CN107814205B - 对置式超声驻波悬浮传输装置及超声驻波悬浮和传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明对置式超声驻波悬浮传输装置及超声驻波悬浮和传输方法，能够实现物体的非接触悬浮和传输。该装置由底座、下端换能器调节装置、下端半波长换能器、支柱、上端换能器调节装置、上端自适应节面支撑块、上端半波长换能器和下端自适应节面支撑块组成。调节H1与H2的距离和为半波长的整数倍并且α1＝α2；当H1与H2的距离和为半波长的奇数倍时，使两个换能器的相位差为0；当H1与H2的距离和为半波长的偶数倍时，使两个换能器的相位差为π；将奇数个被悬浮物逐一放入声场的声压节点，实现悬浮；调节下端半波长换能器和上端半波长换能器的驱动幅值或调节H1与H2的距离和，实现势阱位置的转移，被悬浮物随着势阱位置的改变实现传输。
Description
技术领域
本发明属于超声驻波悬浮传输领域，更具体的说是一种对置式超声驻波悬浮传输装置及超声驻波悬浮和传输方法。
背景技术
在众多的悬浮技术中，电磁悬浮只能悬浮导电物体，静电悬浮不适合低温或高温环境，光悬浮能悬浮的物体重量很小，，气动悬浮无横向约束力，超声近场悬浮的悬浮高度非常小，且只能悬浮一层物体，不同于诸多这些悬浮技术，超声悬浮不仅对被悬浮物没有任何要求，横向稳定性好，具有良好的生物相容性，不影响活体生物的生命特征，而且可以实现多层物体的悬浮、传输、操作，是近些年发展起来的新技术。由于其深过冷特性、生物相容性、适合无容器操作、无污染、全方位观察，被广泛应用于材料的制备、生化分析、药物制备、液滴动力学分析、微电子产品的精密输送和分选。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供对置式超声驻波悬浮传输装置及超声驻波悬浮和传输方法，两个换能器之间的相对距离和角度可调，能够实现物体的非接触悬浮和传输。
为解决上述技术问题，本发明对置式超声驻波悬浮传输装置由底座、下端换能器调节装置、下端半波长换能器、支柱、上端换能器调节装置、上端自适应节面支撑块、上端半波长换能器和下端自适应节面支撑块组成。
所述支柱的下端垂直连接在所述底座的上表面上；
所述上端换能器调节装置固定连接在所述支柱的上端，所述上端半波长换能器通过所述上端自适应节面支撑块固定连接在所述上端换能器调节装置上，所述上端换能器调节装置用于实现上端半波长换能器的纵向调节和周向调节，并带有位置锁定机构；
所述下端换能器调节装置固定连接在所述底座的上表面上，并且所述下端换能器调节装置位于所述上端换能器调节装置的正下方，所述下端半波长换能器通过所述下端自适应节面支撑块固定连接在所述下端换能器调节装置上，所述下端换能器调节装置用于实现下端半波长换能器的横向调节和周向调节，并带有位置锁定机构；
所述下端半波长换能器位于所述上端半波长换能器的正下方。
作为本技术方案的进一步优化，本发明对置式超声驻波悬浮传输装置所述的下端半波长换能器包括上半部、下半部、螺栓Ⅰ、压电陶瓷片和自适应节面支撑板，所述上半部和下半部之间通过螺栓Ⅰ连接，螺栓Ⅰ位于上半部和下半部并与上半部和下半部同轴，压电陶瓷片和自适应节面支撑板套在螺栓Ⅰ上并夹在上半部和下半部之间；所述下半部包括变幅杆和辐射面，所述下半部为一体结构；所述压电陶瓷片形成两个电极，分别为电极A和电极B；所述上端半波长换能器的结构、尺寸和参数与所述下端半波长换能器相同。
作为本技术方案的进一步优化，本发明对置式超声驻波悬浮传输装置所述的下端换能器调节装置包括下端换能器横向调节装置和下端换能器周向调节装置，所述下端换能器横向调节装置固定连接在所述底座的上表面上，所示下端换能器周向调节装置固定连接在所述下端换能器横向调节装置上，所述下端换能器横向调节装置用于横向位置调节，所述下端换能器周向调节装置用于周向位置调节，所述下端自适应节面支撑块固定连接在所述下端换能器周向调节装置上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明对置式超声驻波悬浮传输装置所述的上端换能器调节装置包括上端换能器纵向调节装置、上端换能器周向调节装置和上端换能器纵向微调装置，所述上端换能器纵向调节装置固定连接在所述支柱的上端，所述上端换能器纵向微调装置固定连接在所述上端换能器纵向调节装置上，所述上端换能器周向调节装置固定连接在所述上端换能器纵向微调装置上，所述上端换能器纵向调节装置用于纵向位置调节，所述上端换能器纵向微调装置用于纵向位置微调，所述上端换能器周向调节装置用于周向位置调节，所述上端自适应节面支撑块固定连接在所述上端换能器周向调节装置上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明对置式超声驻波悬浮传输装置所述的上端自适应节面支撑块为L型，所述上端自适应节面支撑块上设置有连接上端半波长换能器的凹槽和螺纹孔，所述下端自适应节面支撑块的结构和尺寸与所述上端自适应节面支撑块相同。
