聲波清洗砝碼技術(shù)及實(shí)驗(yàn)分析

【摘要】：為了推廣聲波清洗機(jī)在砝碼清潔和檢定中的應(yīng)用,先,簡(jiǎn)述傳統(tǒng)的利用無(wú)水乙醇的手工清洗方法及其;其次,分析聲波清洗技術(shù)的原理及性能;后,設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn),并對(duì)結(jié)果行比較分析。結(jié)果表明,聲波清洗技術(shù)具有高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代計(jì)量的砝碼清潔中具有廣闊的應(yīng)用前景。

引言

聲波清洗是功率聲的主要應(yīng)用之，它可以清洗深孔、狹縫中的污物，具有安全、高效、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)。因此，聲波清洗被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)械、光學(xué)、電子等等。隨著聲波領(lǐng)域的技術(shù)革新，清除清洗的安全系數(shù)提高，我們是否可以利用聲波原理來(lái)清洗砝碼呢？

1 聲波清洗的原理
1.1 聲波簡(jiǎn)介
聲波是種頻率出人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍 20 kHz以上的聲波。聲波很像電磁波，能折射、聚焦和反射，
然而它和電磁波又不同，電磁波可以在真空中傳播，聲波則需要彈性介質(zhì)來(lái)傳播。在傳播時(shí)，聲波使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩，并通過(guò)彈性介質(zhì)按聲波的傳播方向傳遞能量，這種波分為縱向波和橫向波兩種。在固體內(nèi)，縱向波和橫向波都可以傳遞能量，而在氣體和液體內(nèi)，只有縱向波可以傳遞能量。

1.2 聲波清洗原理
聲波能引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度和聲頻率的平方成正比。因此，幾十千赫的聲會(huì)產(chǎn)生的作用力，聲波在液體中傳播時(shí)，液體中的微小氣泡在聲波的作用下，會(huì)產(chǎn)生聲空化。
在空化氣泡突然閉合時(shí)發(fā)出的沖擊波，可在其周?chē)a(chǎn)生上千個(gè)氣壓力，它會(huì)對(duì)污層直接反復(fù)沖擊，同時(shí)也會(huì)引起污物層的破壞，從而使污物脫離清洗件表面并分散到清洗液中。空化氣泡的振動(dòng)也能對(duì)固體表面行擦洗。空化氣泡還能“鉆”裂縫中做振動(dòng)，使污物脫落。對(duì)于有油脂性的污物，由于聲空化作用，當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油會(huì)與水乳化，固體粒子就脫落了。空化氣泡在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)使液體本身產(chǎn)生環(huán)流，即所謂聲流，它可以使振動(dòng)氣泡表面產(chǎn)生很高的速度梯度和黏滯應(yīng)力，促使清洗件表面污物的破壞和脫落。聲空化在固體和液體邊界面上所產(chǎn)生的高速微射流，能夠除去或削弱邊界污層，加速可溶性污物的溶解，化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外聲波在清洗液中引起質(zhì)點(diǎn)很的振動(dòng)速度和加速度，亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的沖擊，從而達(dá)到清洗的效果。由上訴聲波清洗原理可知，凡是被液體浸到聲空化產(chǎn)生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面復(fù)雜形狀的限制，如部件表面的空穴、凹槽、狹縫和深孔、微孔，而這些部件用般刷洗方法是不能清洗干凈的。

