超声悬浮
abc5552016/01/02电子技术 IP:广东
效果
0.jpg

悬浮原理:
发射面与反射面之间的距离为nλ/2(n为自然数,λ声波在空气中传播时的波长),发射端(换能器)所发射出的超声波,与反射端反射回去的超声波会相互叠加进而形成驻波,在驻波的波节处,两侧声压方向相反。这些驻波节点之间是间距为λ/2,辐射压力具有回复力的特性,可以将被悬浮物的位置维持在声压节点附近处。对于比较重的物体,其悬浮位置会偏向驻波声压节点稍下方。
xf示意图.jpg

图片来自
attachment icon 超声波悬浮用非常规变幅杆的研究_梅景放.caj 14.67MB CAJ 145次下载




以上说的都是废话,其实我是来讲换能器驱动的。
关于换能器的匹配:
换能器的等效电路图
hnq.jpg

C0是换能器的静态电容,C1为动态电容,L1为动态电感,R1为动态电阻。

换能器的并联匹配
hnq1.jpg

在换能器两端并联一个电感为Lp,当匹配电感满足 gsb.jpg 时候,系统呈现纯阻性,阻抗为R1。WrC1L1的串联谐振频率。

换能器的串联匹配
hnq2.jpg hnq3.jpg

换能器工作在串联谐振频率点ws,在此谐振频率点,电路可以从a等效为b,当匹配电感满足公式 gsc.jpg 的时候,系统呈现纯阻性,阻抗为 gsr.jpg

另外还可以通过在换能器两端并联电容(相当于增大C0),来调整电路工作状态。

换能器的驱动电路图:
电路.jpg
CD4046输出的方波通过4081和4001产生死区时间,然后给图腾驱动MOS管
死区时间还可以只用一片4001产生:
sq.jpg
我这要用门电路给反馈信号整形,所以用了两片门芯片。
变压器用的是现成的,EC4220磁芯,初级0.45X203+3T,次级0.62单股90T。算了一下,刚好合适。
将采样的电压电流信号经过RC延时,4001整形后反馈给4046。调整延迟时间就可以调整电路工作状态。
由于用的是推挽,所以换能器采用串联匹配,那么在谐振频率附近,频率低时呈现容性,频率高时呈现感性。所以电压反馈给40463脚,电流反馈给14脚。用第2鉴相器使电压电流相位一致。

关于串联匹配电感的值怎么确定, gsc.jpg 公式中的R1不方便测量,就靠蒙了[s::lol]  在磁芯骨架上绕一个电感,通过调整气息来调整电感量,然后观察电流波形。

电感过小:电流波形像严重失真的正弦,电流过大。无论怎么调节频率,都不会谐振。电流超前电压。MOS管发热严重。

电感适中:频率低时,电流是锯齿波。随着频率增大,电流(锯齿波)幅度先减小,后增大,此时是正弦波,并且超前于电压。频率继续增大,电流(正弦)电压同相,随后电流(正弦)滞后于电压,频率再增大,电流变成锯齿波。适当的增加电感量可以使电流幅度减小,减小MOS管发热。但电感太大很容易失谐。


电感过大:无论怎么调节频率,电流波形都是锯齿波,仅在谐振点稍微有变化。

我用的换能器是25KHz/100W的,静电容7nF。其他规格的换能器应该也可以这样找匹配电感的值。
最终确定的电感量是11mH,在EE4220磁芯骨架上用0.59漆包线绕300T左右,开4mm气息得到。
匹配电感:
电感.jpg

电路板:
ddb.jpg



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