- 相關(guān)推薦
功率超聲與機電一體化的研究應(yīng)用
摘要: 對超聲的特性、超聲空化的奇特作用及其在機電一體化技術(shù)中的特殊應(yīng)用進行了揭示; 根據(jù)生物材料加工的實際需要, 將超聲技術(shù)與機電一體化進行有機結(jié)合, 并利用CAN 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)整個超聲加工、生產(chǎn)系統(tǒng)的計算機過程控制。通過安裝調(diào)試和實際應(yīng)用, 證明該方案設(shè)計合理、運行穩(wěn)定可靠。
關(guān) 鍵 詞: 功率超聲; 超聲空化; 機電一體化; CAN 總線
1 引言
現(xiàn)代聲學(xué)是一門滲透性很強的科學(xué), 與較多的學(xué)科或技術(shù)相互交叉、相互聯(lián)系, 形成了許許多多的分支, 超聲就是其中之一。功率超聲與機電一體化的研究, 近年來吸引了科技界的廣泛關(guān)注, 形成新的熱點。在對功率超聲與機電一體化相結(jié)合的原理、方法予以研究, 并利用CAN 總線技術(shù), 實現(xiàn)超聲加工、生產(chǎn)系統(tǒng)的計算機過程控制。
2 奇特的功率超聲超聲的工作頻率通常高于幾十kHz, 甚至幾百MHz 以上。功率超聲的應(yīng)用, 就是用功率密度較大( 幾W/cm2 到幾百W/ cm2 甚至更大) 的超聲能量對物質(zhì)作用, 以改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)[1] 。大功率超聲的產(chǎn)生有多種方法, 通常利用換能器組通過聚焦、增幅等方法獲得高聲強的超聲。
超聲波在傳播過程中與介質(zhì)相互作用時, 會產(chǎn)生一系列奇特的機械效應(yīng)、熱效應(yīng)、波動效應(yīng)和空化效應(yīng)等, 這些效應(yīng)在某些條件下會發(fā)生非常劇烈的能量交換。例如, 超聲波與生物體作用時, 在分子水平產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng), 包括分裂各種單糖、多糖和核酸, 使淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)楹? 使氨基酸脫氨和分裂氮氫鍵, 還能改變維生素、酶、激素的活性及功能等。功率超聲的主要特性如下。
211 超聲波的束射性人耳可感受的聲音通常是球面波, 即以聲源為中心呈球面向四周擴散, 周圍均能聽到聲音。由于超聲波頻率高, 束射性相對較強。超聲波的束射性, 對其用于醫(yī)療和測距有重要意義。例如, 在對某目標(biāo)進行超聲處理時, 應(yīng)使聲波輻射垂直對準(zhǔn)靶目標(biāo)。以超聲波振源輻射出的聲場中心處束射性最強, 愈向外側(cè)愈弱。所以, 在超聲波處理操作時, 要根據(jù)具體需要, 控制目標(biāo)各部位得到的超聲波劑量。
212 超聲波的透射、反射、折射與聚集現(xiàn)象與可見光一樣, 超聲波具有波動特性。定向傳播時, 在兩種不同媒質(zhì)的分界面上, 會出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象。超聲波的聚集現(xiàn)象和光線的聚集現(xiàn)象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會聚到一點, 使超聲波的聲強提高幾倍甚至幾千倍, 可用于超聲波切割、鉆孔、打磨等。我國當(dāng)前在高能聚焦超聲(HIFU) 用于治療癌癥方面的研究和臨床應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位。
213 超聲波的吸收與衰減聲波在媒質(zhì)中傳播時, 媒質(zhì)要吸收掉一部分能量, 隨著傳播路程的增加, 聲強會逐漸減弱。各種不同頻率的聲波在媒質(zhì)中傳播時被吸收程度不同。頻率越高, 媒質(zhì)對其吸收越快, 傳播距離越短。同一聲波在不同媒質(zhì)中傳播時, 被吸收的程度也不同。聲波在空氣中傳播的距離最短, 在水中則可傳播較遠的距離, 而在金屬中則能傳播得更遠。
