超声波加湿器电路分析和造型设计(一)

超声波加湿器电路分析和造型设计 摘要：本文设计了一款超声波加湿器。在本设计中对超声波加湿器进行了结构分析后使用Pro/E软件对其底座，盖子，加水管进行三维造型设计，并在使用AutoCAD软件绘制电路图的基础上分析了超声波加湿器的工作原理。 关键词： 超声波加湿器 电路  Pro/E  AutoCAD  超声波技术是世界上一种比较成熟的技术，已被广泛应用在各种领域。超声波加湿器采用超声波高频震荡，将水雾化为1-5微米的超微粒子，通过风动装置，将水雾化后喷至工作场所、居住房间改善环境湿度，净化环境空气，或将雾化药水直接喷至病灶部位，以提高治疗效果。已广泛应用在办公室、车间、卧室、医疗部门等地方。使空气湿润并伴生丰富的负氧离子，能清新空气，增进健康，一改冬季暖气的燥热，营造舒适的生活环境。据专家介绍，超声波加湿器的优点是，加湿强度大，加湿均匀，加湿效率高；节能、省电，耗电仅为电热加湿器的1／10至1／15；使用寿命长，湿度自动平衡，无水自动保护；兼具医疗雾化、冷敷浴面、清洗首饰等功能。缺点是对水质有一定的要求。虽然它们型号各异、功率大小不同但基本工作原理相同。 一、超声波加湿器的结构分析  超声波雾化加湿器主要由外壳、电源电路、超声波发生电路、水槽、水位开关及风机等组成。这里我们主要对其外壳进行Pro/E造型设计，超声波加湿器的外壳主要由底座、盖子、加水管等几部分组成。         图1-1超声波加湿器的整体模型 二、超声波加湿器的模型分析及创建过程 （一）、超声波加湿器的底座  在Pro/ENGINRRE Wildfire 主界面中，“File→New…”命令，或者直接按下快 捷键Ctrl+N，也可以直接单击工具栏中的按钮,屏幕显示如图2-1所示的对话框。在“类型”栏中，选择“零件”模式，在“子类型”栏中选择“实体”，“名称”默认。去掉“使用默认模板”前的，单击“确定”按钮，在打开的对话框中选择“mmns_part-solid”，再单击“确定”按钮，进入Pro/ENGINRRE Wildfire主界面。                                        图2-1  “新建”对话框                      图2-4“草绘平面定位”对话框 1、在如图2-3所示的“基本特征”工具栏中单击图标按钮，打开如图2-4所示的“拉伸特征”管理工具栏。      图2-2“基本特征”工具栏            图 2-3 “拉伸特征”管理工具栏 2、单击“拉伸特征”管理工具栏中的图标，系统弹出拉伸界面，并在界面的右上角显示“草绘平面定位”对话框，以TOP平面，RIGHT为参考面，并以它的右面为定位方向来确定草绘平面的方向，如图2-4所示。 3、在草绘平面上绘制如图2-5所示的剖面，再单击继续当前部分。

                       图 2-5  大致草绘半剖面                

 图2-6 拉伸图片 4、以底面拉伸300mm，如图所示2-6。 5、单击“草绘”管理工具栏的图标，系统弹出“草绘”对话框，以拉伸体侧面为平面，RIGHT为参考面，并以它的右面为定位方向来确定草绘平面的方向，如图2-7所示，在单击 如图2-7                 图2-7          6、单击“矩形工具”命令，此时系统默认以“FRONT”为基准片，在当前的活动基准面上绘制一小矩形作为电源开关，单击“确定并退出”命令，系统生成此草绘图；单击“拉伸”命令，此时系统默认把上步绘制的矩形作为拉伸对象；拉伸长度为50mm，拉伸后的图形如图所示2-8                          图2-8                              7、点击草绘，使用上次使用的草绘平面，点击草绘工具栏中的文本工具 8、编辑LED指示灯及开关的档数，所示2-9          9、编辑完后点击完成按钮，退出草绘，此时的图如图2-10所示    图2-9                                   图2-10 10、然后给按钮倒圆角，底座设计完成，完成后的图如下图2-11所示：                                                    图2-11                            （二）、超声波加湿器的中盖  超声波加湿器的中盖设计根据底座的尺寸来设计，中盖中最主要的部位是加水口和雾气出气口，雾气出气口设计成百叶窗式。  在此设计中用到的命令主要有草绘，拉伸，镜像，绘制完后的图如下图2-12和图2-13所示。    图2-12    图2-13 （三）、超声波加湿器的上盖设计    超声波加湿器的上盖设计根据中盖和底座的尺寸来设计，上盖中最主要的部位也是加水口和雾气出气口，雾气出气口也设计成百叶窗式。  在此设计中用到的命令主要有草绘，拉伸，镜像，绘制完后的图如下图2-14和图2-15所示

