CN103754820B - 基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置。包括与多通道高频宽带线性功放模块连接的超声换能器环形阵列组；超声换能器环形阵列组包括圆形底盘、卡槽块和矩形超声换能器，圆形底盘的外圆周上间隔均布设有十八个安装槽，每个安装槽中心设有通孔，十八个卡槽块安装在各自安装槽上，卡槽块两侧设有卡槽；相邻两个安装槽之间均装有矩形超声换能器，矩形超声换能器两侧卡在卡槽内；矩形超声换能器包括两个L型铜箔片、铝质障碍板和矩形压电陶瓷片。本发明通过超声换能器环形阵列组产生超声信号，利用声场合成技术及调整相应的声信号参数，合成预期的声场，实现对多个微纳尺度物体的并行操纵。

Description

基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置

技术领域

本发明涉及一种声场合成与并行操纵的装置，尤其是涉及一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置。

背景技术

随着科学与技术的不断深入发展，人类的研究领域逐渐由宏观世界转向到了微观世界。特别是近些年，微纳制造技术和生命科学技术迅猛发展，清晰地向人们展现了一个崭新的微观世界，为基础科学的研究提供了理想的研究对象和令人振奋的工程应用背景。但无论是在微纳制造领域还是在生命科学领域，都需要对研究对象进行有效的操纵，尤其是进行有效的非接触无损操纵。不仅如此，随着微观领域研究的不断深入，人们往往更迫切地希望能够同时操纵多个物体，例如在生命科学领域，面对多蛋白、多细胞的融合实验，为了更充分展现蛋白与细胞膜之间的作用机理，往往更需要同时操纵多个对象。并且，在靶向药物实验中，我们更希望能够同时操纵药物与病态细胞，以便能够充分地调整它们各自的位姿，使其能够更加充分和精确地相结合。特别是在微纳制造领域，随着微纳器件从单构件单功能向多构件多功能的集成化快速发展，人们对操纵的形式、精度提出了更高的要求，单个微纳尺度物体的操纵已不能满足微纳系统集成化的发展需求，基于并行操纵的微装配技术是大势所趋。可见，基于超声声场的并行操纵技术日益体现出其重要性和急迫性。

目前，根据现有的专利申请情况，基于微构件的超声辐射力非接触遥操纵，已有的专利有：《微构件的二维旋转遥操纵方法》（申请号200710066775.9）、《微构件的二维平移遥操纵方法》（申请号200610155275.8）。虽然这两个都涉及超声操纵技术，但由于其只能实现单一的声场合成，在对微纳尺度物体的操纵上也仅局限于单微纳尺度物体的操纵水平，在面对复杂声场的合成及多个微纳尺度物体的并行操纵显得力不从心，故其在多个微纳尺度物体并行操纵与微装配领域的应用范围受到了很大的限制。

发明内容

正是基于目前现有的超声操纵技术无法实现复杂声场合成与多个微纳尺度物体并行操纵的缺陷与不足，本发明提出一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，基于超声换能器环形阵列组产生超声信号，利用超声声场合成理论，实现所需声场合成，并通过改变超声信号参数形成预期的声场，实现对该声场中多个微纳尺度物体的柔性化复合式并行声操纵的装置。

本发明的技术方案是：

本发明包括工控机、多通道参数程控可调超声信号发生器、多通道高频宽带线性功放模块、高帧率数码摄像机和图像并行处理模块，工控机通过PXI总线分别与多通道参数程控可调超声信号发生器及图像并行处理模块相连接，多通道参数程控可调超声信号发生器与多通道高频宽带线性功放模块相连接，图像并行处理模块与高帧率数码摄像机相连接；还包括超声换能器环形阵列组，超声换能器环形阵列组与多通道高频宽带线性功放模块相连接；超声换能器环形阵列组包括圆形底盘、卡槽块和矩形超声换能器，圆形底盘的外圆周上间隔均布设有十八个安装槽，每个安装槽中心设有通孔，十八个卡槽块安装在各自的安装槽上，卡槽块的两侧设有沿平行于圆形底盘中心轴的卡槽；相邻两个安装槽之间均装有矩形超声换能器，矩形超声换能器的两侧卡在卡槽块的卡槽内。

