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功率超聲與機電一體化的研究應用
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)中的特殊應用進(jìn)行了揭示; 根據生物材料加工的實(shí)際需要, 將超聲技術(shù)與機電一體化進(jìn)行有機結合, 并利用CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ), 實(shí)現整個(gè)超聲加工、生產(chǎn)系統的計算機過(guò)程控制。通過(guò)安裝調試和實(shí)際應用, 證明該方案設計合理、運行穩定可靠。
關(guān) 鍵 詞: 功率超聲; 超聲空化; 機電一體化; CAN 總線(xiàn)
1 引言
現代聲學(xué)是一門(mén)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(lái)吸引了科技界的廣泛關(guān)注, 形成新的熱點(diǎn)。在對功率超聲與機電一體化相結合的原理、方法予以研究, 并利用CAN 總線(xiàn)技術(shù), 實(shí)現超聲加工、生產(chǎn)系統的計算機過(guò)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(guò)聚焦、增幅等方法獲得高聲強的超聲。
超聲波在傳播過(guò)程中與介質(zhì)相互作用時(shí), 會(huì )產(chǎn)生一系列奇特的機械效應、熱效應、波動(dòng)效應和空化效應等, 這些效應在某些條件下會(huì )發(fā)生非常劇烈的能量交換。例如, 超聲波與生物體作用時(shí), 在分子水平產(chǎn)生的生物學(xué)效應, 包括分裂各種單糖、多糖和核酸, 使淀粉轉變?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?chē)苈?tīng)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, 對其用于醫療和測距有重要意義。例如, 在對某目標進(jìn)行超聲處理時(shí), 應使聲波輻射垂直對準靶目標。以超聲波振源輻射出的聲場(chǎng)中心處束射性最強, 愈向外側愈弱。所以, 在超聲波處理操作時(shí), 要根據具體需要, 控制目標各部位得到的超聲波劑量。
212 超聲波的透射、反射、折射與聚集現象與可見(jiàn)光一樣, 超聲波具有波動(dòng)特性。定向傳播時(shí), 在兩種不同媒質(zhì)的分界面上, 會(huì )出現類(lèi)似于光線(xiàn)一樣的透射、反射和折射現象。超聲波的聚集現象和光線(xiàn)的聚集現象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會(huì )聚到一點(diǎn), 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。我國當前在高能聚焦超聲(HIFU) 用于治療癌癥方面的研究和臨床應用處于世界領(lǐng)先地位。
213 超聲波的吸收與衰減聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí), 媒質(zhì)要吸收掉一部分能量, 隨著(zhù)傳播路程的增加, 聲強會(huì )逐漸減弱。各種不同頻率的聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)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(shí), 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21411 聲空化核的形成氣泡穩定地存在于液體中即為空化核。通常, 液體中的氣泡難以長(cháng)時(shí)間穩定地存在。但是, 若液體中含有帶氣隙的固體粒子, 當空隙內的氣體團表面的負壓力和熱力平衡時(shí), 便會(huì )呈現穩定的氣泡。這種氣泡在超聲波作用下, 在聲壓超過(guò)空化閾值時(shí)便會(huì )形成空化核。圖1 為超聲空化作用下氣泡的產(chǎn)生。
21412 超聲空化現象的實(shí)質(zhì)當超聲能量在液態(tài)混合物中傳播時(shí), 液體中那些持續暴露在超聲場(chǎng)中的氣泡, 可能經(jīng)歷如下某些復雜過(guò)程:
( 1) 進(jìn)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�？栈瘹馀萁�(jīng)歷過(guò)程的數值描述如圖2 所示。
圖2 超聲空化引起氣泡的形成、成長(cháng)和崩潰過(guò)程21413 強大的空化作用超聲空化引發(fā)的/ 聚變效應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,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(wú)擴散、無(wú)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