作为本技术方案的进一步优化，本发明对置式超声驻波悬浮传输装置所述的对置式超声驻波悬浮传输装置还包括电源，所述电源的输出端连接在下端半波长换能器和上端半波长换能器的电极输入端，所述电源输出的电流的振幅和相位可调节，从而控制两个换能器的振幅相位差。
对置式超声驻波悬浮的方法包括：
步骤一：调节下端半波长换能器和上端半波长换能器使得H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的整数倍并且α1＝α2；
步骤二：当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的奇数倍时，调节下端半波长换能器和上端半波长换能器的电源信号，使下端半波长换能器和上端半波长换能器的相位差为0；当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的偶数倍时，调节下端半波长换能器和上端半波长换能器的电源信号，使下端半波长换能器和上端半波长换能器的相位差为π；
步骤三：将被悬浮物逐一放入声场的声压节点，实现悬浮。
作为本技术方案的进一步优化，本发明对置式超声驻波悬浮的方法所述的α1和α2小于60°。
对置式超声驻波传输的方法包括：
步骤一：调节下端半波长换能器和上端半波长换能器使得H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的整数倍并且α1＝α2；
步骤二：当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的奇数倍时，调节下端半波长换能器和上端半波长换能器的电源信号，使下端半波长换能器和上端半波长换能器的相位差为0；当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的偶数倍时，调节下端半波长换能器和上端半波长换能器的电源信号，使下端半波长换能器和上端半波长换能器的相位差为π；
步骤三：将被悬浮物逐一放入声场的声压节点，实现悬浮；
步骤四：调节下端半波长换能器和上端半波长换能器的驱动幅值或调节H1与H2的距离和，实现势阱位置的转移，被悬浮物随着势阱位置的改变实现传输。
作为本技术方案的进一步优化，本发明对置式超声驻波传输的方法所述的α1和α2小于60°。
本发明对置式超声驻波悬浮传输装置及超声驻波悬浮和传输方法的有益效果为：
1.下端半波长换能器和上端半波长换能器之间的相对距离和角度可调，可将被悬浮物悬浮在多个位置。
2.能够实现物体的非接触悬浮和传输。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明对置式超声驻波悬浮传输装置的结构示意图。
图2为图1中的局部示意图。
图3为下端半波长换能器的结构示意图。
图4为本发明对置式超声驻波悬浮传输装置工作的参数示意图。
图中：底座1；下端换能器调节装置2；下端换能器横向调节装置2-1；下端换能器周向调节装置2-2；下端半波长换能器3；上半部3-1；下半部3-2；变幅杆3-2-1；辐射面3-2-2；螺栓Ⅰ3-3；压电陶瓷片3-4；电极A3-4-1；电极B3-4-2；自适应节面支撑板3-5；支柱4；上端换能器调节装置5；上端换能器纵向调节装置5-1；上端换能器周向调节装置5-2；上端换能器纵向微调装置 5-3；上端自适应节面支撑块6；上端半波长换能器7；下端自适应节面支撑块8。
H1和H2分别为下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的辐射面距离下端半波长换能器3和上端半波长换能器7中心线交点的距离；
α1和α2为分别为下端半波长换能器3和上端半波长换能器7中心线与水平的夹角；
Z0为下端半波长换能器3和上端半波长换能器7中心线与反射面的垂直距离。
具体实施方式
下面结合图1、2、3、4说明本实施方式，本发明对置式超声驻波悬浮传输装置由底座1、下端换能器调节装置2、下端半波长换能器3、支柱4、上端换能器调节装置5、上端自适应节面支撑块6、上端半波长换能器7和下端自适应节面支撑块8组成，两个换能器之间的相对距离和角度可调，能够实现物体的非接触悬浮和传输。
所述支柱4的下端通过螺栓或焊接等方式垂直连接在所述底座1的上表面上；
所述上端换能器调节装置5通过螺栓或焊接等方式固定连接在所述支柱4 的上端。所述上端半波长换能器7通过所述上端自适应节面支撑块6固定连接在所述上端换能器调节装置5上，上端半波长换能器7通过螺栓或焊接等方式固定连接在上端自适应节面支撑块6上，上端自适应节面支撑块6通过螺栓或焊接等方式固定连接在上端换能器调节装置5上。上端自适应节面支撑块6用于将上端半波长换能器7固定在上端换能器调节装置5上。所述上端换能器调节装置5用于实现上端半波长换能器7的纵向调节和周向调节，并带有位置锁定机构。上端换能器调节装置5可以直接选用市场上现有的调节装置，其作用是实现上端半波长换能器7的纵向调节和周向调节，并能够实现自锁，锁定后上端半波长换能器7无法转动或移动。