所述的矩形超声换能器包括两个L型铜箔片、铝质障碍板和矩形压电陶瓷片；矩形压电陶瓷片的两侧分别与一个L型铜箔片粘接，矩形压电陶瓷片其中一侧的L型铜箔片与铝质障碍板粘接，铝质障碍板与L型铜箔片粘接的一侧均匀涂有薄层绝缘漆，铝质障碍板的两侧卡在卡槽块的卡槽内，铝质障碍板涂有薄层绝缘漆的一侧朝向圆形底盘的中心。

所述的卡槽块通过螺栓固定在圆形底盘的安装槽上，螺栓穿过安装槽中心的通孔与卡槽块连接。

所述的安装槽的底面形状与卡槽块的底面形状相同。

所述的L型铜箔片通过改性丙烯酸酯胶黏剂与铝质障碍板粘接。

所述的矩形压电陶瓷片通过导电银胶与两侧的L型铜箔片粘接。

所述的圆形底盘上表面的粗糙度至多为Ra1.6。

所述的矩形超声换能器、圆形底盘和卡槽块通过环氧树脂灌胶方式进行封装。

所述的多通道参数程控可调超声信号发生器、多通道高频宽带线性功放模块均含有十八路独立同步通道。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用超声换能器环形阵列组可以合成稳定的所需声场，通过调整一路或多路通道上的声信号参数可以实现对多个微纳尺度物体的并行操纵。

本发明采用十八路独立可控的超声信号通道，提高了合成声场的分辨率与稳定度。

本发明的装置系统采用模块式结构，各个模块之间通过接口连接，易于扩展与升级。

本发明采用基于PXI总线结构的工控机，人机交互性强，用户只需在上位机中改变相应参数就可以获得所需的操纵效果。

附图说明

图1是本发明的总体连接框图。

图2是超声换能器环形阵列组的封装结构示意图。

图3是环形阵列圆盘圆形底板结构示意图。

图4是卡槽块结构示意图。

图5是矩形超声换能器与环形阵列圆盘连接示意图。

图6是矩形超声换能器结构示意图。

图7是矩形超声换能器示意图。

图8是环形阵列圆盘结构示意图。

图9是具体实施中声场合成示意图。

图中：1、基于PXI总线的工控机，2、多通道参数程控可调超声信号发生器，3、多通道高频宽带线性功放模块，4、超声换能器环形阵列组，5、高帧率数码摄像机，6、图像并行处理模块，7、圆形底盘，8、卡槽，9、环形阵列圆盘，10、第一L型铜箔片，11、铝质障碍板，12、第二L型铜箔片，13、矩形压电陶瓷片，14代表矩形超声换能器，15、环氧树脂。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，包括工控机1、多通道参数程控可调超声信号发生器2、多通道高频宽带线性功放模块3、高帧率数码摄像机5和图像并行处理模块6，工控机1通过PXI总线分别与多通道参数程控可调超声信号发生器2及图像并行处理模块6相连接，多通道参数程控可调超声信号发生器2与多通道高频宽带线性功放模块3相连接，图像并行处理模块6与高帧率数码摄像机5相连接；如图2所示，还包括超声换能器环形阵列组4，超声换能器环形阵列组4与多通道高频宽带线性功放模块3相连接；如图5所示，超声换能器环形阵列组4包括圆形底盘7、卡槽块8和矩形超声换能器14，如图3所示，圆形底盘7的外圆周上间隔均布设有十八个安装槽，每个安装槽中心设有通孔，十八个卡槽块8安装在各自的安装槽上，如图4所示，卡槽块8的两侧设有沿平行于圆形底盘7中心轴的卡槽；相邻两个安装槽之间均装有矩形超声换能器14，矩形超声换能器14的两侧卡在卡槽块8的卡槽内。