超聲反應釜主體內的結構Mechatronics 是根據英文單詞Mechanics( 機械學(xué)) 或Mechanism( 機構或機械裝置) 的前半部分和Electronics( 電子學(xué)) 的后半部分構成, 構成/ 機電一體化0專(zhuān)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(dòng)控制、傳感器、電力電子及軟件技術(shù)等有機結合而建起來(lái)的一門(mén)新的學(xué)科形式[ 3] 。
隨著(zhù)上述各種技術(shù)的發(fā)展和新型材料及基礎元器件的出現, 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(dòng)化和智能化方向發(fā)展。數控機床、機器人、智能化量具量?jì)x、柔性制造系統( FMS) 、集成制造系統、全自動(dòng)照相機、新型醫療設備( 如CT 機)等, 體現了機電一體化產(chǎn)品的廣泛應用[4] 。作為實(shí)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)設計制造的生物材料處理機的主體機構如圖3 所示。主要由安裝在反應罐上的超聲波發(fā)生器、溫度控制器、攪拌機、管道和閥門(mén)開(kāi)關(guān)組成。與其配套的設備還有控制柜、CAN 總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )、工控機等。
該系統主要應用于生物材料加工, 如中藥的生產(chǎn)工藝。實(shí)踐證明, 中藥有效成分的低溫超聲萃取與幾種傳統的提取工藝相比, 具有提取時(shí)間短, 提取率高, 有利于中藥標準化、現代化建設。
312 超聲處理系統的相關(guān)技術(shù)
( 1) 傳感技術(shù) 根據工藝流程, 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計相應信號變換電路, 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(lái)的信息經(jīng)過(guò)變換、數據處理、決策和輸出, 為控制器發(fā)布命令提供依據。信息的處理是依靠工控機進(jìn)行的, 其實(shí)時(shí)性和準確性, 將直接影響系統運行的質(zhì)量。
( 3) 自動(dòng)監控 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控制等。該部分涉及到校正、補償、再現和仿真等經(jīng)典控制理論和現代控制理論。
( 4) 伺服驅動(dòng)技術(shù) 包括執行機構的一些技術(shù)問(wèn)題。伺服( Servo) 的意思是/ 伺候服侍0, 就是在控制指令的指揮下, 控制驅動(dòng)元件, 使機械運動(dòng)部件按照指令要求進(jìn)行運動(dòng)。伺服部分包括電子開(kāi)關(guān)、固態(tài)繼電器、閥門(mén)、馬達等直接控制操作的部件和設備。
( 5) 機械結構設計 是一門(mén)歷史悠久的應用技術(shù), 是各工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的基礎, 它已經(jīng)形成一套完整的理論和實(shí)踐規范。本課題是基于專(zhuān)利ZL ) 20032011456216 進(jìn)行設計生產(chǎn)的。
( 6) 接口 這套系統中, 工控機、機械部件、檢測器件、驅動(dòng)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字量的差別、阻抗不匹配等因素, 需要在各個(gè)部分之間設置接口電路, 實(shí)現信號的緩沖、轉換等功能。
( 7) 系統集成技術(shù) 從總體目標出發(fā), 用系統的觀(guān)點(diǎn)和方法, 將總體分解成若干個(gè)功能單元, 找出能完成各個(gè)功能的技術(shù)方案, 再把功能單元與技術(shù)方案組進(jìn)行分析、評價(jià)、優(yōu)選和綜合[5] 。經(jīng)過(guò)反復調試和優(yōu)化, 以確定最后的設計。
4 機電一體化超聲處理機的過(guò)程控制
411 超聲處理機系統的監測與控制超聲技術(shù)與機電一體化有機結合, 形成了一套完整的系統。為了敘述的簡(jiǎn)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, 設備可以分為五個(gè)部分:
( 1) 機械本體部分 整個(gè)機電一體化超聲系統中的機械部分, 是由超聲反應釜、三相攪拌機和加熱設備組成。