所述下端换能器调节装置2通过螺栓或焊接等方式固定连接在所述底座1 的上表面上，并且所述下端换能器调节装置2位于所述上端换能器调节装置5 的正下方，所述下端半波长换能器3通过所述下端自适应节面支撑块8固定连接在所述下端换能器调节装置2上。下端自适应节面支撑块8作用与上端自适应节面支撑块6的作用相同。所述下端换能器调节装置2与上端换能器调节装置5的作用类似，用于实现下端半波长换能器3的横向调节和周向调节，并带有位置锁定机构，可以直接选用市场上现有的调节装置。
所述下端半波长换能器3位于所述上端半波长换能器7的正下方，当α1＝α2＝0 时，下端半波长换能器3与上端半波长换能器7的轴线重合。
可以通过上端换能器调节装置5和下端换能器调节装置2来调节上端半波长换能器7和下端半波长换能器3之间的相对距离和角度。
下端半波长换能器3和上端半波长换能器7可以选用市场上已有的换能器，其主要参数为：谐振频率20KHz，后端盖为45#，变幅杆为钛合金，压电陶瓷为 PZT-8。
优选地，所述的下端半波长换能器3包括上半部3-1、下半部3-2、螺栓Ⅰ 3-3、压电陶瓷片3-4和自适应节面支撑板3-5，所述上半部3-1和下半部3-2 之间通过螺栓Ⅰ3-3连接，螺栓Ⅰ3-3位于上半部3-1和下半部3-2并与上半部 3-1和下半部3-2同轴，压电陶瓷片3-4和自适应节面支撑板3-5套在螺栓Ⅰ3-3 上并夹在上半部3-1和下半部3-2之间；所述下半部3-2包括变幅杆3-2-1和辐射面3-2-2，所述下半部3-2为一体结构；所述压电陶瓷片3-4形成两个电极，分别为电极A3-4-1和电极B3-4-2；自适应节面支撑板3-5用于将下端半波长换能器3连接在下端自适应节面支撑块8上。所述上端半波长换能器7的结构、尺寸和参数与所述下端半波长换能器3相同。
优选地，所述的下端换能器调节装置2包括下端换能器横向调节装置2-1 和下端换能器周向调节装置2-2，所述下端换能器横向调节装置2-1固定连接在所述底座1的上表面上，所示下端换能器周向调节装置2-2固定连接在所述下端换能器横向调节装置2-1上，所述下端换能器横向调节装置2-1用于横向位置调节，所述下端换能器周向调节装置2-2用于周向位置调节，所述下端自适应节面支撑块8固定连接在所述下端换能器周向调节装置2-2上。
优选地，所述的上端换能器调节装置5包括上端换能器纵向调节装置5-1、上端换能器周向调节装置5-2和上端换能器纵向微调装置5-3，所述上端换能器纵向调节装置5-1固定连接在所述支柱4的上端，所述上端换能器纵向微调装置5-3固定连接在所述上端换能器纵向调节装置5-1上，所述上端换能器周向调节装置5-2固定连接在所述上端换能器纵向微调装置5-3上，所述上端换能器纵向调节装置5-1用于纵向位置调节，所述上端换能器纵向微调装置5-3用于纵向位置微调，所述上端换能器周向调节装置5-2用于周向位置调节，所述上端自适应节面支撑块6固定连接在所述上端换能器周向调节装置5-2上。
优选地，所述的上端自适应节面支撑块6为L型，所述上端自适应节面支撑块6上设置有连接上端半波长换能器7的凹槽和螺纹孔，所述下端自适应节面支撑块8的结构和尺寸与所述上端自适应节面支撑块6相同。
优选地，所述的对置式超声驻波悬浮传输装置还包括电源，所述电源的输出端连接在下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的电极输入端，所述电源输出的电流的振幅和相位可调节，从而控制两个换能器的振幅相位差。电源可以选用市场上已有的电源，比如型号为C8051F02X-DK的电源。
超声驻波悬浮的方法包括：
步骤一：调节下端半波长换能器3和上端半波长换能器7使得H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的整数倍并且α1＝α2；
步骤二：当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的奇数倍时，调节下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的电源信号，使下端半波长换能器3 和上端半波长换能器7的相位差为0；当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的偶数倍时，调节下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的电源信号，使下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的相位差为π；
步骤三：将被悬浮物逐一放入声场的声压节点，实现悬浮。
优选地，所述的α1和α2小于60°。α1和α2越小，下端半波长换能器3和上端半波长换能器7声场强度越大，悬浮越容易。
超声驻波悬浮的原理为：当声波在辐射面和反射面之间反复叠加，可形成高强的驻波声场。
超声驻波传输的方法包括：
