摘 要

超声波技术起始于二十世纪初期，经过长时间的发展，已成为声学中最为活跃的领域，超声波技术也越来越成熟，广泛运用于当今社会、经济、军事和我们的日常生活当中。超声波清洗属于功率超声应用，它是将被清洗物放在清洗液中，然后向清洗液中辐射超声波产生空化作用，形成空化气泡运动产生的微弱冲击流和由气泡崩塌产生的高强度冲击波作用于被清洗物表面的污垢残渣，使之脱离被清洗物进一步溶解，从而达到清洗的作用。

本文以超声波清洗的功率电源部分为研究对象，查找了大量国内相关的文献和资料，了解到超声波清洗发展的现状，找出了问题局限性和不足之处，做出了进一步的改进。根据超声波电源的设计要求，提出了主电路、控制电路和驱动电路的设计方案，并对其进行了不同方案的比较、电路原理的分析和电路仿真。

本文提出采用基于UC3875芯片的控制电路，使其实现功率可调、频率自动跟踪等功能。UC3875是移相调压专用芯片，结构简单，控制电路成熟，同时具有过流过压保护等功能。为了满足IGBT驱动功率的要求，使IGBT能够稳定开断，采用基于KA962芯片的驱动电路。通过对比不同的电路方案进行主电路的设计，最终确定了桥式整流和全桥逆变的方案，并对主电路进行了MATLAB的仿真。本文根据换能器的参数，设计出了匹配电路，使换能器工作在谐振状态。最后通过使用锁相环的原理设计出了频率自动跟踪系统。

关键词：超声波清洗；空化作用；UC3875控制电路；频率自动跟踪电路

Abstract

Ultrasonic technology has been created in the early twentieth century, after a long period of development, has become the most active areas of acoustics.Ultrasound technology is also more and more mature, widely used in today's society, economy, military and our daily life.Ultrasonic cleaning belongs to power ultrasound application, it is to be washed in the cleaning solution, and then to the cleaning fluid radiation ultrasonic cavitation.

In this paper, the power part of ultrasonic cleaning is taken as the object of study, and a lot of domestic related literatures and information are found. The present situation of ultrasonic cleaning is found, and the limitations and shortcomings of the problem are found, and further improvement is made.According to the design requirements of ultrasonic power supply, the design scheme of main circuit, control circuit and driving circuit is put forward, and the comparison of different schemes, circuit principle analysis and circuit simulation are carried out.

In this paper, control circuit is based on UC3875 chip, which has the function of adjustable power and automatic frequency tracking. UC3875 is a special chip for phase shifting, it has simple structure, mature control circuit, and over-current over-voltage protection and other functions.In order to meet the IGBT drive power requirements, so that IGBT can be stable and broken, based on KA962 chip driver circuit.

By comparing the design of the main circuit with different circuit schemes, the scheme of bridge rectification and full bridge inverter is finally determined, and the main circuit is simulated by MATLAB.

Keywords: Ultrasonic cleaning；Cavitation effect；UC3875 control circuit；Frequency automatic tracking circuit

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 超声波清洗的研究现状和发展趋势 2

1.3 研究主要内容 2

第2章 超声波清洗的理论基础及设计方案 4

2.1 超声波清洗的理论基础 4

2.1.1 空化作用 4

2.1.2 超声波频率的影响 4

2.1.3 超声波清洗的原理 4

2.2 超声波清洗机的组成 5

2.3超声波电源的设计方案 7

第3章 超声波电源的主电路设计 8

3.1 整流电路设计 8

3.1.1 整流电路简介 8

3.1.2 整流电路选择 9

3.2 逆变电路设计 10

3.2.1 逆变电路简介 10

3.2.2 IGBT简介 11

3.2.3 全桥逆变电路设计 12

3.3 超声波电源的主电路 12

3.4 主电路仿真 13

第4章 控制电路及驱动电路设计 17

4.1 基于UC3875芯片的控制电路设计 17

4.1.1 移相调压原理 17

4.1.2 UC3875移相专用芯片 17

4.1.3 基于UC3875芯片控制电路图 20

4.2 驱动电路设计 20

4.2.1 IGBT对驱动电路的要求 20

4.2.2 KA962驱动芯片介绍 21

4.2.3 基于KA962芯片的驱动电路图 21

4.2.4 过流保护曲线 23

第5章 匹配电路与频率自动跟踪电路 24

5.1 匹配电路 24

5.1.1 调谐匹配 24

5.1.2 阻抗匹配 25

5.2 锁相式频率自动跟踪电路 26

总 结 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

随着现代科学技术的不断发展，各学科之间联系越来越紧密，新兴技术不断出现。超声波技术作为一门多学科交叉的科学，获得了科研者们得高度关注。如今超声技术已在医疗检测、食品加工、生物科学和化学工程等领域得到了广泛得应用，发挥着越来越大的作用。超声技术可分为检测超声波和功率超声波，而这篇论文研究的内容属于功率超声技术的一个应用部分^[1][2]。

1.1 研究背景及意义

超声波技术崛起于20世纪，并且发展迅速^[3]。现在总体上讲超声波包含有3种作用，包括空化作用、机械力学作用和热学作用。超声波也是能量的一种表现形式，随着科技的发展，超声波技术也越来越成熟，人们发现超声波可以广泛的应用于各个领域，它在当今社会、国民经济、国防科技和我们的日常生活当中已经无处不在，在诸如物理、化学、生物学和医学等应用范围广泛的应用。超声波清洗也是超声波技术中的一种，它是就是利用超声波空化作用来清洁物体污垢的^[4]。

超声波清洗属于功率超声应用，它是将被清洗物放在清洗液中，然后向清洗液中辐射超声波产生空化作用，形成空化气泡运动产生的微弱冲击流和由气泡崩塌产生的高强度冲击波作用于被清洗物表面的污垢残渣，使之脱离被清洗物进一步溶解，从而达到清洗的作用^[5][6]。它具有清洗效率高、方便快速、安全性好等方面的优点，超声波清洗如今无论在原理上还是技术上都已经非常的成熟^[7]。在我们的日常生活中，需要清洗的物品种类繁多，清洗要求也各不相同，清洗的环节也很复杂，传统的清洗方式如吹式、刷子、浸润式等往往不能满足所需的清洗要求，此时超声波清洗表现出了巨大的优势，由于超声波在介质中传播的穿透性并且产生空化作用，使它比传统的清洗方法效率高出几十倍甚至几百倍。并且配上当今先进的化学试剂来调节溶液的酸碱度，促使残留物溶解，清洗效率进一步提高，可以达到意想不到得效果，能够应用在具有较高工艺要求的生产过程当中。经过总结，我们可以从表1中看出超声清洗效果是几种清洗方法中效果最好的^[8][9][10]。