如图6、图7所示，所述的矩形超声换能器14包括第一L型铜箔片10、铝质障碍板11、第二L型铜箔片12和矩形压电陶瓷片13；矩形压电陶瓷片13的两侧分别各与第一L型铜箔片10、第二L型铜箔片12粘接，矩形压电陶瓷片13其中一侧的第二L型铜箔片12与铝质障碍板11粘接，铝质障碍板11与第二L型铜箔片12粘接的一侧均匀涂有薄层绝缘漆，铝质障碍板11的两侧卡在卡槽块8的卡槽内，铝质障碍板11涂有薄层绝缘漆的一侧朝向圆形底盘7的中心。

如图8所示，所述的卡槽块8通过螺栓固定在圆形底盘7的安装槽上，螺栓穿过安装槽中心的通孔与卡槽块8连接，将卡槽块8固定在圆形底盘7上，为矩形超声换能器14提供定位基准。

所述的安装槽的底面形状与卡槽块8的底面形状相同。

所述的第二L型铜箔片12通过改性丙烯酸酯胶黏剂与铝质障碍板11粘接。

所述的矩形压电陶瓷片13通过导电银胶与两侧的L型铜箔片10、12粘接。

所述的圆形底盘7上表面的粗糙度至多为Ra1.6。

所述的矩形超声换能器14、圆形底盘7和卡槽块8通过环氧树脂灌胶方式进行封装。

所述的多通道参数程控可调超声信号发生器2、多通道高频宽带线性功放模块3均含有十八路独立同步通道。

矩形超声换能器14先通过环氧树脂15灌胶方式对第一L型铜箔片10、铝质障碍板11、第二L型铜箔片12、矩形压电陶瓷片13进行封装，再利用双圆环模具通过环氧树脂灌胶方式将矩形超声换能器14、圆形底盘7、卡槽块8进行整体封装。

本发明采用特制L型铜箔片的目的是为了使矩形超声换能器14所受电场和发射出的超声波更加均匀。采用铝质障碍板11的目的是对矩形超声换能器14进行精确定位，同时增大超声信号的幅值强度，实现对更大微纳尺度物体的并行操纵。

超声换能器环形阵列组的圆形底盘上表面粗糙度至多为Ra1.6，以减小声场的漫反射，降低拾取微纳尺度物体的难度，同时增大高帧率数码摄像机5的曝光量。十八个卡槽块通过其卡槽为矩形超声换能器14提供精确的定位基准，以便提高声场合成的精度与范围，充分发挥矩形超声换能器的优势。

如图1所示，本发明基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置是由声场合成与并行操纵子系统及机器视觉监控子系统构成，采用插卡式结构，由基于PXI总线的工控机1作为上位机整合形成一套完整的声场合成与并行操纵装置。

声场合成与并行操纵子系统是由多通道参数程控可调超声信号发生器2，多通道高频宽带线性功放模块3以及超声换能器环形阵列组4所构成。多通道参数程控可调超声信号发生器2通过PXI通讯总线接口与基于PXI总线的工控机1及通过模拟信号接口与多通道高频宽带线性功放模块3相连接，多通道高频宽带线性功放模块3通过模拟信号接口又与超声换能器环形阵列组4相连接。工控机1设定的声信号参数通过PXI通讯总线传递到多通道参数程控可调超声信号发生器2中，该信号发生器根据接收到的参数产生十八路同步且独立的低能量模拟信号，经由多通道高频宽带线性功放模块3放大后驱动超声换能器环形阵列组4，产生十八路信号参数可在线独立程控调节的超声波信号，经声波叠加合成具有声势阱形状、取向、俘获能力及数量和空间分布各异且可控的声场，达到用户所需声场合成的目的。同时，根据不同的操纵需求，将不同的微纳尺度物体俘获于相应的声势阱中，通过改变一路或多路通道上声信号的幅值和相位参数，在线动态调整已俘获操纵对象声势阱的形状或空间分布，实现同一声场内针对多个操纵目标的不同类型的操纵，达到对多个微纳尺度物体进行复合式并行操纵的目的。