圖1 空化氣泡的產(chǎn)生214 超聲波的空化效應(yīng)21411 聲空化核的形成氣泡穩(wěn)定地存在于液體中即為空化核。通常, 液體中的氣泡難以長時間穩(wěn)定地存在。但是, 若液體中含有帶氣隙的固體粒子, 當(dāng)空隙內(nèi)的氣體團表面的負(fù)壓力和熱力平衡時, 便會呈現(xiàn)穩(wěn)定的氣泡。這種氣泡在超聲波作用下, 在聲壓超過空化閾值時便會形成空化核。圖1 為超聲空化作用下氣泡的產(chǎn)生。
21412 超聲空化現(xiàn)象的實質(zhì)當(dāng)超聲能量在液態(tài)混合物中傳播時, 液體中那些持續(xù)暴露在超聲場中的氣泡, 可能經(jīng)歷如下某些復(fù)雜過程:
( 1) 進行周期性尺寸變化( Size Oscillations) ; ( 2) 在聲波稀疏期迅速膨脹, 并猛然崩塌; ( 3) 慢慢被溶解消失; ( 4) 因液體對流或浮力作用而逃逸到液面。空化氣泡經(jīng)歷過程的數(shù)值描述如圖2 所示。
圖2 超聲空化引起氣泡的形成、成長和崩潰過程21413 強大的空化作用超聲空化引發(fā)的/ 聚變效應(yīng)0 僅僅局限在微小空間( 單泡半徑Ro< 0101mm) 和瞬間, 雖對生物組織可能引發(fā)一系列的生物、物理、化學(xué)反應(yīng),甚至造成組織的細胞損傷或破壞, 但這些作用都可以有效控制, 而且無擴散、無污染、高效、安全,因此被生命科技界廣泛看好。
3 機電一體化超聲處理機
超聲反應(yīng)釜主體內(nèi)的結(jié)構(gòu)Mechatronics 是根據(jù)英文單詞Mechanics( 機械學(xué)) 或Mechanism( 機構(gòu)或機械裝置) 的前半部分和Electronics( 電子學(xué)) 的后半部分構(gòu)成, 構(gòu)成/ 機電一體化0專用名詞[2] 。
機電一體化在工業(yè)產(chǎn)品的制造工程中, 是機械工程、電子技術(shù)與智能計算機控制的協(xié)同集成, 是機械、微電子、自動控制、傳感器、電力電子及軟件技術(shù)等有機結(jié)合而建起來的一門新的學(xué)科形式[ 3] 。
隨著上述各種技術(shù)的發(fā)展和新型材料及基礎(chǔ)元器件的出現(xiàn), 以機械為主體的各種工業(yè)產(chǎn)品和民用產(chǎn)品,已從機械化向自動化和智能化方向發(fā)展。數(shù)控機床、機器人、智能化量具量儀、柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、集成制造系統(tǒng)、全自動照相機、新型醫(yī)療設(shè)備( 如CT 機)等, 體現(xiàn)了機電一體化產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用[4] 。作為實用范例, 介紹一套基于功率超聲和機電一體化技術(shù), 自行研制成功的生物材料超聲處理機。
311 機電一體化超聲處理機基于功率超聲和機電一體化技術(shù)設(shè)計制造的生物材料處理機的主體機構(gòu)如圖3 所示。主要由安裝在反應(yīng)罐上的超聲波發(fā)生器、溫度控制器、攪拌機、管道和閥門開關(guān)組成。與其配套的設(shè)備還有控制柜、CAN 總線控制網(wǎng)絡(luò)、工控機等。
該系統(tǒng)主要應(yīng)用于生物材料加工, 如中藥的生產(chǎn)工藝。實踐證明, 中藥有效成分的低溫超聲萃取與幾種傳統(tǒng)的提取工藝相比, 具有提取時間短, 提取率高, 有利于中藥標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化建設(shè)。
312 超聲處理系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)
( 1) 傳感技術(shù) 根據(jù)工藝流程, 需要檢測的對象有溫度、壓力、流量、液位等。選用幾種合適的傳感器和設(shè)計相應(yīng)信號變換電路, 使各物理量變換成適合A/ D要求的電信號。
( 2) 信息處理 傳感器來的信息經(jīng)過變換、數(shù)據(jù)處理、決策和輸出, 為控制器發(fā)布命令提供依據(jù)。信息的處理是依靠工控機進行的, 其實時性和準(zhǔn)確性, 將直接影響系統(tǒng)運行的質(zhì)量。
( 3) 自動監(jiān)控 包括高精度液位控制、流量控制、壓力的控制、溫度控制和超聲波工作參數(shù)控制等。該部分涉及到校正、補償、再現(xiàn)和仿真等經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。
