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超聲波加濕器電路分析和造型設計(一)
超聲波加濕器電路分析和造型設計
摘要：本文設計了一款超聲波加濕器。在本設計中對超聲波加濕器進行了結(jié)構(gòu)分析后使用Pro/E軟件對其底座，蓋子，加水管進行三維造型設計，并在使用AutoCAD軟件繪制電路圖的基礎上分析了超聲波加濕器的工作原理。
關(guān)鍵詞： 超聲波加濕器 電路 Pro/E AutoCAD
超聲波技術(shù)是世界上一種比較成熟的技術(shù)，已被廣泛應用在各種領域。超聲波加濕器采用超聲波高頻震蕩，將水霧化為1-5微米的超微粒子，通過風動裝置，將水霧化后噴至工作場所、居住房間改善環(huán)境濕度，凈化環(huán)境空氣，或?qū)㈧F化藥水直接噴至病灶部位，以提高治療效果。已廣泛應用在辦公室、車間、臥室、醫(yī)療部門等地方。使空氣濕潤并伴生豐富的負氧離子，能清新空氣，增進健康，一改冬季暖氣的燥熱，營造舒適的生活環(huán)境。據(jù)專家介紹，超聲波加濕器的優(yōu)點是，加濕強度大，加濕均勻，加濕效率高；節(jié)能、省電，耗電僅為電熱加濕器的1／10至1／15；使用壽命長，濕度自動平衡，無水自動保護；兼具醫(yī)療霧化、冷敷浴面、清洗首飾等功能。缺點是對水質(zhì)有一定的要求。雖然它們型號各異、功率大小不同但基本工作原理相同。
一、超聲波加濕器的結(jié)構(gòu)分析
超聲波霧化加濕器主要由外殼、電源電路、超聲波發(fā)生電路、水槽、水位開關(guān)及風機等組成。這里我們主要對其外殼進行Pro/E造型設計，超聲波加濕器的外殼主要由底座、蓋子、加水管等幾部分組成。
圖1-1超聲波加濕器的整體模型
二、超聲波加濕器的模型分析及創(chuàng)建過程
（一）、超聲波加濕器的底座
在Pro/ENGINRRE Wildfire 主界面中，“File→New…”命令，或者直接按下快
捷鍵Ctrl+N，也可以直接單擊工具欄中的按鈕,屏幕顯示如圖2-1所示的對話框。在“類型”欄中，選擇“零件”模式，在“子類型”欄中選擇“實體”，“名稱”默認。去掉“使用默認模板”前的，單擊“確定”按鈕，在打開的對話框中選擇“mmns_part-solid”，再單擊“確定”按鈕，進入Pro/ENGINRRE Wildfire主界面。
圖2-1 “新建”對話框 圖2-4“草繪平面定位”對話框
1、在如圖2-3所示的“基本特征”工具欄中單擊圖標按鈕，打開如圖2-4所示的“拉伸特征”管理工具欄。
圖2-2“基本特征”工具欄 圖 2-3 “拉伸特征”管理工具欄
2、單擊“拉伸特征”管理工具欄中的圖標，系統(tǒng)彈出拉伸界面，并在界面的右上角顯示“草繪平面定位”對話框，以TOP平面，RIGHT為參考面，并以它的右面為定位方向來確定草繪平面的方向，如圖2-4所示。
3、在草繪平面上繪制如圖2-5所示的剖面，再單擊繼續(xù)當前部分。
圖 2-5 大致草繪半剖面
圖2-6 拉伸圖片
4、以底面拉伸300mm，如圖所示2-6。
5、單擊“草繪”管理工具欄的圖標，系統(tǒng)彈出“草繪”對話框，以拉伸體側(cè)面為平面，RIGHT為參考面，并以它的右面為定位方向來確定草繪平面的方向，如圖2-7所示，在單擊 如圖2-7
圖2-7