 图2-14

 图2-15 （四）、超声波加湿器的进水管和塞子设计  超声波加湿器的进水管和塞子设计主要依据中盖和上盖的进水口尺寸以及上盖的高度来设计，进水管有一小锥度，利于加水。在完成模型的过程中主要用到的命令有旋转和拉伸，绘制完成后的图如图图2-16和图2-17所示：    图2-16    图2-17

（五）超声波加湿器的组装图和爆炸图 超声波加湿器的组装图和爆炸图如图所示

 图2-18

 图2-19 三、超声波加湿器的电路分析  （一）、 超声波加湿器的主要电路元件和原理  超声波加湿器的主要电路元件是电声换能器（压电陶瓷片）， 压电陶瓷主要由锆钛酸铅(PZT)所组成, 在氧化锆(ZrO2)、氧化铅 (PbO)及氧化钛(TiO2)等的粉末原料中，按一定比例适当添加微量的添加物后，由多道加工程序完成陶瓷粉料制作，再利用油压机使之压缩成各种规格形状，成型后在1350 ℃ 左右温度下进行烧结，所得的成品，再以电镀的方法或者不锈钢贴片法完成电极极化工作后，就是压电陶瓷晶片成品。    超声波雾化原理： 利用压电陶瓷所固有超声波振荡特点，通过一定的振荡电路手段与压电陶瓷固有振荡频率产生共振，就能直接将与压电陶瓷接触的液体雾化成1--3μm的微小颗粒。其原理是，电路超声波振荡，传输到压电陶瓷振子表面，压电陶瓷振子会产生轴向机械共振变化，这种机械共振变化再传输到与其接触的液体，使液体表面产生隆起，并在隆起的周围发生空化作用，由这种空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使液体表面产生有限振幅的表面张力波。这种张力波的波头飞散，使液体雾化，同时产生大量的负离子。   雾化单元与雾化量： 由于其单独成型的压电陶瓷振荡频率是固有的，因此，只能产生一个震荡冲击波。如果需要增加雾化量，只可采用多组并联同时工作的方法来实现。以现有技术考虑压电陶瓷寿命，每一单元振子功率为0.25W，雾化量为0.3L。由于液体溶液表面张力不同，各种液体的雾化量也不完全相同，相对液体表面张力越大，雾化量越小，反之则越大。液体内所含杂质不同，对设备的使用寿命、雾化效果、保养周期都有一定的影响，以水为例，当水中钙、镁、矽酸含量高时，各种加湿方法在一定程度上都会受到影响，影响加湿效率，甚至会造成设备损坏，再超声波加湿中，水中钙、镁、矽酸含量高时，会造成雾化器本身结垢、加湿环境受到污染等等负面影响。  超声波加湿器的特点：  优点；颗粒小，能耗低，可输送。缺点：对水质要求较高 、超声波加湿器电路图的设计

