一种基于声辐射力的无形微振动台及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于声辐射力的无形微振动台及应用。半球形换能器阵列位于置物台的正上方，半球形换能器阵列固定连接在PLC运动控制器上，高速摄像机固定于半球形换能器阵列顶端的通孔中并与高速图像采集卡相连，PLC运动控制器与基于PXI总线的上位机系统相连；信号发生和采集系统包括多通道线性功率放大器、多通道程控信号发生器和多通道数据采集卡，多通道线性功率放大器和多通道数据采集卡与半球形换能器阵列上的换能器相连，多通道程控信号发生器、高速图像采集卡和多通道数据采集卡均与基于PXI总线的上位机系统相连。本发明专利技术通过相控算法将振动参数转换为换能器阵列驱动信号，使得声场在目标物体处形成虚拟振动夹，对目标物体进行激振；具有较好的适应性、结构简单、易于操作等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声辐射力的无形微振动台及应用
本专利技术涉及一种振动台装置，尤其是涉及了一种基于声辐射力的无形微振动台及应用。
技术介绍
随着科学与技术的不断深入发展，越来越多的科学研究在微观领域展开。人们对微型化设备的研究日新月异，促使微型化设备不断发展，如微机械、微执行器、微传感器等，使其在生物医学、无线通信、工业自动化等重要领域更加不可替代，与此同时，对其能进行有效振动测试的重要性逐步凸显。然而，由于微观领域存在尺寸效应等多方面因素，仍采用传统振动台对微小物体进行振动测试显得捉襟见肘。因此，人们对微米级至纳米级尺度微构件的振动测试具有越来越强烈的需求。例如，MEMS微构件动态测试时最基本的环节是要对其激振，由于其尺寸小，谐振频率高，传统激励技术无法直接应用在MEMS动态测试中，MEMS微构件动态测试常使用基于压电陶瓷的激励方式，而部分MEMS器件需要在高温等恶劣环境下工作，仍采用工作温度较低的压电陶瓷进行高温环境下的动态测试非常困难，且压电陶瓷的振动模式单一。此时，如何在多种工作环境下对MEMS器件进行有效的多种模式的激振更为关键。在生物工程领域，不断有学者研究机械力刺激对细胞力学性能、生理功能等方面的影响，都可能为致命疾病早期诊断、细胞工程、生物功能材料等方面提供理论依据，但是传统细胞振动测试是利用振动台对一批培养细胞进行激振，此过程中引入了较多不确定干扰因素，如细胞与细胞之间、细胞与仪器之间等，且细胞受到振动的均匀性和一致性也难以保证，都会对测试结果产生或多或少的影响。因此能否采用非接触的方式对单一或多个目标细胞分别施加有效振动刺激显得尤为重要。综上所述，目前对于微米级至纳米级微小物体的振动激励还存在很大局限性，不仅设备复杂、价格昂贵，而且干扰因素较多，振动效果难以保证。可见，亟需开发一种工艺简单、适应性强的能对微米级至纳米级微小物体施加多方向激振力的微振动台。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种基于声辐射力的无形微振动台及应用。本专利技术装置利用贝塞尔信号作为激励信号，采用相控算法合成一个或多个虚拟振动夹，对被俘获目标物体按预设模式激振。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术包括高速摄像机、PLC运动控制器、半球形换能器阵列、置物台、高速图像采集卡、信号发生和采集系统和基于PXI总线的上位机系统；半球形换能器阵列位于置物台的正上方，半球形换能器阵列固定连接在PLC运动控制器上，高速摄像机固定于半球形换能器阵列顶端的通孔中，PLC运动控制器通过RS232与基于PXI总线的上位机系统相连；信号发生和采集系统包括多通道线性功率放大器、多通道程控信号发生器和多通道数据采集卡，多通道线性功率放大器和多通道数据采集卡与半球形换能器阵列上的换能器相连，多通道程控信号发生器和多通道数据采集卡通过PXI总线与基于PXI总线的上位机系统相连；高速摄像机经高速图像采集卡和PXI总线后也与基于PXI总线的上位机系统相连。