2 聲波清洗砝碼可行性分析
2.1 聲波清洗砝碼，是否會(huì)對(duì)砝碼表面造成可見(jiàn)性的損傷，從而減輕砝碼的質(zhì)量當(dāng)聲波清洗技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)，雖然聲波可以對(duì)工件施加非常巨的能量，尤其適用于清除牢固地附在基底上的污垢，但是同時(shí)，聲波的能量也會(huì)損傷沾有污垢但 質(zhì)比較脆弱的基底材料。在過(guò)去的十幾年，聲波領(lǐng)域出現(xiàn)了技術(shù)革新，提高了清除清洗的安全系數(shù)。人們發(fā)現(xiàn)用 1000 kHz 以上的高頻聲波清洗，可以清洗物體表面的污垢，但不會(huì)損傷基底表面的材料。這項(xiàng)技術(shù)可用于半導(dǎo)體的清洗，并且對(duì)半導(dǎo)體的基座（塑料材質(zhì)）不會(huì)造成損傷。可見(jiàn)，從理論上看，用聲波清洗砝碼，不會(huì)對(duì)砝碼表面造成可見(jiàn)性的損傷。為了證明實(shí)際的效果，本人采用 E2 級(jí)砝碼500 g，class 型 和 E2 型各只，先用 100 % 的純酒精清洗，行測(cè)量，然后用聲波清洗，測(cè)量質(zhì)量值。按照 JJG99-2006 砝碼檢定規(guī)程的要求，對(duì)砝碼表面的檢測(cè)，可以采用目測(cè)。由于采用的 class 型 500 g 砝碼已使用多年，經(jīng)目測(cè)其底部附著某些化學(xué)試劑的成分，并且這些污垢不能用 100 % 的純酒精洗去。而經(jīng)過(guò)聲波清洗后，目測(cè)可見(jiàn)，500 g 砝碼的底部，斑點(diǎn)樣的化學(xué)試劑殘留明顯減少，而且底部也沒(méi)有出現(xiàn)新的明顯劃痕類(lèi)痕跡。

圖 1-2 為 class 型砝碼用聲波清洗前后對(duì)比
圖。
圖1 class型砝碼清洗前
圖2 class型砝碼清洗后
而采用的 E2 型 500 g 砝碼，砝碼本身沒(méi)有附著可見(jiàn)性白斑污垢，對(duì)其行聲波清洗之前的表面行觀察，沒(méi)有明顯的劃痕印記。將其放入 水中行聲波清洗，取出可見(jiàn)表面無(wú)新添劃痕。由此可見(jiàn)，聲波清洗，并不會(huì)對(duì)砝碼的表面造成損傷。下面，我們將清洗前的砝碼（已使用酒精清洗）質(zhì)量值與清洗后的做比較，看看，經(jīng)過(guò)聲波清洗后，砝碼的質(zhì)量會(huì)發(fā)生怎樣的變化。表1 砝碼清洗前后的質(zhì)量修正值砝碼清洗前折算質(zhì)量修正值/mg清洗后折算質(zhì)量修正值/mg變化值 /mg 允差 / mg

class 型 500g -0.05 -0.30 -0.25 0.8
E2 型 500g -0.13 -0.12 0.01 0.8
由表 1，可見(jiàn) class 型 500 g 砝碼質(zhì)量值發(fā)生明顯變化，輕了 0.25 mg；而 E2 型 500 g 砝碼的質(zhì)量值無(wú)明顯變化。這組數(shù)據(jù)，與我們觀察到砝碼本身的表面情況也是致的：class 型 500 g 砝碼由于底部有可見(jiàn)性化學(xué)試劑殘留，通過(guò)聲波清洗，部分的殘留物質(zhì)被去除，因此理論上，它的折算質(zhì)量值應(yīng)變小，實(shí)測(cè)變化量為 -0.25 mg，符合我們目測(cè)結(jié)果；而 E2 型 500 g 砝碼，本身無(wú)明顯污垢，通過(guò)聲波清洗，折算質(zhì)量值的變化量為 0.01 mg，按照砝碼檢定規(guī)程的要求，兩次測(cè)量值的差值均在允差的 1/3 內(nèi)，這符合重復(fù)性的要求，數(shù)據(jù)可以被接受。由 E2 型 500 g 砝碼的例子可見(jiàn)，通過(guò)聲波清洗砝碼，與使用酒精清洗相比，對(duì)砝碼的實(shí)際質(zhì)量值無(wú)影響。所以采用聲波的技術(shù)清洗砝碼，是可行的。同時(shí)，由class型500 g砝碼的例子可見(jiàn)，通過(guò)聲波清洗砝碼，可以更有效地去除砝碼表面的污垢。

