功率超声与机电一体化的研究应用

摘要: 对超声的特性、超声空化的奇特作用及其在机电一体化技术中的特殊应用进行了揭示; 根据生物材料加工的实际需要, 将超声技术与机电一体化进行有机结合, 并利用CAN 现场总线网络, 实现整个超声加工、生产系统的计算机过程控制。通过安装调试和实际应用, 证明该方案设计合理、运行稳定可靠。
　　关 键 词: 功率超声; 超声空化; 机电一体化; CAN 总线
　　1 引言
　　现代声学是一门渗透性很强的科学, 与较多的学科或技术相互交叉、相互联系, 形成了许许多多的分支, 超声就是其中之一。功率超声与机电一体化的研究, 近年来吸引了科技界的广泛关注, 形成新的热点。在对功率超声与机电一体化相结合的原理、方法予以研究, 并利用CAN 总线技术, 实现超声加工、生产系统的计算机过程控制。
　　2 奇特的功率超声超声的工作频率通常高于几十kHz, 甚至几百MHz 以上。功率超声的应用, 就是用功率密度较大( 几W/cm2 到几百W/ cm2 甚至更大) 的超声能量对物质作用, 以改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态[1] 。大功率超声的产生有多种方法, 通常利用换能器组通过聚焦、增幅等方法获得高声强的超声。
　　超声波在传播过程中与介质相互作用时, 会产生一系列奇特的机械效应、热效应、波动效应和空化效应等, 这些效应在某些条件下会发生非常剧烈的能量交换。例如, 超声波与生物体作用时, 在分子水平产生的生物学效应, 包括分裂各种单糖、多糖和核酸, 使淀粉转变为糊精, 使氨基酸脱氨和分裂氮氢键, 还能改变维生素、酶、激素的活性及功能等。功率超声的主要特性如下。
　　211 超声波的束射性人耳可感受的声音通常是球面波, 即以声源为中心呈球面向四周扩散, 周围均能听到声音。由于超声波频率高, 束射性相对较强。超声波的束射性, 对其用于医疗和测距有重要意义。例如, 在对某目标进行超声处理时, 应使声波辐射垂直对准靶目标。以超声波振源辐射出的声场中心处束射性最强, 愈向外侧愈弱。所以, 在超声波处理操作时, 要根据具体需要, 控制目标各部位得到的超声波剂量。
　　212 超声波的透射、反射、折射与聚集现象与可见光一样, 超声波具有波动特性。定向传播时, 在两种不同媒质的分界面上, 会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象。超声波的聚集现象和光线的聚集现象是一样的。利用超声波聚集装置可以将超声波束会聚到一点, 使超声波的声强提高几倍甚至几千倍, 可用于超声波切割、钻孔、打磨等。我国当前在高能聚焦超声(HIFU) 用于治疗癌症方面的研究和临床应用处于世界领先地位。
　　213 超声波的吸收与衰减声波在媒质中传播时, 媒质要吸收掉一部分能量, 随着传播路程的增加, 声强会逐渐减弱。各种不同频率的声波在媒质中传播时被吸收程度不同。频率越高, 媒质对其吸收越快, 传播距离越短。同一声波在不同媒质中传播时, 被吸收的程度也不同。声波在空气中传播的距离最短, 在水中则可传播较远的距离, 而在金属中则能传播得更远。
　　图1 空化气泡的产生214 超声波的空化效应21411 声空化核的形成气泡稳定地存在于液体中即为空化核。通常, 液体中的气泡难以长时间稳定地存在。但是, 若液体中含有带气隙的固体粒子, 当空隙内的气体团表面的负压力和热力平衡时, 便会呈现稳定的气泡。这种气泡在超声波作用下, 在声压超过空化阈值时便会形成空化核。图1 为超声空化作用下气泡的'产生。
　　21412 超声空化现象的实质当超声能量在液态混合物中传播时, 液体中那些持续暴露在超声场中的气泡, 可能经历如下某些复杂过程:
　　( 1) 进行周期性尺寸变化( Size Oscillations) ; ( 2) 在声波稀疏期迅速膨胀, 并猛然崩塌; ( 3) 慢慢被溶解消失; ( 4) 因液体对流或浮力作用而逃逸到液面。空化气泡经历过程的数值描述如图2 所示。
　　图2 超声空化引起气泡的形成、成长和崩溃过程21413 强大的空化作用超声空化引发的/ 聚变效应0 仅仅局限在微小空间( 单泡半径Ro< 0101mm) 和瞬间, 虽对生物组织可能引发一系列的生物、物理、化学反应,甚至造成组织的细胞损伤或破坏, 但这些作用都可以有效控制, 而且无扩散、无污染、高效、安全,因此被生命科技界广泛看好。
　　3 机电一体化超声处理机
　　超声反应釜主体内的结构Mechatronics 是根据英文单词Mechanics( 机械学) 或Mechanism( 机构或机械装置) 的前半部分和Electronics( 电子学) 的后半部分构成, 构成/ 机电一体化0专用名词[2] 。
　　机电一体化在工业产品的制造工程中, 是机械工程、电子技术与智能计算机控制的协同集成, 是机械、微电子、自动控制、传感器、电力电子及软件技术等有机结合而建起来的一门新的学科形式[ 3] 。
　　随着上述各种技术的发展和新型材料及基础元器件的出现, 以机械为主体的各种工业产品和民用产品,已从机械化向自动化和智能化方向发展。数控机床、机器人、智能化量具量仪、柔性制造系统( FMS) 、集成制造系统、全自动照相机、新型医疗设备( 如CT 机)等, 体现了机电一体化产品的广泛应用[4] 。作为实用范例, 介绍一套基于功率超声和机电一体化技术, 自行研制成功的生物材料超声处理机。
　　311 机电一体化超声处理机基于功率超声和机电一体化技术设计制造的生物材料处理机的主体机构如图3 所示。主要由安装在反应罐上的超声波发生器、温度控制器、搅拌机、管道和阀门开关组成。与其配套的设备还有控制柜、CAN 总线控制网络、工控机等。
　　该系统主要应用于生物材料加工, 如中药的生产工艺。实践证明, 中药有效成分的低温超声萃取与几种传统的提取工艺相比, 具有提取时间短, 提取率高, 有利于中药标准化、现代化建设。
　　312 超声处理系统的相关技术
　　( 1) 传感技术 根据工艺流程, 需要检测的对象有温度、压力、流量、液位等。选用几种合适的传感器和设计相应信号变换电路, 使各物理量变换成适合A/ D要求的电信号。
　　( 2) 信息处理 传感器来的信息经过变换、数据处理、决策和输出, 为控制器发布命令提供依据。信息的处理是依靠工控机进行的, 其实时性和准确性, 将直接影响系统运行的质量。
　　( 3) 自动监控 包括高精度液位控制、流量控制、压力的控制、温度控制和超声波工作参数控制等。该部分涉及到校正、补偿、再现和仿真等经典控制理论和现代控制理论。
　　( 4) 伺服驱动技术 包括执行机构的一些技术问题。伺服( Servo) 的意思是/ 伺候服侍0, 就是在控制指令的指挥下, 控制驱动元件, 使机械运动部件按照指令要求进行运动。伺服部分包括电子开关、固态继电器、阀门、马达等直接控制操作的部件和设备。