功率超声与机电一体化的研究应用

黄豆豆

　　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。
　　( 5) 机械结构设计 是一门历史悠久的应用技术, 是各工业技术领域的基础, 它已经形成一套完整的理论和实践规范。本课题是基于专利ZL ) 20032011456216 进行设计生产的。
　　( 6) 接口 这套系统中, 工控机、机械部件、检测器件、驱动部分等主要组成部分之间需要互相传递信息, 但它们之间由于存在诸如工作速度不一致、输入输出有模拟与数字量的差别、阻抗不匹配等因素, 需要在各个部分之间设置接口电路, 实现信号的缓冲、转换等功能。
　　( 7) 系统集成技术 从总体目标出发, 用系统的观点和方法, 将总体分解成若干个功能单元, 找出能完成各个功能的技术方案, 再把功能单元与技术方案组进行分析、评价、优选和综合[5] 。经过反复调试和优化, 以确定最后的设计。
　　4 机电一体化超声处理机的过程控制
　　411 超声处理机系统的监测与控制超声技术与机电一体化有机结合, 形成了一套完整的系统。为了叙述的简化, 这里主要介绍超声、搅拌、温控等部分的检测与控制。从工艺控制角度, 设备可以分为五个部分:
　　( 1) 机械本体部分 整个机电一体化超声系统中的机械部分, 是由超声反应釜、三相搅拌机和加热设备组成。
　　它们构成整个系统的主体部分。
　　( 2) 检测部分 设备工作过程的一些现场参数需要实时采集, 为控制器提供原始数据。检测部分利用各种不同类型的传感器, 将系统工作过程中的各种信息收集起来及时送往控制中心。
　　( 3) 控制器 工控机和组态软件( 组态王) 相结合。控制器是整个机电一体化系统的/ 头脑0。控制器根据控制程序对汇集起来的信息进行处理, 并把处理结果转换为控制信号通过输出接口送到执行机构, 同时还控制现场的信息输入。
　　( 4) 执行部分 一个由研华公司出品的模块( adam25000) 再加一些接口电路。电子装置与机械部分之间安装了继电器和电气开关, 控制各种能量转换设备的运转。
　　( 5) 供电 机电一体化系统中各部分所需的能源, 都是由动力装置提供的。该机电一体化超声系统使用三相和单项电源供电, 分别提供给加热、超声、机械搅拌等设备。
　　412 控制板的设计在设计控制板过程中, 考虑到固态继电器的开关特性, 并利用其特性来实现控制板的控制功能。首先, 通过实验来测试EK P/ N 611492 固态继电器的控制特性。测试得知: 驱动EK P/ N 611492 固态继电器最低可以用215V 的电压。
　　由于控制EK P/ N 611492 固态继电器的驱动电压约为45V, 为了限制其输入端电流, 在输入端加接1k8 左 的可变电阻。
　　光电耦合应用电路由于计算机、通讯卡和控制模块是弱电设备, 而搅拌机、加热设备和超声发生器等生产现场设备是强电设备, 必须采取隔离措施。为此, 在电路中加一个光电耦合芯片TCP2521。为了更好使用TCP2521, 按图4 对其工作特性进行了测试。
　　根据测试数据, 并按照算式I 1 = V1/ R1、I 2= V2/R2、V3= 5- V2 得到数据表。并按照TTL 电平, 参考图4, 经过实验和计算, 选用了比较合适的电路参数。
　　固态继电器的输出端连接到强电设备( 超声发生器、搅拌机、加热设备) , 整个机电一体化超声处理机系统。L1、L2、L3 是发光二极管, 当超声发生器工作的时候L1 亮, 搅拌机工作的时候L2 亮, 加热设备工作的时候L3 亮。整个机电一体化超声系统的工作流程如图6 所示。
　　主机和ADAM 模块之间采用了CAN 总线联结, 为了简练未详细画出。图中箭头表示闭环控制的信息流程。
　　5 安装调试与应用
　　该设计方案经过了实际制造, 安装调试, 并实际应用于多味中药的有效成分提取实验。实践证明[ 7, 8] , 与常规几种传统工艺相比, 超声提取的功效高约3 倍、提取率提高15%~ 30% , 符合GMP 技术规范, 对于中药生产的标准化和现代化建设具有明显的实际意义。
　　6 结束语
　　机电一体化超声技术是一种技术性强、跨学科的综合技术。本文根据生物材料加工的实际需要, 将功率超声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, 具有显着的科学意义和推广应用价值。
　　参考文献:
　　[ 1] 程存弟1 超声技术[M] . 西安: 陕西师范大学出版社, 19981
　　[ 2] 机电一体化技术手册编委1 机电一体化技术手册( 上、下册) [M] . 北京: 机械工业出版社, 19971
　　[ 3] 徐志毅1 机电一体化实用技术[M]1 上海: 上海科学技术文献出版社, 19981
　　[ 4] 赵松年1 机电一体化机械系统设计[M] . 北京: 机械工业出版社, 19981
　　[ 5] 杨黎明1 机电一体化系统设计手册[M] . 北京: 国防工业出版社, 19971
　　[ 6] 魏余芳1 微机数控系统设计[M] . 成都: 西南交通大学出版社, 19981
　　[ 7] 王保强1 生物材料超声处理与声学参数优化[ J] . 生物医学工程学杂志, 2004, ( 4) 1
　　[ 8] 王保强1 超声生物材料提取与超声反应釜的设计[ J] . IEEE Proceedings of ICIMA, 2004, 763- 766.