机器视觉监控子系统由图像并行处理模块6和高帧率数码摄像机5组成。图像并行处理模块6通过PXI通讯接口与基于PXI总线的工控机1以及通过CameraLink接口与高帧率数码摄像机5进行连接。图像并行处理模块6根据工控机1设定的参数，实时地向高帧率数码摄像机5发送工作参数和命令，而高帧率数码摄像机5根据工作参数和命令调整工作模式，并采集操纵过程的原始图像，由CameraLink接口传输到图像并行处理模块6，经其处理分析后传递给工控机1显示，便于用户实时了解操纵过程和及时调整相应的超声信号参数，从而确保操纵过程的有效实施，以达到操纵过程动态监控的目的。

本发明采用基于十八个矩形超声换能器的环形阵列组和基于十八路独立通道的参数程控可调超声信号发生器与功放模块，根据不同的操纵需求，在线动态调整十八路独立程控可调的超声波信号，合成具有声势阱形状、取向、俘获能力及数量和空间分布各异且可控的所需声场。同时，采用高帧率数码摄像机对操纵对象进行监控，在获取原始图像数据的基础之上，通过消噪、图像匹配等技术手段的应用，采用图像并行处理技术实现对各操纵对象的实时跟踪，并实时地向基于PXI总线的工控机反馈各操纵物体之间的相对位置，从而向用户呈现各操纵对象之间的相对位置与距离，进而指导操作人员调控各换能器的声学参数，完成规定的并行操纵。

本发明装置的具体实施过程包括：

一、根据超声换能器环形阵列组的声场合成理论，推导出基于操纵需求（对声场合成范围、声势阱形状数量及空间分布等需求）的各换能器声学参数计算公式，编写相应软件整合至工控机当中；

二、启动系统，根据操纵需求，系统自动计算并调整各换能器的声学参数，建立稳定的、用户所需的声场，同时俘获各待操纵的对象；

三、采用高帧率数码摄像机实时监控操纵对象的动态，运用消噪、图像匹配等相关技术，通过图像并行处理技术提取各对象的像素位置信息，利用事先标定的参数计算出各操纵对象之间实际的相对位置，并将该信息以图像的形式呈现于用户前面；

四、用户根据自己的操纵需求并结合当前各对象的位置与目标值之间的偏差，调整一路或多路声学信号的幅值、相位参数，改变声势阱的形状位置，进而同步调整各声势阱中操纵对象姿态，使其稳定的并行运动，实现同一声场内针对多个操纵目标的不同类型的操纵；

五、待各操纵对象运动稳定之后，对比高帧率数码摄像机的反馈信息，观察各对象是否已到达所期望的理想位置，否则继续调整相应换能器的声学参数，使各对象重新调整姿态，并进行定向传输；

六、重复步骤五，直至各操纵对象的姿态与位置均达到用户要求。通过上述六个步骤，我们就可以利用超声换能器环形阵列组精确合成用户所需的声场，并实现对多个微纳尺度物体的并行操纵。

本发明的工作原理：

图9所示为本发明装置具体实施的声场合成示意图，外圈十八个黑点代表超声换能器环形阵列组4上均布的十八个矩形超声换能器，各黑点之间的夹角同各换能器之间的夹角相同均为20°。图中e_j代表第j个换能器产生的激励信号，S代表声场合成区域边界，n为指向S内部的单位法向量，p_i代表声场合成区域边界上的声压控制点。根据环形阵列的声场合成理论可知，声场合成区域S内部的声势阱形状、取向、俘获能力及数量和空间分布等所需参数取决于声场合成区域边界S上的声压和法向振速，而声场合成区域边界S上的法向振速又仅取决于边界上的声压，因此通过控制声场合成区域边界S上的声压就可以获得声势阱形状、取向、俘获能力及数量和空间分布各异的声场。但是声场合成区域边界S上有无穷多个点，因此实际的声场合成是在边界上取有限个离散的声压控制点p_i，通过控制有限个离散的声压控制点p_i来逼近所需的声场。在声场合成中，第i声压控制点p_i(t)与第j个声源的激励信号e_j(t)之间满足一下公式：

$p_i\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)*e_j\left(t\right),1\≤i,j\≤J$