6、單擊“矩形工具”命令，此時系統(tǒng)默認以“FRONT”為基準片，在當前的活動基準面上繪制一小矩形作為電源開關(guān)，單擊“確定并退出”命令，系統(tǒng)生成此草繪圖；單擊“拉伸”命令，此時系統(tǒng)默認把上步繪制的矩形作為拉伸對象；拉伸長度為50mm，拉伸后的圖形如圖所示2-8
圖2-8
7、點擊草繪，使用上次使用的草繪平面，點擊草繪工具欄中的文本工具
8、編輯LED指示燈及開關(guān)的檔數(shù)，所示2-9
9、編輯完后點擊完成按鈕，退出草繪，此時的圖如圖2-10所示
圖2-9
圖2-10
10、然后給按鈕倒圓角，底座設計完成，完成后的圖如下圖2-11所示：
圖2-11
（二）、超聲波加濕器的中蓋
超聲波加濕器的中蓋設計根據(jù)底座的尺寸來設計，中蓋中最主要的部位是加水口和霧氣出氣口，霧氣出氣口設計成百葉窗式。
在此設計中用到的命令主要有草繪，拉伸，鏡像，繪制完后的圖如下圖2-12和圖2-13所示。
圖2-12
圖2-13
（三）、超聲波加濕器的上蓋設計
超聲波加濕器的上蓋設計根據(jù)中蓋和底座的尺寸來設計，上蓋中最主要的部位也是加水口和霧氣出氣口，霧氣出氣口也設計成百葉窗式。
在此設計中用到的命令主要有草繪，拉伸，鏡像，繪制完后的圖如下圖2-14和圖2-15所示
圖2-14
圖2-15
（四）、超聲波加濕器的進水管和塞子設計
超聲波加濕器的進水管和塞子設計主要依據(jù)中蓋和上蓋的進水口尺寸以及上蓋的高度來設計，進水管有一小錐度，利于加水。在完成模型的過程中主要用到的命令有旋轉(zhuǎn)和拉伸，繪制完成后的圖如圖圖2-16和圖2-17所示：
圖2-16
圖2-17
（五）超聲波加濕器的組裝圖和爆炸圖
超聲波加濕器的組裝圖和爆炸圖如圖所示
圖2-18
圖2-19
三、超聲波加濕器的電路分析
（一）、 超聲波加濕器的主要電路元件和原理
超聲波加濕器的主要電路元件是電聲換能器（壓電陶瓷片）， 壓電陶瓷主要由鋯鈦酸鉛(PZT)所組成, 在氧化鋯(ZrO2)、氧化鉛 (PbO)及氧化鈦(TiO2)等的粉末原料中，按一定比例適當添加微量的添加物后，由多道加工程序完成陶瓷粉料制作，再利用油壓機使之壓縮成各種規(guī)格形狀，成型后在1350 ℃ 左右溫度下進行燒結(jié)，所得的成品，再以電鍍的方法或者不銹鋼貼片法完成電極極化工作后，就是壓電陶瓷晶片成品。
超聲波霧化原理： 利用壓電陶瓷所固有超聲波振蕩特點，通過一定的振蕩電路手段與壓電陶瓷固有振蕩頻率產(chǎn)生共振，就能直接將與壓電陶瓷接觸的液體霧化成1--3μm的微小顆粒。其原理是，電路超聲波振蕩，傳輸?shù)綁弘娞沾烧褡颖砻�，壓電陶瓷振子會產(chǎn)生軸向機械共振變化，這種機械共振變化再傳輸?shù)脚c其接觸的液體，使液體表面產(chǎn)生隆起，并在隆起的周圍發(fā)生空化作用，由這種空化作用產(chǎn)生的沖擊波將以振子的振動頻率不斷反復，使液體表面產(chǎn)生有限振幅的表面張力波。這種張力波的波頭飛散，使液體霧化，同時產(chǎn)生大量的負離子。
霧化單元與霧化量： 由于其單獨成型的壓電陶瓷振蕩頻率是固有的，因此，只能產(chǎn)生一個震蕩沖擊波。如果需要增加霧化量，只可采用多組并聯(lián)同時工作的方法來實現(xiàn)。以現(xiàn)有技術(shù)考慮壓電陶瓷壽命，每一單元振子功率為0.25W，霧化量為0.3L。由于液體溶液表面張力不同，各種液體的霧化量也不完全相同，相對液體表面張力越大，霧化量越小，反之則越大。液體內(nèi)所含雜質(zhì)不同，對設備的使用壽命、霧化效果、保養(yǎng)周期都有一定的影響，以水為例，當水中鈣、鎂、矽酸含量高時，各種加濕方法在一定程度上都會受到影響，影響加濕效率，甚至會造成設備損壞，再超聲波加濕中，水中鈣、鎂、矽酸含量高時，會造成霧化器本身結(jié)垢、加濕環(huán)境受到污染等等負面影響。
