CN1023873C - 声悬浮装置的谐振跟踪系统 - Google Patents

Abstract

声悬浮装置的谐振跟踪系统有换能器2与反射面3之间的谐振腔室1，双通道锁定放大器6的一个输入端与信号发生器4相连，另一个输入端通过传声放大器5与反射面3相连，锁定放大器输出端通过调节器7和执行机构8与反射面3相连；通过对相位差信号的处理，可以调整谐振腔室的腔长或频率，使系统保持最佳谐振条件。

Description

本发明属于电变量调节系统。

应用声悬浮技术能将固体颗粒或液滴悬浮并定位在腔室的流体介质中，不需要用支架或容器来支承悬浮体。这为在微重力条件，甚至在地球重力场中开展无容器加工，制备高纯度材料创造了一个有利的环境，同时也逐渐被应用到凝聚相反应体系的非均相化学反应过程的研究中，通常采用的声悬浮装置都是在悬浮腔室的声源和反射面间形成足够强的谐振驻波声场，使悬浮体悬浮在指定的声压节点上。当腔室长度L满足L＝nλ/2＝n/2c/f条件时即达到谐振，式中n为腔内的声压节点数，即可能的悬浮位置数;f为声源的振动频率;c和λ为腔内所建立模式声波的相速度和波长。腔内一定模式声波的相速c正比于相同条件下自由行波的声速Co，而后者则由腔内介质状态决定。在上面例举的声悬浮技术的应用中，常常需要对悬浮体和介质进行加热或冷却，同时在悬浮物反应时介质的组成也会发生变化。这些都会引起声速的变化，从而破坏腔内原有的谐振条件。因此在悬浮过程中，不断被偿腔内介质温度、组成、压力等因素的变化的影响，跟踪建立新的揩振条件，就是维持稳定悬浮的先决条件，亦即谐振跟踪系统的任务。由上述揩振条件公式可知，当腔内流体介质的状态受悬浮体化学反应过程制约，不能任意变化时，对于腔内一定的振动模式（n固定），谐振条件由腔长λ和声源频率f决定。在地球重力场环境下建立的声悬浮装置，由于必须在腔内激发很强的声场，常常不用扬声器，而用压电换能器作为声源。由于后者不能在较宽的范围内改变频率，因此，只能采用调节腔长的方法。谐振跟踪系统设计中的一个关键问题是选择一个合适的变量作为被控制变量。当腔室达到谐振时，反射面的声压达到极大值，流过换能器的电流也应达到极大值。因此现有技术大多通过调节腔长或频率使反射面声压或通过换能器电流达到极大值，从而建立和保持谐振条件。但由于此极值并非一个确定的数值，随换能器功率，温度等因素而变化，因此不能采用通常的定值控制系统，而需极值控制系统，即不断给控制变量加一个小的扰动，从被控制变量的变化确定调节的方向和大小，搜索对应于控制变量极大值的腔长或频率。这使调节器 的设计复杂化，同时被控制变量总处在小的波动变化之中。因此选择一种新的控制方法，在声悬浮腔室内跟踪建立谐振条件是有很大应用价值的。见美国专利4463606。