式中，t表示时间，第i声压控制点p_i(t)是根据所需要的声场区域范围、声势阱形状数量及空间分布等参数特性反推计算得来，h_ij(t)为第j个声源激励信号到第i个声压控制点声压的脉冲响应函数，J为矩形超声换能器的个数，在本发明中J=18。因此，通过对上式求解就可以反推出各个声源阵列的激励信号e_j(t)。根据计算结果改变多通道参数程控可调超声信号发生器2的各激励信号参数，经超声换能器环形阵列组，就可以合成具有声势阱形状、取向、俘获能力及数量和空间分布各异且可控的声场，即用户所需的声场。基于该声场模式下，俘获各待操纵对象，由于被俘获的操纵对象所承受的各种力学作用同可控的超声辐射力和力矩之间是种平衡关系，因此各待操纵对象将被牢固地俘获在各声势阱中。通过调整一路或多路通道上声信号的幅值、相位参数，就可以动态调整各声势阱的形状大小和空间分布，随着声势阱的形状大小和空间分布的变化，将带动俘获在各声势阱中的操纵对象运动，实现同一声场内针对多个操纵目标的不同类型的操纵，达到对多个微纳尺度物体进行复合式并行操纵的目的。待操纵对象运动稳定之后，根据高帧率数码摄像机对各物体的监控信息，观察各对象是否均已到达所期望的理想位置，否则继续上述迭代过程，使各操纵物体跟随声势阱重新调整姿态并进行相应的运动。从而可以根据高帧率数码摄像机的监控信息，反复整定相关参数，使各操纵对象以用户所需的姿态逐步逼近所期望的理想位置，进而完成规定的多个微纳尺度物体复合式并行操纵。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，包括工控机（1）、多通道参数程控可调超声信号发生器（2）、多通道高频宽带线性功放模块（3）、高帧率数码摄像机（5）和图像并行处理模块（6），工控机（1）通过PXI总线分别与多通道参数程控可调超声信号发生器（2）及图像并行处理模块（6）相连接，多通道参数程控可调超声信号发生器（2）与多通道高频宽带线性功放模块（3）相连接，图像并行处理模块（6）与高帧率数码摄像机（5）相连接，其特征在于：还包括超声换能器环形阵列组（4），超声换能器环形阵列组（4）与多通道高频宽带线性功放模块（3）相连接；超声换能器环形阵列组（4）包括圆形底盘（7）、卡槽块（8）和矩形超声换能器（14），圆形底盘（7）的外圆周上间隔均布设有十八个安装槽，每个安装槽中心设有通孔，十八个卡槽块（8）安装在各自的安装槽上，卡槽块（8）的两侧设有沿平行于圆形底盘（7）中心轴的卡槽；相邻两个安装槽之间均装有矩形超声换能器（14），矩形超声换能器（14）的两侧卡在卡槽块（8）的卡槽内。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的矩形超声换能器（14）包括两个L型铜箔片（10、12）、铝质障碍板（11）和矩形压电陶瓷片（13）；矩形压电陶瓷片（13）的两侧分别与一个L型铜箔片粘接，矩形压电陶瓷片（13）其中一侧的L型铜箔片与铝质障碍板（11）粘接，铝质障碍板（11）与L型铜箔片粘接的一侧均匀涂有薄层绝缘漆，铝质障碍板（11）的两侧卡在卡槽块（8）的卡槽内，铝质障碍板（11）涂有薄层绝缘漆的一侧朝向圆形底盘（7）的中心。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的卡槽块（8）通过螺栓固定在圆形底盘（7）的安装槽上，螺栓穿过安装槽中心的通孔与卡槽块（8）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的安装槽的底面形状与卡槽块（8）的底面形状相同。

5.根据权利要求2所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的L型铜箔片通过改性丙烯酸酯胶黏剂与铝质障碍板（11）粘接。

6.根据权利要求2所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的矩形压电陶瓷片（13）通过导电银胶与两侧的L型铜箔片粘接。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的圆形底盘（7）上表面的粗糙度至多为Ra1.6。

8.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的矩形超声换能器（14）、圆形底盘（7）和卡槽块（8）通过环氧树脂灌胶方式进行封装。

9.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置，其特征在于：所述的多通道参数程控可调超声信号发生器（2）、多通道高频宽带线性功放模块（3）均含有十八路独立同步通道。