本专利技术根据采集到的目标物体位置，通过声束相控算法计算出程控信号发生器各通道参数，从而通过换能器阵列合成预期声场，利用声场中形成的声辐射力夹俘获置物台内目标物体，进而对被俘获目标物体按预设模式激振。所述的半球形换能器阵列主要是由半球形换能器座和安装在半球形换能器座上的多个圆形换能器构成，多个圆形换能器分为四组，每组圆形换能器布置在半球形换能器座上表面的同一圆周并沿周向间隔均布，不同组圆形换能器布置在不同圆周上，从下至上的各组圆形换能器中的圆形换能器数量依次递减。控制各个圆形换能器产生超声波，使其在置物台范围内相互叠加合成为预期声场，预期声场中形成位于微小物体附近的虚拟振动夹，虚拟振动夹会迅速俘获目标物体；并通过算法将预设振动模式转换为各个圆形换能器的驱动信号频率、幅值和相位延时信息，使得虚拟振动夹位置按预设模式变化，目标物体在其作用下按预设振动模式振动。虚拟振动夹激振过程中，对目标物体的夹持力大小可按预设模式改变，可实现复合振动测试效果。所述的半球形换能器阵列顶部加工有观测通孔，观测通孔安置高速摄像机以实现目标物体位置信息采集。所述的半球形换能器座上设置用于安装圆形换能器的换能器安装孔，换能器安装孔侧部加工有正电极孔和负电极孔，圆形换能器的正极座和负极座分别嵌装在正电极孔和负电极孔中，电极孔与电极座采用过盈配合。所述的半球形换能器座顶部侧面设有通讯口，正电极孔和负电极孔经埋设在半球形换能器座内部的电线与通讯口连接，通讯口与多通道线性功率放大器和多通道数据采集卡相连。所述的置物台底面为正方形，底部内设有圆形的物体放置范围和用于高速摄像机定标的十字形放置范围中心，十字形放置范围中心位于物体放置范围中心。工作时，整个声场的操纵范围与置物台中的物体放置范围相同，被操纵物体可以任意放置在置物台放置范围中。所述的圆形换能器采用空气耦合式超声换能器、液体耦合式超声换能器或者两种换能器的组合。本专利技术可采用空气耦合和液体耦合两种工作方式，采用液体耦合的工作方式时，需要通过PLC运动控制器将半球形换能器阵列下移至置物台中，直至换能器全部浸入液体中。空气耦合式换能器与液体耦合式换能器主要是换能器内部匹配层参数不同，各个圆形换能器外形相同，均为圆形换能器，两种换能器均能保证一致性。所述的圆形换能器所加载的驱动信号是贝塞尔信号。所述的PLC运动控制器为竖直方向上的单自由度运动控制器，可以带动与之固定的半球形换能器阵列和其上的高速摄像机沿竖直方向上下移动。本专利技术被操纵物体是微米级至纳米级微小物体，尤其是针对细胞等微小生物质多模式振动。本专利技术装置制作完成时，需要对整套系统进行系统水平坐标零点定标和垂直坐标零点定标：基于PXI总线的上位机系统通过高速摄像机采集置物台底面内侧十字形放置范围中心的位置，并标记为系统水平坐标零点。PLC运动控制器停留在默认位置，开启系统定标程序，系统使用32个液体耦合式超声换能器利用延时聚焦算法沿系统坐标零点竖直方向上形成声束，系统通过多通道数据采集卡接收到的置物台内底面回波声程计算出置物台内底面到半球形换能器阵列最上层换能器的垂直距离，并记录此时PLC运动控制器的位置信息为垂直坐标距离零点。由此，系统在工作时，目标物体需放置在置物台内底面放置范围内，通过PLC运动控制器的位置信息和高速摄像机采集到的图像信息即可确定出被俘获目标物体的垂直坐标和水平坐标。本专利技术工作时，基于PXI总线的上位机系统带有显示器，显示器可呈现系统通过高速摄像机采集到的目标物体，用户通过显示器选择需要激振的一个或多个目标物体，此时，系统获得目标物体的平面坐标。系统通过目标位置和预设振动参数计算出驱动信号下发给多通道程控信号发生器，并经多通道线性功率放大器进行功率放大，最终将信号传入半球形换能器阵列。