( 4) 伺服驅(qū)動技術(shù) 包括執(zhí)行機構(gòu)的一些技術(shù)問題。伺服( Servo) 的意思是/ 伺候服侍0, 就是在控制指令的指揮下, 控制驅(qū)動元件, 使機械運動部件按照指令要求進行運動。伺服部分包括電子開關(guān)、固態(tài)繼電器、閥門、馬達等直接控制操作的部件和設(shè)備。
( 5) 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 是一門歷史悠久的應(yīng)用技術(shù), 是各工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ), 它已經(jīng)形成一套完整的理論和實踐規(guī)范。本課題是基于專利ZL ) 20032011456216 進行設(shè)計生產(chǎn)的。
( 6) 接口 這套系統(tǒng)中, 工控機、機械部件、檢測器件、驅(qū)動部分等主要組成部分之間需要互相傳遞信息, 但它們之間由于存在諸如工作速度不一致、輸入輸出有模擬與數(shù)字量的差別、阻抗不匹配等因素, 需要在各個部分之間設(shè)置接口電路, 實現(xiàn)信號的緩沖、轉(zhuǎn)換等功能。
( 7) 系統(tǒng)集成技術(shù) 從總體目標(biāo)出發(fā), 用系統(tǒng)的觀點和方法, 將總體分解成若干個功能單元, 找出能完成各個功能的技術(shù)方案, 再把功能單元與技術(shù)方案組進行分析、評價、優(yōu)選和綜合[5] 。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和優(yōu)化, 以確定最后的設(shè)計。
4 機電一體化超聲處理機的過程控制
411 超聲處理機系統(tǒng)的監(jiān)測與控制超聲技術(shù)與機電一體化有機結(jié)合, 形成了一套完整的系統(tǒng)。為了敘述的簡化, 這里主要介紹超聲、攪拌、溫控等部分的檢測與控制。從工藝控制角度, 設(shè)備可以分為五個部分:
( 1) 機械本體部分 整個機電一體化超聲系統(tǒng)中的機械部分, 是由超聲反應(yīng)釜、三相攪拌機和加熱設(shè)備組成。
它們構(gòu)成整個系統(tǒng)的主體部分。
( 2) 檢測部分 設(shè)備工作過程的一些現(xiàn)場參數(shù)需要實時采集, 為控制器提供原始數(shù)據(jù)。檢測部分利用各種不同類型的傳感器, 將系統(tǒng)工作過程中的各種信息收集起來及時送往控制中心。
( 3) 控制器 工控機和組態(tài)軟件( 組態(tài)王) 相結(jié)合�？刂破魇钦麄�機電一體化系統(tǒng)的/ 頭腦0�？刂破鞲鶕�(jù)控制程序?qū)R集起來的信息進行處理, 并把處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制信號通過輸出接口送到執(zhí)行機構(gòu), 同時還控制現(xiàn)場的信息輸入。
( 4) 執(zhí)行部分 一個由研華公司出品的模塊( adam25000) 再加一些接口電路。電子裝置與機械部分之間安裝了繼電器和電氣開關(guān), 控制各種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的運轉(zhuǎn)。
( 5) 供電 機電一體化系統(tǒng)中各部分所需的能源, 都是由動力裝置提供的。該機電一體化超聲系統(tǒng)使用三相和單項電源供電, 分別提供給加熱、超聲、機械攪拌等設(shè)備。
412 控制板的設(shè)計在設(shè)計控制板過程中, 考慮到固態(tài)繼電器的開關(guān)特性, 并利用其特性來實現(xiàn)控制板的控制功能。首先, 通過實驗來測試EK P/ N 611492 固態(tài)繼電器的控制特性。測試得知: 驅(qū)動EK P/ N 611492 固態(tài)繼電器最低可以用215V 的電壓。
由于控制EK P/ N 611492 固態(tài)繼電器的驅(qū)動電壓約為45V, 為了限制其輸入端電流, 在輸入端加接1k8 左 的可變電阻。
光電耦合應(yīng)用電路由于計算機、通訊卡和控制模塊是弱電設(shè)備, 而攪拌機、加熱設(shè)備和超聲發(fā)生器等生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備是強電設(shè)備, 必須采取隔離措施。為此, 在電路中加一個光電耦合芯片TCP2521。為了更好使用TCP2521, 按圖4 對其工作特性進行了測試。
