季铁梅 ，田 华 ，韩 非 ，王 建 *

（1.上海市水文总站，上海 200232；2.上海无线电设备研究所，上海 200438；3.上海目标识别与环境感知工程技术研究中心，上海 200438；4.上海神添实业有限公司，上海 200438）

1 引言

水质分析传感器在海洋环境及其他领域广泛应用中，由于所处环境介质的不同，其水生物附着污染程度业也不相同[1]。目前使用的便携式水质多参数检测仪AP-2000传感器，多以玻璃作为测量电极，可增配一个ISE电极和一个光学探头。诸多的清洗方法中有机械刷洗、水喷射清洗、特种清洗液喷射清洗和复合清洗。最简单的清洗方便就是人为手动清洗，但是人工清洗有很多弊端，比如拆卸传感器麻烦、容易损坏传感器测量镜面、测量作业暂时停止等[2]。本文基于清洗设备实际现状，以高效、超声波、清洗等为目标对相关结构进行研发，设计了能够适应长江口水域水质的一套设备，现场试验结果表明了所研发软硬件系统的有效性。

2 超声波清洗装置原理分析

2.1 超声波清洗的原理

人们所听到的声音是频率20～20000Hz的声波信号，高于20000Hz的声波称之为超声波，声波的传递依照正弦曲线纵向传播，即一层强一层弱，依次传递，当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许许多多微小的气泡，而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，因而，液体中形成的微小气泡被压碎[3]。经研究证明[4]：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为“空化效应”，超声波清洗正是应用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷设备表面的作用。

当超声波电源将50Hz的日常供电频率改变为28kHz后[5-6]，通过输出电缆线将其输送给粘接在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超声波发生器（换能器），由换能器将高频的电能转换成机械振动并发射至清洗液中，当高频的机械振动传播到液体里后，清洗液内即产生上述空化现象，达到清洗的目的。由于超声波的频率很高，在液体中所产生的空化作用可以达到28000次/秒，在液体中由于空化现象所产生的气泡数量众多且无所不在，因此对于工件的清洗可以非常彻底。即使是形状复杂的工件内部，只要能够接触到溶液，就可以得到彻底的清洗，又因为每个气泡的体积非常微小，因此虽然它们的破裂能量很高，但对于工件和液体来说，不会产生机械破坏和明显的温升[7-9]。

2.2 超声波清洗设备的组成

（1）清洗槽：盛放待洗工件和清洗介质，清洗槽一般由不锈钢制成，可安装加热及控温装置。采用超声波清洗，一般有化学清洗剂和水基清洗剂两种清洗剂。清洗介质是化学作用，而超声波清洗是物理作用，两种作用相结合，以对物体进行充分、彻底的清洗。

（2）换能器：超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率[10]。本系统中的超声波换能器性能测试系统主要包括FPGA控制模块、超声波换能器激励信号发生模块、信号调理模块。见图1。

图1 超声波换能器系统原理图

FPGA控制模块是整个系统的核心，负责数据处理，控制系统的时序与各模块的协调运行。现存两种换能器，一种是磁力换能器[11]，由镍或镍合金制成；一种压电换能器，由锆钛酸铅或其他陶瓷制成。将压电材料放入电压变化的电场中时，它会发生变形，这就是所谓的“压电效应”。显然磁力换能器和压电换能器都是由能抵抗海水侵蚀的材料制成，所以进行选择时的考虑因素为其产生的空化效应的强度。

信号发生器负责对固定时钟信号分频，产生与超声波换能器谐振频率相匹配的高频信号。

信号调整模块负责将超声波的发射信号转化成易于测量的直流信号，并且进行A/D转换。

显示器主要负责实时显示换能器收发信号幅值、信号发生器所发出信号的频率值及收敛发信号的幅值比。超声波换能器在FPGA的主要负责完成激励信号分频、控制超声波换能器的声波首发时序、控制信号调理电路与A/D转换模块，对换能器收发信号分时调理、处理A/D转换结果并送液晶显示屏。

（3）电源：为换能器提供所需电能（提供高频率的电源）逆变电源，采用进口IGBT元件，安装过流保护线路[11-12]。

换能器将高频电能转换成机械能之后，会产生振幅极小的高频震动并传播到清洗槽内的溶液中，在换能器的作用下，清洗液的内部将不断地产生大量微小的气泡并瞬间破裂，每个气泡的破裂都会产生数百度的高温和近千个大气压的冲击波，从而将工件冲刷干净。

2.3 超声清洗方案

一般来说：用于清洗的超声波，其频率应在20kHz～80kHz之间。在进行选配时，主要从以下方面考虑：

（1）频率。超声波频率越低，在液体中产生空化越容易，作用也越强。频率低噪音大，换能器的体积也偏大。超声波频率高则超声波方向性强，适合于精细的物体清洗。在同一清洗条件不同清洗频率下结果显示，采用40kHz或80kHz的超声波清洗在弯曲处有超声波清洗损伤，但用170kHz或950kHz超声波清洗工件检查结果完好。高频超声波（80/120/170kHz）的应用主要为：清除细微颗粒；在冲洗的过程中发挥清洁作用；减少空穴效应侵蚀及减低表面损伤；一般用于精密零件清洗应用；功率更加均匀分布清洗槽。

（2）功率。超声波的功率密度越高，空化效果越强，速度越快，清洗效果越好。但对于精密的、表面光洁度甚高的物体，采用长时间的高功率密度清洗会对物体表面产生“空化”腐蚀。