它們構成整個(gè)系統的主體部分。
( 2) 檢測部分 設備工作過(guò)程的一些現場(chǎng)參數需要實(shí)時(shí)采集, 為控制器提供原始數據。檢測部分利用各種不同類(lèi)型的傳感器, 將系統工作過(guò)程中的各種信息收集起來(lái)及時(shí)送往控制中心。
( 3) 控制器 工控機和組態(tài)軟件( 組態(tài)王) 相結合�？刂破魇钦麄�(gè)機電一體化系統的/ 頭腦0�？刂破鞲鶕刂瞥绦驅R集起來(lái)的信息進(jìn)行處理, 并把處理結果轉換為控制信號通過(guò)輸出接口送到執行機構, 同時(shí)還控制現場(chǎng)的信息輸入。
( 4) 執行部分 一個(gè)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(kāi)關(guān), 控制各種能量轉換設備的運轉。
( 5) 供電 機電一體化系統中各部分所需的能源, 都是由動(dòng)力裝置提供的。該機電一體化超聲系統使用三相和單項電源供電, 分別提供給加熱、超聲、機械攪拌等設備。
412 控制板的設計在設計控制板過(guò)程中, 考慮到固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)特性, 并利用其特性來(lái)實(shí)現控制板的控制功能。首先, 通過(guò)實(shí)驗來(lái)測試EK P/ N 611492 固態(tài)繼電器的控制特性。測試得知: 驅動(dòng)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)繼電器的驅動(dòng)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。
光電耦合應用電路由于計算機、通訊卡和控制模塊是弱電設備, 而攪拌機、加熱設備和超聲發(fā)生器等生產(chǎn)現場(chǎng)設備是強電設備, 必須采取隔離措施。為此, 在電路中加一個(gè)光電耦合芯片TCP2521。為了更好使用TCP2521, 按圖4 對其工作特性進(jìn)行了測試。
根據測試數據, 并按照算式I 1 = V1/ R1、I 2= V2/R2、V3= 5- V2 得到數據表。并按照TTL 電平, 參考圖4, 經(jīng)過(guò)實(shí)驗和計算, 選用了比較合適的電路參數。
固態(tài)繼電器的輸出端連接到強電設備( 超聲發(fā)生器、攪拌機、加熱設備) , 整個(gè)機電一體化超聲處理機系統。L1、L2、L3 是發(fā)光二極管, 當超聲發(fā)生器工作的時(shí)候L1 亮, 攪拌機工作的時(shí)候L2 亮, 加熱設備工作的時(shí)候L3 亮。整個(gè)機電一體化超聲系統的工作流程如圖6 所示。
主機和ADAM 模塊之間采用了CAN 總線(xiàn)聯(lián)結, 為了簡(jiǎn)練未詳細畫(huà)出。圖中箭頭表示閉環(huán)控制的信息流程。
5 安裝調試與應用
該設計方案經(jīng)過(guò)了實(shí)際制造, 安裝調試, 并實(shí)際應用于多味中藥的有效成分提取實(shí)驗。實(shí)踐證明[ 7, 8] , 與常規幾種傳統工藝相比, 超聲提取的功效高約3 倍、提取率提高15%~ 30% , 符合GMP 技術(shù)規范, 對于中藥生產(chǎn)的標準化和現代化建設具有明顯的實(shí)際意義。
6 結束語(yǔ)
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)。本文根據生物材料加工的實(shí)際需要, 將功率超聲與機電一體化進(jìn)行有機結合, 并利用CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ), 實(shí)現整個(gè)超聲加工、生產(chǎn)系統的計算機過(guò)程控制。通過(guò)安裝調試和實(shí)際應用, 證明該方案設計合理、運行穩定可靠, 具有顯著(zhù)的科學(xué)意義和推廣應用價(jià)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(shí)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設計[M] . 北京: 機械工業(yè)出版社, 19981
[ 5] 楊黎明1 機電一體化系統設計手冊[M] . 北京: 國防工業(yè)出版社, 19971
[ 6] 魏余芳1 微機數控系統設計[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)參數優(yōu)化[ J] . 生物醫學(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釜的設計[ J] . IEEE Proceedings of ICIMA, 2004, 763- 766.
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