超声电源匹配特性的研究

摘要

超声加工过程中，往往要在超声电源与振动系统之间设置匹配电路，调谐和变阻是匹配电路的主要作用，占有相当重要的地位。超声电源匹配性能的优劣不仅决定着整个系统能否高效率的运转，还将左右整个设备的技术性能，甚至会影响超声电源及振动系统各器件的使用寿命。
　　然而，由于各种外界因素及超声振动系统自身因数的原因，常常会造成匹配电路不能准确地进行调谐和变阻，造成振动系统输出功率下降，系统效率降低。针对这一现象，本文对匹配电路进行改进和创新。
　　匹配电路分为静态匹配和动态匹配两种方式。对于静态匹配电路，本文选用调节方便、可调电参数多的T型匹配电路。目前关于T型网络的研究仅停留在其结构的调节方式及其作用层面上，并未对各个电参量数值的正确选取做过说明。一般T型匹配电路中电参数的确定是通过换能器自身参数而定的，然后通过分析发现，换能器与整个超声振动系统连接后，由于传振杆、变幅器、支撑架等器件及其连接问题的存在，换能器的动态电阻R1将有较大幅度的变动，而动态电阻R1是确定T型匹配电路最重要的因素。因此，仅考虑换能器自身而忽视振动系统其他器件所设计的匹配电路不能很好地起到调谐匹配的作用，这将会使振动系统在施加动态负载前就处于失谐的状态。此外，对于动态匹配电路，超声振动系统在施加负载后，由于负载的剧烈变动，常常会引起振动的失谐现象。因此，本文主要通过研究静态和动态两种匹配方式来改善超声电源的匹配特性。
　　本文主要研究内容如下:
　　(1)介绍超声加工技术和超声电源的兴起及在当前世界各国的发展状况，并分别介绍了超声电源的三个发展阶段及超声电源在电路匹配中存在的问题，提出总体的解决的方法。
　　(2)分析超声电源的工作原理及其内部各个模块的工作过程，针对本实验所用超声电源的特性对超声电源内部各个模块电路进行选择，为匹配电路和超声振动系统的分析做准备。
　　(3)根据超声振动系统压电换能器和超声变幅器的工作情况，利用力-电等效模型，推导了压电换能器的等效电路及阻抗圆图，并对换能器等效电路中相关电参数的计算及换能器谐振时的振动频率进行分析说明。
　　(4)针对换能器静态匹配电路中匹配不准确问题，将振动系统其他器件所引起的动态电阻的变化统一进行考虑，利用动态电阻R1与T型网络电参数间的影响关系及匹配电路的两个匹配条件，重新优化调整T型匹配电路中的三个电参量。
　　(5)利用Multisim软件对超声电源内部主电路的工作进行仿真分析，验证仿真结果与理论计算是否相一致。将优化后的T型匹配电路接入换能器等效电路并进行仿真，验证优化后T型匹配电路在动态电阻R1变化时的匹配效果。
　　(6)用阻抗分析仪实际测量振动系统负载变化时引起的等效电路中电参数的变化，将建立好的T型匹配电路和动态调谐匹配电路实物接入超声振动系统，利用示波器验证其实际匹配效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超声技术

1．1．1 超声技术的发展

1．1．2 超声加工技术的特点

1．2 超声电源

1．2．1 超声电源的作用及其工作原理

1．2．2 超声电源的发展

1．3 研究背景及意义

第二章 超声电源

2．1 振荡器的振荡条件

2．2 整流滤波电路

2．3 功放电路

2．4 频率自动跟踪技术

2．4．1 声跟踪技术

2．4．2 电跟踪技术

第三章 超声振动系统

3．1 压电换能器

3．1．1 压电换能器等效电路图

3．1．2 换能器串联和并联谐振频率

3．1．3 串、并联谐振频率的选择

3．2 变幅器

3．2．1 超声传振杆

3．2．2 超声变幅杆

第四章 换能器匹配电路的设计

4．1 匹配电路的作用

4．1．1 调谐

4．1．2 变阻

4．1．3 滤波

4．2 调谐匹配电路的种类

4．2．1 串联调谐

4．2．2 并联电感调谐匹配

4．2．3 LC匹配电路

4．2．4 T型匹配电路

4．3 T型匹配电路的优化

4．3．1 T型网路匹配原理及匹配条件

4．3．2 R1变化对参数的影响

4．3．3 参数的优化

第五章 仿真电路

5．1 整流滤波电路

5．2 功放电路

5．3 优化后T型匹配电路的仿真

第六章 实验分析

6．1 实验目的

6．2 实验设备

6．3 实验结果

6．3．1 负载对超声振动系统参数的影响

6．3．2 优化后T型匹配电路的调试

6．3．3 动态调谐电路的设计

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文