（3）超声波强度。即单位面积的声波功率。超声去污的效果好坏取决于空化作用，而空化作用的产生与超声波强度有关。通常情况下单位面积声波功率超过0.3W/cm2（输出电功率一般大于1W）水溶液就能产生空化效应。在一定范围内，超声波强度越大，空化作用越明显，也就是说去污效果越好。但太高的功率密度会由于空化作用太强而引起对部件的表面侵蚀使部件受损。另外当功率密度增加到一定程度就会出现饱和现象，去污效果反而会下降。产生空化的功率密度临界点与频率还有关系，频率越高产生空化的功率密度越大，在20kHz时，功率密度临界点大约为0.3～0.4W/cm2。

（4）工作温度。超声波在30℃～40℃时空化效果最好。清洗剂则温度越高，作用越显著。通常实际应用超声波清洗时，采用40℃～50℃的工作温度。

3 超声波清洗装置设计

3.1 整体结构

连接方式：浮子（1）和连接件（12）用螺纹连接（浮子（1）的内孔有外螺纹、连接件（12）的外螺纹）。小高压泵（11）有一个进水嘴和出水嘴，进水嘴通过进水管和过滤石（6）连接在一起。吸水管（2）出水管（3）是软性硅胶，无毒，不与海水发生反应。防碰撞罩（4）有316L不锈钢焊接而成，表面多空，方便海水与传感器充分接触，同时还能隔绝较大的贝类附着在传感器上，简介保护传感器。感器1（5）和传感器2（8）传感器3（9）是不同的传感器测量不同的水质参数。过滤石（6）酥松多孔，对悬沙浓度大的海水的过滤作用比较好，高压扇形喷嘴（7）通过出水管和小高压泵（11）连接，高压泵泵出的高压海水，通过喷嘴喷出，清洁传感器的喷头，防止海水中的贝类和藻类等附着物在传感器探头上的生长。传感器支架（10）有五个部分组成（顶部卡盘（1）底部碰嘴安装件（2）立柱（3）传感器固定板（4）橡皮圈（5））顶部卡盘和防碰撞罩通过螺钉固定，底部碰嘴安装件通过螺母固定高压碰嘴，立柱焊接在传感器固定板和底部碰嘴安装件上，和顶部卡盘通过螺纹连接，橡皮圈把不锈钢和传感器连接线隔绝开，保护电线。线束（13）把电机和传感器及浮体的连接线和固定绳包裹在一起。

图2 清洗装置的剖视图

3.2 工作过程

把整个装置放在测试井里，接通电源，固定好连接线。控制单元控制电机工作，海水经过过滤石（6）起到简单的过滤，在进过吸水管（2）进给小高压泵（11）的容舱内，行成高压海水，在经过出水管（3）从高压扇形喷嘴（7）喷出，高压水有很强的冲击力，会使附着在传感器探头上的附着物冲击下来。从而起到清洁的作用。不同的工作环境，通过控制单元控制电机的开启频率和工作时间，达到最好的清洗效果。

图3 防碰撞罩

图4 传感器及传感器支架

利用超声波空化效应的原理，在水质监测设备防治海生物的应用中是一个很好的选择，显示出了以下优势：

（1）一举两得：超声波空化效应既可以去除海水滤器即管壁的海生物附着物，还可以杀死海生物及其幼体，其他任何方法都无法达到这样的效果。

（2）高效：根据超声波清洗技术的广泛应用及其实际效果，超声波空化效应在设备防海生物的应用也具有相同的效果，同时超声波的传递不受空间形状的限制，不存在死角和盲点，只要在超声波波及范围内和与海水接触的任何表面，空化效应均能发挥作用。

（3）低成本：超声波装置在现今属于比较成熟的应用技术，造价很低，同时操作成本也很低。（4）维护简单：超声波信号发生器以及换能器基本上属于免维护设备，可以适用于各种工作环境；同时由于声头布置在海水滤器的盖板上，即使损坏，也可以将该海水滤器进行隔离，拆下海水滤器盖板，对声头进行更换。因此安装拆卸都非常方便，不会影响生产。

4 实验与数据分析

超声波清洗方式超过一般以往的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂，像一些表面凹凸不平，有盲孔的机械零部件，一些特别小而对清洁度有较高要求的产品如：钟表和紧密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。超声波清洗的原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质—清洗溶剂中，超声波清洗液中疏密相同的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区迅速闭合。在这种称为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就像一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。

在实验过程中采用常规的滚刷清洗、高压水冲洗、超声波清洗和人工清洗四种方法进行比较。实验效果如表1所示：

表1 四种清洗效果对照表

超声波清洗在清洗金属等这类硬质的零件有着理想的清洗效果，因为传感器表面的无损生物附着具有不规则性，用常规方法我们无法接触到，超声波不受限制，可以传到缝隙深处，而且也不会损伤物体表面，是非常实用的。其清洗主要具有以下特点：清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致；清洗速度快，提高生产效率，不须人手接触清洗液，安全可靠；对深孔处、细缝和工件隐蔽处亦可清洗干净；对传感器表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工。

5 结束语

根据水质传感器在工作中的精度要求，并且结合了在长江口水域特殊的水文情况，设计并实现了包括传感器防护罩壳、控制器、高压泵、高压清洗喷嘴等一套清洗模块，在芦潮港水文测站进行了试用，对传感器附作物的清洗中较传统清洗方法有明显的优势，且节省了人力、物力资源。

本文研制的清洗装备有望在“长江口环境测站” 工程中实现应用，将有效解决长江口测站，尤其是无人值守测站传感器自维护问题。■