CN108327296A - 一种基于特征子波的超声波精密封接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征子波的超声波精密封接装置及方法。该装置包括：超声波发生器发出超声波；超声波工具头对被加工器件进行加工；超声波换能器将超声波发生器发出的超声波转换成能量加载到超声波工具头上；控制器控制驱动电机控制超声波工具头沿运动导轨运动；封接工作台上设置有压电式动态压力传感器，压电式动态压力传感器检测被加工器件所受的超声波振动信号；滤波器对超声波振动信号进行滤波，得到特征子波；数据采集卡采集特征子波；控制器根据数据采集卡传输的数据信息控制驱动电机和超声波发生器工作；控制器控制超声波发生器发射不同振幅的超声波。本发明能够实现高密封性、低形变的界面封接。

Description

一种基于特征子波的超声波精密封接装置及方法

技术领域

本发明涉及微纳器件领域，特别是涉及一种基于特征子波的超声波精密封接装置及方法。

背景技术

热塑性聚合物材料在微纳器件领域具有越来越广阔的应用前景。微纳器件一般是指结构尺寸在微米量级，用于构成微型传感器、微型执行器、微型驱动器、微型处理器、微流控芯片等微系统器件。由于微纳器件制造技术本身特点的制约，对于复杂结构的微纳器件的密封连接成为微纳器件制造技术中的关键技术。超声波封接技术是一种快速、有效的塑料封装技术。随着超声波封接技术被引入到聚合物微流控芯片、微阀、微泵等微器件封接后，其在聚合物微纳器件领域得到广泛的应用。微器件结构尺寸微小化使其研究重点由强度转变为精度，即需要保证封接的强度和密封性，又需要保证封接的形状精度，这就需要对超声波作用下界面熔接程度进行精确控制。

目前超声波封接技术在界面熔接行为的精确控制方面并无有效技术手段，因此在微器件领域的应用尚难以满足精密封接的精度要求，难以实现高密封性、低形变的界面封接。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于特征子波的超声波精密封接装置及方法，用以精确控制超声波封接过程中对界面熔合的行为，实现高密封性、低形变的界面封接。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种在线滤波的超声波精密封接装置，所述装置包括：

超声波发生器，用于发出超声波；

超声波工具头，用于对被加工器件进行加工；

超声波换能器，分别与所述超声波发生器以及所述超声波工具头连接，用于将所述超声波发生器发出的超声波转换成能量加载到所述超声波工具头上；

所述施加压力机构包括与所述超声波工具头连接的驱动电机、运动导轨，所述控制器控制所述驱动电机控制所述超声波工具头沿所述运动导轨运动；

所述封接工作台上设置有压电式动态压力传感器，所述压电式动态压力传感器用于检测所述被加工器件所受的超声波振动信号；

所述滤波器与所述压电式动态压力传感器连接，所述滤波器用于对所述超声波振动信号进行滤波，得到特征子波；

所述数据采集卡与所述滤波器连接，所述数据采集卡用于采集所述特征子波；所述数据采集卡与所述控制器连接，所述控制器根据所述数据采集卡传输的数据信息控制所述驱动电机和所述超声波发生器工作；

所述控制器与所述超声波发生器相连接，用于控制所述超声波发生器发射不同振幅的超声波。

可选的，所述封接工作台与所述压电式动态压力传感器之间还设有称重传感器，所述称重传感器用于检测所述超声波工具头对被加工器件施加的压力。

可选的，所述装置还包括电荷放大器，所述电荷放大器与所述压电式动态压力传感器连接，所述电荷放大器用于放大所述压电式动态压力传感器检测的信号，并将放大后的信号传输至所述滤波器。