超聲波加濕器的特點：
優(yōu)點；顆粒小，能耗低，可輸送。缺點：對水質(zhì)要求較高
、超聲波加濕器電路圖的設計
圖3-1 加濕器的電路圖設計
超聲波霧化加濕器采用220V交流電源，F(xiàn)U1為電源保險，s1為帶有霧量調(diào)節(jié)電位器RP1的電源開關(guān)，水位開關(guān)S1為干簧管磁控開關(guān)，該開關(guān)對壓電換能器起保護功能，當水槽中無水時，水位開關(guān)干簧管接點斷開，即使合上電源開關(guān)S1，超聲波發(fā)生電路也不工作，無輸出電壓從而保護了壓電換能器。向水槽中注入水至額定水位時，水位開關(guān)磁鋼浮子浮起，干簧管接點接通超聲波發(fā)生電路，具備了起振條件。此時合上電源開關(guān)S1，220V交流市電經(jīng)保險管FU1、定時器PT至變壓器T初級，次級輸出約48V左右的交流電壓，經(jīng)UR整流，c1濾波，作為超聲波發(fā)生電路的工作電源，使其起振產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)生電路由三極管VT1、電感線圈L1、L2、L3、電容C2、C3、C4、C5、霧量調(diào)節(jié)電位器PRP1、RP2、電阻R2、R4等組成。超聲波發(fā)生電路起振產(chǎn)生超聲波由三極管VT1輸出至壓電換能器實現(xiàn)水的霧化。同時220v市電加至風機處，風機轉(zhuǎn)動將霧化后潮氣由風道口送出，達到改善調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的目的。RP1、RP2為霧化量大小調(diào)節(jié)電位器，RP1安裝在面板上供使用者使用調(diào)節(jié)。RP2安裝在機內(nèi)，在出廠前已由廠家調(diào)整好，一般不應隨意調(diào)整。當水槽內(nèi)水位下降，水位開關(guān)S1磁鋼浮子隨水位下降至一定位置時，干簧管內(nèi)接點斷開，切斷超聲波發(fā)生電路電源，霧化器無霧輸出。
（三）超聲波加濕器故障分析
故障現(xiàn)象1：通電后，電源指示燈不亮。
此故障多為保險絲BXI或BX2熔斷。
先檢查BX1是否正常，若BX1熔斷，需檢查風機M、變壓器T是否短路。若BX!正常，測變壓器次級有無48v交流電壓，若無，測變壓器T初、次級線圈電阻判斷其好壞，初級線圈正常阻值在100歐左右，次級線圈正常阻值為2歐左右。若攻級有48V交流電壓且BX2熔斷，需重點檢查三扳管v是否擊穿。檢測三極管時，斷開電源后并取下水槽中磁環(huán)浮子，用萬用表Rx100檔在電路板上測bc、be結(jié)正反向電阻，若測bc、be結(jié)正反向電阻接近且很小，表明三扳管已壞，若三極管v正常，需檢查D5、c5是否擊穿。此前請勿換上新保險管盲目通電，否則不經(jīng)檢查就換新保險管會造成再妖熔斷。
故障現(xiàn)象2：電源指示燈亮，無霧。
電源指示燈亮，說明電源部分工作正常，超聲渡振蕩電路沒工作。
先檢查三極管v的bc結(jié)、be結(jié)是否開路，若正常，應檢測霧量調(diào)節(jié)電位器W1、W2及水位控制開關(guān)K2是否正常，檢測時，斷開電源，將磁環(huán)浮子置于干簧管導通位置，測干簧管能否導通，若不導通，表明干簧管已壞，需更換。