2.2 聲波清洗砝碼，會(huì)否對(duì)砝碼的磁性數(shù)據(jù)造成影響呢由于小砝碼較易被磁化，所以采用 E2 級(jí)砝碼 1g，class 型 和 E2 型各只，用聲波清洗后，測(cè)量其磁化率數(shù)據(jù)，并與其檢磁性數(shù)據(jù)做比較。聲波是通過(guò)引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，通過(guò)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)產(chǎn)生聲空化，從而產(chǎn)生沖擊波，對(duì)污層的直接反復(fù)沖擊，另方面氣泡的振動(dòng)也能對(duì)固體表面行擦洗。從理論上來(lái)看，聲波是種能量的傳遞過(guò)程，但是并沒(méi)有電流量的產(chǎn)生，也沒(méi)有形成磁場(chǎng)，從而不會(huì)改變砝碼的磁性。但是基于實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有相應(yīng)的儀器去監(jiān)控聲波清洗過(guò)程的磁場(chǎng)、電場(chǎng)的情況，只能通過(guò)使用前后砝碼磁性的變化量來(lái)說(shuō)明問(wèn)題。表2 砝碼清洗前后的磁性數(shù)據(jù)砝碼清洗前 清洗后 變化值

磁化率
極化
度 /μT
磁化率
極化
度 /μT
磁化率
極化
度 /μT
class 型 1g 0.002 1.1 0.002 1.1 0.0 0.0E2 型 1g 0.008 -3.3 0.008 -3.3 0.0 0.0由表 2 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)聲波清洗，并不會(huì)改變砝碼的磁性。

3 使用聲波清洗砝碼的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)
3.1 使用聲波清洗砝碼的優(yōu)勢(shì)由于以前實(shí)驗(yàn)室直使用的是 100% 的純酒精清洗砝碼，所以對(duì)此方法的不足之處深有體會(huì)。主要有三點(diǎn)：是環(huán)保、安全問(wèn)題，二是清洗效率問(wèn)題，三是清洗效果問(wèn)題。

1）100% 的純酒精屬于化學(xué)品，使用過(guò)程中有刺激性氣味產(chǎn)生，易揮發(fā)，使用過(guò)后也要注意
安全保存，廢酒精要統(tǒng)處理。而使用聲波，則只需要用到二次蒸餾水，不存在以上的環(huán)保及
安全問(wèn)題。

2）使用酒精清洗，主要靠手工清洗，半個(gè)工作日，只能清洗 3~4 套砝碼（1 mg~500 g）。而使用聲波，可以將砝碼放入不同的燒杯中，只要有足夠的空間，可以同時(shí)清洗多個(gè)砝碼，只要10 min，算上前期、后期的處理工作，也只要30 min左右。這樣算來(lái)，使用聲波的清洗效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用純酒精。

3）使用聲波清洗的清洗效果也是優(yōu)于使用100% 的純酒精的，上文中已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明。
3.2 使用聲波清洗砝碼的劣勢(shì)由于使用聲波清洗砝碼的經(jīng)驗(yàn)不足，我們并不知道，根據(jù)不同數(shù)量、型號(hào)，如何制定合理的清洗時(shí)間、聲頻率。找出這些問(wèn)題的答案，需要做量的實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)。同時(shí)由于聲波清洗時(shí)，需要用到水，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室的濕度會(huì)有影響，需要注意。

4 結(jié)論
聲波清洗已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、電子等各個(gè)領(lǐng)域，隨著技術(shù)的步，它的應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)。本文考慮使用聲波清洗砝碼的可行性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合原理分析，可以看到使用聲波清洗砝碼，不會(huì)對(duì)砝碼的表面、質(zhì)量及磁性特性造成影響。同時(shí)比較其他的清洗方法，使用聲波還有著很的優(yōu)勢(shì)，是更環(huán)保，二是效率更高，三是清洗效果好。但是作為新的技術(shù)手段，我們?cè)谑褂眠^(guò)程中要注意多收集數(shù)據(jù)，以便更合理地運(yùn)用新技術(shù)。

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