可选的，所述压电式动态压力传感器与所述被加工器件之间设有软垫。

本发明还提供了一种基于特征子波的超声波精密封接方法，所述方法包括：

控制超声波发生器发出初始振幅的超声波，对所述被加工器件加载超声波振动；

实时获取压电式动态压力传感器检测的所述被加工器件底面的超声波；

通过小波包分析方法对所述超声波进行小波包分解，得到多个不同频段的第一特征子波；

从第一特征子波中选择满足热塑性聚合物的力学性能与温度变化关系的特征子波，得到第二特征子波；

获取第二特征子波的超声波振幅；

根据所述初始振幅以及所述超声波振幅确定所述第二特征子波的振幅变化率；

根据所述振幅变化率判断所述第二特征子波是否达到的拐点，所述拐点前后的振幅变化率不同；

若是，控制超声波发生器停止工作；

若否，控制所述超声波发生器继续工作，直至所述第二特征子波达到的拐点。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明在超声波精密封接过程中通过滤波器对实时采集的超声波振动传递信号进行小波包分析，提取出特征频率，能够更加准确的划分界面未完全熔合和过度熔合之间的临界点，以此作为控制参数能够提高界面熔合控制的精确性，从而实现高密封性、低形变的界面封接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于特征子波的超声波精密封接装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于特征子波的超声波精密封接方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于特征子波的超声波精密封接装置及方法，用以精确控制超声波封接过程中对界面熔合的行为，实现高密封性、低形变的界面封接。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明装置包括：

超声波发生器1，用于发出超声波；

超声波工具头2，用于对被加工器件4进行加工；

超声波换能器3，分别与所述超声波发生器1以及所述超声波工具头2连接，用于将所述超声波发生器1发出的超声波转换成能量加载到所述超声波工具头2上；

所述施加压力机构包括与所述超声波工具头2连接的驱动电机、运动导轨，所述控制器9控制所述驱动电机控制所述超声波工具头2沿所述运动导轨运动；

所述封接工作台上设置有压电式动态压力传感器5，所述压电式动态压力传感器5用于检测所述被加工器件4所受的超声波振动信号；

所述滤波器7与所述压电式动态压力传感器5连接，所述滤波器7用于对所述超声波振动信号进行滤波，得到特征子波；

所述数据采集卡6与所述滤波器7连接，所述数据采集卡6用于采集所述特征子波；所述数据采集卡6与所述控制器9连接，所述控制器9根据所述数据采集卡6传输的数据信息控制所述驱动电机和所述超声波发生器1工作；

所述控制器9与所述超声波发生器1相连接，用于控制所述超声波发生器1发射不同振幅的超声波。

本发明的工作原理如下：

超声波封接的机理在于：超声波在界面间产生热量，增加高分子链活性，在压力和振动的作用下形成界面熔合。聚合物的超声波焊接过程中，待焊接件在超声波作用下发生高频周期性相互运动，由于界面摩擦效应和粘弹性材料力学损耗效应而在界面上产生热量，使界面附近温度升高，经历着弹性接触→粘性接触→粘性熔合的界面转变，宏观上即是发生了玻璃化转变，在压力的作用下形成一定强度的熔接层.聚合物是粘弹性材料，在超声波焊接过程中随着温度的升高会发生力学状态的变化，由玻璃态转变为粘弹态以及粘流态，其力学性能会大幅衰减，材料内部力学损耗增大，导致超声振动传递在焊接过程中发生衰减。但对于同类聚合物试件的封接，每组接触界面相互之间会存在着一定的细微差异，使得实际检测到的振动传递不能准确表达封接界面聚合物物态转变的瞬间，因此在控制精度上难以实现高密封性、低形变的界面封接。

针对上述问题，本发明通过滤波器对实时采集的超声波振动传递信号进行小波包分析，提取出特征频率，能够更加准确的划分界面未完全熔合和过度熔合之间的临界点，以此作为控制参数能够提高界面熔合控制的精确性，实现在熔接程度的一致性的精确控制。

在上述实施方式中，所述封接工作台与所述压电式动态压力传感器5之间还设有称重传感器，所述称重传感器用于检测所述超声波工具头2对被加工器件4施加的压力。通过该称重传感器检测被加工器件所受压力的作用是判断压电式动态压力传感器检测的动态压力的准确性，以便于控制单元能够更精确的控制超声波工具头的运动，从而提高控制精度，进一步提高封接质量。

上述实施方式中，所述装置还包括电荷放大器8，所述电荷放大器用于放大所述压电式动态压力传感器5检测的信号，并将放大后的信号传输至所述滤波器6。由于所述压电式动态压力传感器5检测的信号较弱，通过电荷放大器8放大后更能够提高控制器9的辨识能力，从而得到更准确的判断结果。进一步提高控制精度和封接质量。