本发明的目的是使悬浮腔室输入和输出信号的相位差保持在一个最佳值，从而自动维持腔室的谐振条件。

本发明的主要特点是声悬浮装置的谐振跟踪系统有换能器2与反射面3之间的谐振腔室1，用来将固体颗粒或液滴悬浮在谐振腔室1内的流体介质谐振驻波场中的指定的声压节点上，通过腔室壁面上的窗口由激光或腔室壁面外的加热元件对悬浮体进行加热，双通道锁定放大器6的一个输入端与信号发生器4相连，另一个输入端通过传声放大器5与反射面3相连，锁定放大器6的输出端通过调节器7和执行机构8与反射面3相连，所说的双通道锁定放大器6分别以信号发生器4加在超声换能器2上的电压和反射面3上的声压为其参考和被测输入信号，其相位输出信号为此二输入信号的相位差相对锁定时二者间相位差的偏差，所说的调节器7对输入的偏差信号进行处理后产生控制信号，通过执行机构8调整反射面3的位置，使偏差为零，腔室保持在最佳谐振条件下，悬浮体维持稳定悬浮;所说的锁定放大器6的一个输入端与功率放大器10相连，另一个输入端通过传声放大器5与反射面3相连，锁定放大器的输出端通过调节器7和压控振荡器9，功率放大器10连到换能器2上，双通道锁定放大器6分别以功率放大器10加在超声换能器2上的电压和反射面3上的声压为其参考和被测输入信号，其相位输出信号为此二输入信号相位差相对于锁定时二者间相位差的偏差，调节器7对输入的偏差信号进行处理后产生控制信号，作用于所说的压控振荡器9上，此信号经功率放大器10放大后，调整换能器2的振动频率，使偏差为零，腔室保持在最佳谐振条件下，悬浮体维持稳定悬浮。

本发明以悬浮腔室输入和输出信号的相位差作为被控制量，以谐振条件下腔室输入和输出信号的相位差为被控量的给定值，构成闭环定值调节系统。因此悬浮腔室内流体介质状态变化的影响，能通过调节腔长或声源频率，自动得到补偿，维持腔室内的谐振条件，保证物体的稳定悬浮。

图1为调节反射面位置的单轴声悬浮装置的谐振跟踪系统示意图。图中1为悬浮腔室，2为换能器，3为反射面，4号信号发生器，5为声压传感器及传声放大器;6为锁定放大器，7为调节器，8为执行机构。

图2为调节声源振动频率的单轴声悬浮装置的谐振跟踪系统示意图。图中9为压控振荡器，10为功率放大器。

下面通过附图详细论述本发明。图1表示在一个单轴声悬浮装置中，通过调节腔长实现谐振跟踪的控制系统。悬浮腔室的一端是声源2，另一端是反射面3，固体颗粒或液滴可悬浮在驻波声场中指定的声压结点处。腔室壁上正对悬浮位置设有一定数目的窗口，供加入和取出悬浮体，利用激光能量加热悬浮体，用红外辐射测温仪测定悬浮体的表面温度，以及观测和记录悬浮体形态和大小的变化等。对悬浮体的加热亦可通过绕在腔室外的电加热元件实现。这类悬浮装置的声源多采用功率大，但频率固定或频率范围很窄的换能器，例如压电换能器。通过换能器的电流及加在换能器上信号电压可由双通道示波器监视。声源辐射面相对于窗口的位置可通过机械装置，手动调节，以确保在悬浮过程中悬浮体始终正对窗口。反射面上安装有一个传声放大器5，反射面3位置由谐振跟踪系统控制，也可以手动调节。谐振跟踪系统的核心部分是锁定放大器6，从信号发生系统的输出电路中取出的电压信号，经过滤波整形后作为锁定放大器6的参考信号。传声放大器5将反射面3的声压转换成电压信号，送到传声放大器5，由传声放大器5的显示仪表，可以了解反射面声压级的变化。同时传声放大器5的输出作为被测信号输入到锁定放大器6。调整锁定放大器6的灵敏度和相位，实现参考通道的锁定。参考通道一旦锁定，锁定放大器6的相位输出即是锁定放大器6的参考信号与被测信号，亦即悬浮腔室输入和输出信号相位差相对于锁定时二者间相位差的偏差。典型的失量块一一弹簧受迫振动系统在达到谐振时，失量块的位移和驱动力之间存在90°相位差，实际上这也是本发明谐振跟踪系统的基本原理。只是由于信号经过转换，滤波，整形等处理，谐振时腔室输入和输出信号的相位差不一定是90°，但是，是一个确定的值。具体调节步骤如下：在超声振动系统一定输入功率的条件 下，先手动调节腔长，建立悬浮腔室的谐振条件。谐振条件的建立可由传声放大器显示的反射面声压级，或示波器显示的换能器输入信号的波形确定，更主要是由腔室内悬浮体达到稳定悬浮反映的。手动或自动调节锁定放大器6的灵敏度和相位，实现参考通道的锁定，以此时锁定放大器6参考和被测信号间的相位差作为基准。此后在悬浮过程中，当悬浮腔室偏离谐振条件时，锁定放大器6相位输出信号就是悬浮腔室输入和输出信号相位差与谐振条件下该相偏差的偏差，谐振跟踪系统的调节器7，根据这一输入偏差信号的大小和方向，按一定控制规律决定输出的控制信号的大小和方向，通过执行机构改变反射面的位置，调节腔长，直到悬浮腔室输入和输出信号的相位差偏差为零，建立起新的谐振条件。