图3-1  加湿器的电路图设计  超声波雾化加湿器采用220V交流电源，FU1为电源保险，s1为带有雾量调节电位器RP1的电源开关，水位开关S1为干簧管磁控开关，该开关对压电换能器起保护功能，当水槽中无水时，水位开关干簧管接点断开，即使合上电源开关S1，超声波发生电路也不工作，无输出电压从而保护了压电换能器。向水槽中注入水至额定水位时，水位开关磁钢浮子浮起，干簧管接点接通超声波发生电路，具备了起振条件。此时合上电源开关S1，220V交流市电经保险管FU1、定时器PT至变压器T初级，次级输出约48V左右的交流电压，经UR整流，c1滤波，作为超声波发生电路的工作电源，使其起振产生超声波。超声波发生电路由三极管VT1、电感线圈L1、L2、L3、电容C2、C3、C4、C5、雾量调节电位器PRP1、RP2、电阻R2、R4等组成。超声波发生电路起振产生超声波由三极管VT1输出至压电换能器实现水的雾化。同时220v市电加至风机处，风机转动将雾化后潮气由风道口送出，达到改善调节环境湿度的目的。RP1、RP2为雾化量大小调节电位器，RP1安装在面板上供使用者使用调节。RP2安装在机内，在出厂前已由厂家调整好，一般不应随意调整。当水槽内水位下降，水位开关S1磁钢浮子随水位下降至一定位置时，干簧管内接点断开，切断超声波发生电路电源，雾化器无雾输出。 （三）超声波加湿器故障分析 故障现象1：通电后，电源指示灯不亮。  此故障多为保险丝BXI或BX2熔断。  先检查BX1是否正常，若BX1熔断，需检查风机M、变压器T是否短路。若BX!正常，测变压器次级有无48v交流电压，若无，测变压器T初、次级线圈电阻判断其好坏，初级线圈正常阻值在100欧左右，次级线圈正常阻值为2欧左右。若攻级有48V交流电压且BX2熔断，需重点检查三扳管v是否击穿。检测三极管时，断开电源后并取下水槽中磁环浮子，用万用表Rx100档在电路板上测bc、be结正反向电阻，若测bc、be结正反向电阻接近且很小，表明三扳管已坏，若三极管v正常，需检查D5、c5是否击穿。此前请勿换上新保险管盲目通电，否则不经检查就换新保险管会造成再妖熔断。 故障现象2：电源指示灯亮，无雾。  电源指示灯亮，说明电源部分工作正常，超声渡振荡电路没工作。  先检查三极管v的bc结、be结是否开路，若正常，应检测雾量调节电位器W1、W2及水位控制开关K2是否正常，检测时，断开电源，将磁环浮子置于干簧管导通位置，测干簧管能否导通，若不导通，表明干簧管已坏，需更换。  若雾量调节电位器Wl、W2及水位控制开关K2正常，接通电源后仍无雾，可将BX2取出，水槽中充上水，将万用表置于电流lA档，串人保险管座中，打开K1、WI调至最大浸1电流，正常值应在500mA左右。若无电流，应查W1接触是否良好，L1、L2是否开路。若有电流而无雾，应查c1、C3、C4是否损坏，若未损坏，应检查换能片xD。换能片xD内外环之间正常阻值应为零，若测内外环阻值选500千欧以上，则需用专用清洗剂清洗或更换。  若电路元件正常但不能工作需测三极管的放大倍数。三极管的放大倍数应大于50，若三极管极间电阻正常而放大倍数接近为零，造成不工作的故障。由于加湿器工作频率高，功率大，元件选择要严格．V用BIL406或MJE13005，Pc>60W，BVceu>200V，B>50电容宜选用CBB型高频电容。L1叮用直径0.69漆包线在直径6mm圆棒上绕25脱胎成．L2用直径0.51漆包线在直径10×10的磁芯上绕25匝制成。 故障现象3：雾量小，调节RP1电位器无效。 故障原因：①超声波发生电路元器件性能劣化，振荡电路振幅不足；②压电换能器结垢。③RP1电位器损坏 故障检修：①电路正常时整机工作电流约为500~A，若小于500~A且调节RP1、RP2无效时，重点检查三极管vTl；②用随机配送的专用清洗液清洗换能片，无效更换，在清洗时注意不要损坏换能器表面；③更换损坏的电位器。 故障现象4：水槽中有雾产生，但无雾喷出。 故障原因：①风机损坏；②风道被异物堵塞；③水位过高堵塞风道。 故障检修：①检查更换损坏的风机；②清除风道的异物；③将水槽内水位调至正常水位。先检查电压是否加在风机上，电机线圈有无断路若均正常．是因电机轴紧或安装不当造成阻转：修理时可轻轻敲打电机端盖，用手拧动电机轴时，应感觉转动灵活，否则应重新安装电机或更换。需注意的是：修理时．要特别保护换能片XD．严禁在无水情况下，通电使其空振、烧坏换能片XD。严禁将换能片XD表面碰伤、划伤，换能片外观的损伤直接影响机器的生雾效果。 四、总结  通过这次毕业设计，我学到了很多东西，同时也发现自己有很多没有掌握的地方，我将在今后的工作学习中更加努力。这次的毕业设计使我巩固了我的专业理论知识，锻炼了我运用理论知识在实际设计中运用，也锻炼了我分析问题、解决问题  总的来说这次设计花了很多时的能力，为即将走向的工作打下了坚实的基础。间，花费了很时间去上网查询资料，这也培养我的探索、创新能力、设计能力、组织管理能力、分析和解决问题的能力、独立工作的能力。使我能够较好地综合运用所学专业知识和技能。通过本次毕业设计我更加体会到了基础理论学习的重要性，并要通过积极实践努力提高。  感谢各位老师和同学在很多方面都给以我很大的帮助和启发。通过这次毕业设计锻炼了自己各方面的能力，为培养自己成为一个全面发展的、适应社会需求的高素质技术人才打下了基础。 参考文献： [1] 周四新和青芳. Pro/ENGINEER Wildfire 4.0高级设计实例精讲[M]. 北京：机械工业出版社 ，2009 [2] 屈华昌. 塑料成型工艺与模具设计(附光盘)(版本)[M].北京：高等教育出版社，2007 [3] 王雷. ProENGINEER Wildfire 3.0中文版机械设计高级应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007 [4] AutoCAD机械设计实例精讲[M].北京：科学出版社，2009 [5] 高春甫等. 可编程序控制器选用与系统设计实例.重庆：重庆出版社，2010 [6]王公望.现代电子电路应用基础/实用电子设计及应用丛书.陕西：西安科技大学出版社，  2007

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