳压电路，稳压电路为单片机、PWM功率驱动电路和功率调节模块提供稳定电压。
[0043] 如图6所示，电机驱动电路，L298内部包含4通道逻辑驱动电路，可以驱动两个直流电机或一个两相步进电机。L298驱动2路直流电机，表1为其控制方式及直流电机状态。
[0044] 表1
[0045]ENA IN1 1N2 直流电机状态
0 X X 停止
1 0 0
制动1 0 1 正转
1 1 0 反转
1 1 1 制动
[0046] 如表1所示，当对直流电机M1进行调速时，先设定IN1和IN2来确定电机的转动方向，然后对使能端A输出PWM脉冲来调速。注意，当ENB＝0时，电机处于自然停止状态；当ENB＝1时，且IN1和IN2为00或者11时，电机处于制动状态。直流电机M2的设置如直流电机M1，其中IN1至IN4分别与单片机STC15F的P17、P11、P12和P13连接。图5的电感调节结构的驱动电路原理图同图6一样，其中IN1和IN2分别与单片机STC15F的P17和P11连接，OUT1和OUT2分别连接如图5所示的两个升降电机22。
[0047] 如图7所示，220V交流电一路经变压器T1，分两组输出，一组经DD3桥式整流，电容C6滤波，后经稳压集成块U3(7812)，输出OT12V电源，该电源作为电机工作电源和
触发电路选频网络(20KHz)工作的电源。TMF
信号(20KHz)送至图8中的TMF信号处，经V3反相后送回至图7中的OT处；变压器T4的初级和电容C14组成LC选频网络(20KHz)；当OT的频率等于其固有频率时，此时处于谐振状态。T4的次级与电容C12、R19和D10组成双向晶闸管的触发角G的
控制信号，OT脉冲信号的脉宽可以调节双向晶闸管的导通角，脉冲宽度越大，则Q8的导通角越大，反之则越小。220V输入电源一路经电流互感器T1和图8主控电路中的IC2整流滤波后，取样电路R31和R42，取样后送单片机STC15F的P10经AD转换，其大小表示超声波振子工作的电流大小。220V输入电源一路经双向晶闸管Q8(A、K两引脚)至整流堆DD1整流，电容C7滤波后作为超声波振子输出工作的偏置电源。其中改变Q8导通角可以调节超声波振子输出功率大小。
[0048] 如图7所示，Q4和Q5组成OTL功放电路，Q2和Q3组成OTL功放电路，作为PWM驱动电路，OUT和OUI为一对互补的PWM信号(20KHz)，OUT为高电平时，OUI为低电平，反之，OUT为低电平时，OUI为高电平，具体控制过程为：
[0049] 当OUT为高电平，OUI为低电平时，电流经Q4、C1、T2(初级)、R1、R2和Q3到地，形成回路，T2的次级输出PWM脉冲(极性为上正，下负)，场效应管Q7的栅极为高电平导通；DD1整流后的电源经C15、变压器T5(隔离变压器)的初级、Q7到地形成回路，变压器的次级(上正下负)输出PWM经电感线圈L1和超声波振子(其中变压器T5初级与电容C15组成选频网络(20KHz))，即通过
接口JP15依次连接电感线圈25(见图5)和超声波振子2(见图1)至地；
[0050] 当OUT为低电平，OUI为高电平时，电流经Q2、R1、R2、C1和Q5到地，形成回路，T2的次级输出PWM脉冲(极性为上负下正)，场效应管Q6的栅极为高电平导通；DD1整流后的电源经Q6、变压器T5(隔离变压器)的初级、C16到地形成回路，变压器的次级输出PWM(上负下正)经L1和超声波振子(其中变压器T5初级与电容C16组成选频网络)。
[0051] 如图8所示，单片机STC15F的P17、P11、P12和P13与产生的PWM调速脉冲作为图6电机调速信号，驱动图1中的X轴驱动电机8和Y轴驱动电机12，P15和P16作为电感线圈等效电感的调整信号。P10为单片机STC15F内部ADC的输入脚，其电压的大小表示超声波振子工作时的电流大小。P25和P24为功率调节(增大、减小)按键，调节单片机STC15F的P35的20KHz的脉冲宽度，调节了图7中TMF的脉宽，即调节图7中OT的脉宽，即调节了图7中Q8触发极的导通角，从而调节了超声波振子的功率大小。
[0052] 如图8所示，P20用于频率校正(主要确定超声波工作频率、空气间隙电感匹配值和取水槽尺寸大小)，具体过程为：
[0053] (1)在低功模式(双向晶闸管导通角较小时)进行频率扫描，当功率最大时，此时超声波处于最佳工作频率状态；
[0054] (2)在第一步频率设定后，此时再启动电感调节机构，调节电感线圈的等效电感大小，使其在低功模式下功率达到最大值(调节过程：主要通过单片机STC15F输出PWM脉冲用于控制电感调节机构调节电感线圈的等效电感大小，使超声波振子处于最优阻抗匹配，此时的功率应为最大值)；
[0055] (3)在完成上述(2)步骤后，启动X轴驱动电机和Y轴驱动电机，调节取水槽的长和宽，使其等于超声波波长的整数倍，主要目的是使取水槽中的超声波入射波和反射波形成干涉加强。
[0056] 如图8所示，P21连接开始/停止按键，按一次，超声波振子开始工作，再按一次，停止工作。SY信号为图7中DD2整流后的100Hz半波信号，经图8中IC5B反相器整形成100Hz脉冲信号，作为零检测和频率检测的同步脉冲信号。单片机STC15F的P35输出20KHz的超声波。P37作为取水槽X轴测距传感器和Y轴测距传感器的发射端，P31和P32分别作为取水槽X轴测距传感器和Y轴测距传感器的接收端。其中X轴测距传感器和Y轴测距传感器选用40KHz的
超声波传感器模块。
[0057] 如果预设的功率为300W，利用图7中的SY信号，经图8送至单片机STC15F的P33引脚，当P33信号由0向1跳变时，表示交流正弦信号过零点，启动扫频方式进行，ADC采集间隔为9ms一次数据(过零点后同步采集电流的上升期)，共采集500ms，只有后10次数据有效，90ms时间，每90s进行一次扫频。计算电流频率值，计算功率，如果功率没有达到预定值，如
300W，则频率从18KHz～21KHz，扫描
分辨率为100Hz。
[0058] 每计算一次500ms采集周期一次，调节频率，如果采集电流增大，再继续调节频率，一直到电流达到预设的功率值时为止。此时的频率即为超声波振子发生器的谐振频率，如果此时功率调到最大仍然达不到设定的功率值，则调节电感线圈L1的等效电感，启动ADC，P10采集电流，计算功率，当达到预定的功率值，则停止调节。
[0059] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