步骤一：调节下端半波长换能器3和上端半波长换能器7使得H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的整数倍并且α1＝α2；
步骤二：当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的奇数倍时，调节下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的电源信号，使下端半波长换能器3 和上端半波长换能器7的相位差为0；当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的偶数倍时，调节下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的电源信号，使下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的相位差为π；
步骤三：将被悬浮物逐一放入声场的声压节点，实现悬浮；
步骤四：调节下端半波长换能器3和上端半波长换能器7的驱动幅值或调节H1与H2的距离和，实现势阱位置的转移，被悬浮物随着势阱位置的改变实现传输。
优选地，所述的α1和α2小于60°。
超声驻波传输的原理是：
当改变下端半波长换能器3和上端半波长换能器7阵元之间的相对幅值或相位差，超声声场的势阱位置漂移，被悬浮物体随着势阱位置的改变实现传输；另一种情况，当辐射面和反射面之间的距离发生变化，被悬浮物体同样可以随着势阱位置的改变实现传输。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.对置式超声驻波悬浮传输装置，其特征在于：该对置式超声驻波悬浮传输装置由底座（1）、下端换能器调节装置（2）、下端半波长换能器（3）、支柱（4）、上端换能器调节装置（5）、上端自适应节面支撑块（6）、上端半波长换能器（7）和下端自适应节面支撑块（8）组成；
所述支柱（4）的下端垂直连接在所述底座（1）的上表面上；
所述上端换能器调节装置（5）固定连接在所述支柱（4）的上端，所述上端半波长换能器（7）通过所述上端自适应节面支撑块（6）固定连接在所述上端换能器调节装置（5）上，所述上端换能器调节装置（5）用于实现上端半波长换能器（7）的纵向调节和周向调节，并带有位置锁定机构；
所述下端换能器调节装置（2）固定连接在所述底座（1）的上表面上，并且所述下端换能器调节装置（2）位于所述上端换能器调节装置（5）的正下方，所述下端半波长换能器（3）通过所述下端自适应节面支撑块（8）固定连接在所述下端换能器调节装置（2）上，所述下端换能器调节装置（2）用于实现下端半波长换能器（3）的横向调节和周向调节，并带有位置锁定机构；
所述下端半波长换能器（3）位于所述上端半波长换能器（7）的正下方。
2.根据权利要求1所述的对置式超声驻波悬浮传输装置，其特征在于：所述的下端半波长换能器（3）包括上半部（3-1）、下半部（3-2）、螺栓Ⅰ（3-3）、压电陶瓷片（3-4）和自适应节面支撑板（3-5），所述上半部（3-1）和下半部（3-2）之间通过螺栓Ⅰ（3-3）连接，螺栓Ⅰ（3-3）位于上半部（3-1）和下半部（3-2）并与上半部（3-1）和下半部（3-2）同轴，压电陶瓷片（3-4）和自适应节面支撑板（3-5）套在螺栓Ⅰ（3-3）上 并夹在上半部（3-1）和下半部（3-2）之间；所述下半部（3-2）包括变幅杆（3-2-1）和辐射面（3-2-2），所述下半部（3-2）为一体结构；所述压电陶瓷片（3-4）形成两个电极，分别为电极A（3-4-1）和电极B（3-4-2）；所述上端半波长换能器（7）的结构、尺寸和参数与所述下端半波长换能器（3）相同。
3.根据权利要求1所述的对置式超声驻波悬浮传输装置，其特征在于：所述的下端换能器调节装置（2）包括下端换能器横向调节装置（2-1）和下端换能器周向调节装置（2-2），所述下端换能器横向调节装置（2-1）固定连接在所述底座（1）的上表面上，所示下端换能器周向调节装置（2-2）固定连接在所述下端换能器横向调节装置（2-1）上，所述下端换能器横向调节装置（2-1）用于横向位置调节，所述下端换能器周向调节装置（2-2）用于周向位置调节，所述下端自适应节面支撑块（8）固定连接在所述下端换能器周向调节装置（2-2）上。
4.根据权利要求1所述的对置式超声驻波悬浮传输装置，其特征在于：所述的上端换能器调节装置（5）包括上端换能器纵向调节装置（5-1）、上端换能器周向调节装置（5-2）和上端换能器纵向微调装置（5-3），所述上端换能器纵向调节装置（5-1）固定连接在所述支柱（4）的上端，所述上端换能器纵向微调装置（5-3）固定连接在所述上端换能器纵向调节装置（5-1）上，所述上端换能器周向调节装置（5-2）固定连接在所述上端换能器纵向微调装置（5-3）上，所述上端换能器纵向调节装置（5-1）用于纵向位置调节，所述上端换能器纵向微调装置（5-3）用于纵向位置微调，所述上端换能器周向调节装置（5-2）用于周向位置调节，所述上端自适应节面支撑块（6）固定连接在所述上端换能器周向调节装置（5-2）上。