根據(jù)測試數(shù)據(jù), 并按照算式I 1 = V1/ R1、I 2= V2/R2、V3= 5- V2 得到數(shù)據(jù)表。并按照TTL 電平, 參考圖4, 經(jīng)過實驗和計算, 選用了比較合適的電路參數(shù)。
固態(tài)繼電器的輸出端連接到強電設(shè)備( 超聲發(fā)生器、攪拌機、加熱設(shè)備) , 整個機電一體化超聲處理機系統(tǒng)。L1、L2、L3 是發(fā)光二極管, 當(dāng)超聲發(fā)生器工作的時候L1 亮, 攪拌機工作的時候L2 亮, 加熱設(shè)備工作的時候L3 亮。整個機電一體化超聲系統(tǒng)的工作流程如圖6 所示。
主機和ADAM 模塊之間采用了CAN 總線聯(lián)結(jié), 為了簡練未詳細畫出。圖中箭頭表示閉環(huán)控制的信息流程。
5 安裝調(diào)試與應(yīng)用
該設(shè)計方案經(jīng)過了實際制造, 安裝調(diào)試, 并實際應(yīng)用于多味中藥的有效成分提取實驗。實踐證明[ 7, 8] , 與常規(guī)幾種傳統(tǒng)工藝相比, 超聲提取的功效高約3 倍、提取率提高15%~ 30% , 符合GMP 技術(shù)規(guī)范, 對于中藥生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化建設(shè)具有明顯的實際意義。
6 結(jié)束語
機電一體化超聲技術(shù)是一種技術(shù)性強、跨學(xué)科的綜合技術(shù)。本文根據(jù)生物材料加工的實際需要, 將功率超聲與機電一體化進行有機結(jié)合, 并利用CAN 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)整個超聲加工、生產(chǎn)系統(tǒng)的計算機過程控制。通過安裝調(diào)試和實際應(yīng)用, 證明該方案設(shè)計合理、運行穩(wěn)定可靠, 具有顯著的科學(xué)意義和推廣應(yīng)用價值。
參考文獻:
[ 1] 程存弟1 超聲技術(shù)[M] . 西安: 陜西師范大學(xué)出版社, 19981
[ 2] 機電一體化技術(shù)手冊編委1 機電一體化技術(shù)手冊( 上、下冊) [M] . 北京: 機械工業(yè)出版社, 19971
[ 3] 徐志毅1 機電一體化實用技術(shù)[M]1 上海: 上�？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社, 19981
[ 4] 趙松年1 機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計[M] . 北京: 機械工業(yè)出版社, 19981
[ 5] 楊黎明1 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊[M] . 北京: 國防工業(yè)出版社, 19971
[ 6] 魏余芳1 微機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計[M] . 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 19981
[ 7] 王保強1 生物材料超聲處理與聲學(xué)參數(shù)優(yōu)化[ J] . 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2004, ( 4) 1
[ 8] 王保強1 超聲生物材料提取與超聲反應(yīng)釜的設(shè)計[ J] . IEEE Proceedings of ICIMA, 2004, 763- 766.
【功率超聲與機電一體化的研究應(yīng)用】相關(guān)文章：
談機電一體化技術(shù)在煤礦的應(yīng)用與發(fā)展趨勢研究12-07
對煤礦機械機電一體化應(yīng)用的現(xiàn)狀研究理工論文11-16
機電一體化的發(fā)展與應(yīng)用 (一)03-07
工程機械中機電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用研究論文03-30
機電一體化技術(shù)在煤礦機械的應(yīng)用03-28
機電一體化在礦山機械的應(yīng)用05-07