图2表示在同样的声悬浮装置中，通过调节声源频率实现谐振跟踪的控制系统，与图1所示应用实例的区别在于在一定的输入功率范围中，声源频率可以在较宽的范围内连续调节，例如采用大功率的电动扬声器，而声源和反射面的位置，或悬浮室的腔长则固定不变。谐振跟踪系统仍是根据锁定放大器6输出的悬浮腔室输入和输出信号相位差的偏差决定控制信号，通过调节声源频率，建立新的谐振条件。因此区别仅在于控制器，在本应用实例中控制器对来自锁定放大器6的偏差信号，按一定控制规律进行处理，输出的控制信号作用于信号发生系统的压控振荡器9，由功率器10将信号放大后改变扬声器的振动频率，直至悬浮腔室输入和输出信号相位差的偏差为零。

Claims (5)

1、声悬浮装置的谐振跟踪系统有换能器2与反射面3之间的谐振腔室1，用来将固体颗粒或液滴悬浮在谐振腔室1内的流体介质谐振驻波场中的指定的声压节点上，通过腔室壁面上的窗口由激光或腔室壁面外的国热元件对悬浮体进行加热，其特征为双通道锁定放大器6的一个输入端与信号发生器4相连，另一个输入端通过传声放大器5与反射面3相连，锁定放大器输出端通过调节器7和执行机构8与反射面3相连，所说的双通道锁定放大器6分别以信号发生器4加在超声换能器2上的电压和反射面3上的声压为其参考和被测输入信号，其相位输出信号为此二输入信号相位差相对于锁定时二者间相位差的偏差，所说的调节器7对输入的偏差信号进行处理后产生控制信号，通过执行机构8调整反射面3的位置，使偏差为零，腔室保持在最佳谐振条件下，悬浮体维持稳定悬浮。

2、按权利要求1所述的声悬浮装置的谐振跟踪系统其特征为双通道锁定放大器为锁相放大器。

3、按权利要求1所述的声悬浮装置的谐振跟踪系统其特征为换能器2为扬声器或压电换能器。

4、按权利要求1所述的声悬浮装置的谐振跟踪系统其特征为调节器7为负反馈调节器。

5、声悬浮装置的谐振跟踪系统有换能器2与反射面3之间的谐振腔室1，用来将固体颗粒或液滴悬浮在谐振腔室1内的流体介质谐振驻波场中指定的声压节点上，通过腔室壁面上的窗口由激光或腔室壁面外的加热元件对悬浮体进行加热，其特征为双通道锁定放大器6的一个输入端与功率放大器10相连，另一个输入端通过传声放大器5与反射面3相连，锁定放大器的输出端通过调节器7和压控振荡器9，功率放大器10连到换能器2上;所说的双通道锁定放大器6分别以功率放大器10加在超声换能器2上的电压和反射面3上的声压为其参考和被测输入信号，其相位输出信号为此二输入信号相位差相对于锁定时二者间相位差的偏差，调节器7对输入的偏差信号进行处理后产生控制信号，作用于所说的压控振荡器9上，此信号经功率放大器10放大后，调整换能器2的振动频率，使偏差为零，腔室保持在最佳谐振条件下，悬浮体维持稳定悬浮。