5.根据权利要求1所述的对置式超声驻波悬浮传输装置，其特征在于：所述的上端自适应节面支撑块（6）为L型，所述上端自适应节面支撑块（6）上设置有连接上端半波长换能器（7）的凹槽和螺纹孔，所述下端自适应节面支撑块（8）的结构和尺寸与所述上端自适应节面支撑块（6）相同。
6.根据权利要求2所述的对置式超声驻波悬浮传输装置，其特征在于：所述的对置式超声驻波悬浮传输装置还包括电源，所述电源的输出端连接在下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的电极输入端，所述电源输出的电流的振幅和相位可调节，从而控制两个换能器的振幅相位差。
7.采用权利要求1-6任一所述的对置式超声驻波悬浮传输装置进行超声驻波悬浮的方法，其特征在于，所述超声驻波悬浮的方法包括：
步骤一：调节下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）使得H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的整数倍并且α1=α2；
步骤二：当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的奇数倍时，调节下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的电源信号，使下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的相位差为0；当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的偶数倍时，调节下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的电源信号，使下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的相位差为π；
步骤三：将被悬浮物逐一放入声场的声压节点，实现悬浮；
其中，H1 和H2分别为下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的辐射面距离下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）中心线交点的距离；α1和α2为分别为下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）中心线与水平的夹角。
8.根据权利要求7所述的对置式超声驻波悬浮传输装置进行超声驻波悬浮的方法，其特征在于：所述的α1和α2小于60°。
9.采用权利要求1-6任一所述的对置式超声驻波悬浮传输装置进行超声驻波传输的方法，其特征在于，所述超声驻波传输的方法包括：
步骤一：调节下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）使得H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的整数倍并且α1=α2；
步骤二：当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的奇数倍时，调节下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的电源信号，使下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的相位差为0；当H1与H2的距离和为超声波在空气中半波长的偶数倍时，调节下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的电源信号，使下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的相位差为π；
步骤三：将被悬浮物逐一放入声场的声压节点，实现悬浮；
步骤四：调节下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的驱动幅值或调节H1与H2的距离和，实现势阱位置的转移，被悬浮物随着势阱位置的改变实现传输；
其中，H1 和H2分别为下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）的辐射面距离下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）中心线交点的距离；α1和α2为分别为下端半波长换能器（3）和上端半波长换能器（7）中心线与水平的夹角。
10.根据权利要求9所述的对置式超声驻波悬浮传输装置进行超声驻波传输的方法，其特征在于：所述的α1和α2小于60°。
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