本专利技术振动台工作过程原理是：用户确定好目标物体后选择正弦振动或随机振动等振动模式，并需要输入目标物体的密度、压缩系数等力学特性参数以及振幅、振动方向、振动频率等振动参数。然后通过获取的目标物体的水平坐标和竖直坐标，利用声束相控算法计算出需要加载在各个通道换能器的驱动信号频率、幅值和相位延时信息，从而通过半球形换能器阵列形成预期声场，此时合成的预期声场中形成与所选目标物体个数相同的虚拟振动夹。虚拟振动夹能否对目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声辐射力的无形微振动台，其特征在于：包括高速摄像机(1)、PLC运动控制器(2)、半球形换能器阵列(3)、置物台(4)、高速图像采集卡(7)、信号发生和采集系统和基于PXI总线的上位机系统(8)；半球形换能器阵列(3)位于置物台(4)的正上方，半球形换能器阵列(3)固定连接在PLC运动控制器(2)上，高速摄像机(1)固定于半球形换能器阵列(3)顶端的通孔中，PLC运动控制器(2)通过RS232与基于PXI总线的上位机系统(8)相连；信号发生和采集系统包括多通道线性功率放大器(5)、多通道程控信号发生器(6)和多通道数据采集卡(19)，多通道线性功率放大器(5)和多通道数据采集卡(19)与半球形换能器阵列(3)上的换能器相连，多通道程控信号发生器(6)和多通道数据采集卡(19)通过PXI总线与基于PXI总线的上位机系统(8)相连；高速摄像机(1)经高速图像采集卡(7)和PXI总线后也与基于PXI总线的上位机系统(8)相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于声辐射力的无形微振动台，其特征在于：包括高速摄像机(1)、PLC运动控制器(2)、半球形换能器阵列(3)、置物台(4)、高速图像采集卡(7)、信号发生和采集系统和基于PXI总线的上位机系统(8)；半球形换能器阵列(3)位于置物台(4)的正上方，半球形换能器阵列(3)固定连接在PLC运动控制器(2)上，高速摄像机(1)固定于半球形换能器阵列(3)顶端的通孔中，PLC运动控制器(2)通过RS232与基于PXI总线的上位机系统(8)相连；信号发生和采集系统包括多通道线性功率放大器(5)、多通道程控信号发生器(6)和多通道数据采集卡(19)，多通道线性功率放大器(5)和多通道数据采集卡(19)与半球形换能器阵列(3)上的换能器相连，多通道程控信号发生器(6)和多通道数据采集卡(19)通过PXI总线与基于PXI总线的上位机系统(8)相连；高速摄像机(1)经高速图像采集卡(7)和PXI总线后也与基于PXI总线的上位机系统(8)相连。2.根据权利要求1所述的一种基于声辐射力的无形微振动台，其特征在于：所述的半球形换能器阵列(3)主要是由半球形换能器座(14)和安装在半球形换能器座上的多个圆形换能器(11)构成，多个圆形换能器(11)分为四组，每组圆形换能器(11)布置在半球形换能器座上表面的同一圆周并沿周向间隔均布，不同组圆形换能器(11)布置在不同圆周上，从下至上的各组圆形换能器(11)中的圆形换能器数量依次递减。3.根据权利要求2所述的一种基于声辐射力的无形微振动台，其特征在于：控制各个圆形换能器(11)产生超声波，使其在置物台(4)内相互叠加合成为预期声场，预期声场中形成位于微小物体附近的虚拟振动夹，虚拟振动夹俘获目标物体；预设各个圆形换能器(11)的驱动信号频率、幅值和相位延时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立强，武二永，邓双，杨克己，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33