若霧量調(diào)節(jié)電位器Wl、W2及水位控制開關(guān)K2正常，接通電源后仍無霧，可將BX2取出，水槽中充上水，將萬用表置于電流lA檔，串人保險管座中，打開K1、WI調(diào)至最大浸1電流，正常值應在500mA左右。若無電流，應查W1接觸是否良好，L1、L2是否開路。若有電流而無霧，應查c1、C3、C4是否損壞，若未損壞，應檢查換能片xD。換能片xD內(nèi)外環(huán)之間正常阻值應為零，若測內(nèi)外環(huán)阻值選500千歐以上，則需用專用清洗劑清洗或更換。
若電路元件正常但不能工作需測三極管的放大倍數(shù)。三極管的放大倍數(shù)應大于50，若三極管極間電阻正常而放大倍數(shù)接近為零，造成不工作的故障。由于加濕器工作頻率高，功率大，元件選擇要嚴格．V用BIL406或MJE13005，Pc>60W，BVceu>200V，B>50電容宜選用CBB型高頻電容。L1叮用直徑0.69漆包線在直徑6mm圓棒上繞25脫胎成．L2用直徑0.51漆包線在直徑10×10的磁芯上繞25匝制成。
故障現(xiàn)象3：霧量小，調(diào)節(jié)RP1電位器無效。
故障原因：①超聲波發(fā)生電路元器件性能劣化，振蕩電路振幅不足；②壓電換能器結(jié)垢。③RP1電位器損壞
故障檢修：①電路正常時整機工作電流約為500~A，若小于500~A且調(diào)節(jié)RP1、RP2無效時，重點檢查三極管vTl；②用隨機配送的專用清洗液清洗換能片，無效更換，在清洗時注意不要損壞換能器表面；③更換損壞的電位器。
故障現(xiàn)象4：水槽中有霧產(chǎn)生，但無霧噴出。
故障原因：①風機損壞；②風道被異物堵塞；③水位過高堵塞風道。
故障檢修：①檢查更換損壞的風機；②清除風道的異物；③將水槽內(nèi)水位調(diào)至正常水位。先檢查電壓是否加在風機上，電機線圈有無斷路若均正常．是因電機軸緊或安裝不當造成阻轉(zhuǎn)：修理時可輕輕敲打電機端蓋，用手擰動電機軸時，應感覺轉(zhuǎn)動靈活，否則應重新安裝電機或更換。需注意的是：修理時．要特別保護換能片XD．嚴禁在無水情況下，通電使其空振、燒壞換能片XD。嚴禁將換能片XD表面碰傷、劃傷，換能片外觀的損傷直接影響機器的生霧效果。
四、總結(jié)
通過這次畢業(yè)設計，我學到了很多東西，同時也發(fā)現(xiàn)自己有很多沒有掌握的地方，我將在今后的工作學習中更加努力。這次的畢業(yè)設計使我鞏固了我的專業(yè)理論知識，鍛煉了我運用理論知識在實際設計中運用，也鍛煉了我分析問題、解決問題
總的來說這次設計花了很多時的能力，為即將走向的工作打下了堅實的基礎。間，花費了很時間去上網(wǎng)查詢資料，這也培養(yǎng)我的探索、創(chuàng)新能力、設計能力、組織管理能力、分析和解決問題的能力、獨立工作的能力。使我能夠較好地綜合運用所學專業(yè)知識和技能。通過本次畢業(yè)設計我更加體會到了基礎理論學習的重要性，并要通過積極實踐努力提高。
感謝各位老師和同學在很多方面都給以我很大的幫助和啟發(fā)。通過這次畢業(yè)設計鍛煉了自己各方面的能力，為培養(yǎng)自己成為一個全面發(fā)展的、適應社會需求的高素質(zhì)技術(shù)人才打下了基礎。
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