在上述实施方式中，所述压电式动态压力传感器5与所述被加工器件4之间设有软垫。该软垫的设置是用于吸收硬碰撞冲击，且软垫的选择需要熔点较高，确保在超声波作用下不发生熔化。

如图2所示，本发明还提供了一种基于特征子波的超声波精密封接方法，所述方法包括：

步骤201：控制超声波发生器发出初始振幅的超声波，对所述被加工器件加载超声波振动。

步骤202：实时获取压电式动态压力传感器检测的所述被加工器件底面的超声波。

步骤203：通过小波包分析方法对所述超声波进行小波包分解，得到多个不同频段的第一特征子波。

步骤204：从第一特征子波中选择满足热塑性聚合物的力学性能与温度变化关系的特征子波，得到第二特征子波。

步骤205：获取第二特征子波的超声波振幅。

步骤206：根据所述初始振幅以及所述超声波振幅确定所述第二特征子波的振幅变化率。

步骤207：根据所述振幅变化率判断所述第二特征子波是否达到的拐点，所述拐点前后的振幅变化率不同。

步骤208：若是，控制超声波发生器停止工作。

步骤209：若否，控制所述超声波发生器继续工作，直至所述第二特征子波达到的拐点。

具体的，设定初始特征子波振幅u₀，ts后特征子波振幅u₁，此时振幅相对变化率I₁＝(u₁-u₀)/t；2ts后的特征子波振幅u₂，此时振幅相对变化率I₂＝(u₂-u₀)/2t；当nts后的振幅相对变化率满足I_n-1<I_n<I_n+1时，此时特征子波达到第一个拐点，即出现波形第一次波谷期，以此控制实验流程，停止超声波加载，分析界面熔合程度。当mts(m>n)后的振幅相对变化率满足I_m-1>I_m>I_m+1时，此时特征子波达到第二个拐点，即出现波形第一次波峰期，以此转变点控制超声波加载，分析界面熔合程度。当zts(z>m)后的振幅相对变化率满足I_z-1<I_z<I_z+1时，此时此时特征子波达到第三个拐点，即出现波形第二次波谷期，再次控制超声波加载，分析界面熔合程度。

从初始时刻至第一个拐点之间反映的是特征子波振幅第一次小衰减阶段；第一个拐点至第二个拐点之间反映的是特征子波振幅增加阶段；第二个拐点和第三个拐点之间反映的是子波振幅大幅衰减阶段。

通过分析特征子波振幅两阶段衰减及振幅增加时界面封接效果，实现对超声波精密封接过程中聚合物界面熔合程度的准确控制。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于特征子波的超声波精密封接装置，其特征在于，所述装置包括：

超声波发生器，用于发出超声波；

超声波工具头，用于对被加工器件进行加工；

超声波换能器，分别与所述超声波发生器以及所述超声波工具头连接，用于将所述超声波发生器发出的超声波转换成能量加载到所述超声波工具头上；

所述施加压力机构包括与所述超声波工具头连接的驱动电机、运动导轨，所述控制器控制所述驱动电机控制所述超声波工具头沿所述运动导轨运动；

所述封接工作台上设置有压电式动态压力传感器，所述压电式动态压力传感器用于检测所述被加工器件所受的超声波振动信号；

所述滤波器与所述压电式动态压力传感器连接，所述滤波器用于对所述超声波振动信号进行滤波，得到特征子波；

所述数据采集卡与所述滤波器连接，所述数据采集卡用于采集所述特征子波；所述数据采集卡与所述控制器连接，所述控制器根据所述数据采集卡传输的数据信息控制所述驱动电机和所述超声波发生器工作；

所述控制器与所述超声波发生器相连接，用于控制所述超声波发生器发射不同振幅的超声波。

2.根据权利要求1所述的封接装置，其特征在于，所述封接工作台与所述压电式动态压力传感器之间还设有称重传感器，所述称重传感器用于检测所述超声波工具头对被加工器件施加的压力。

3.根据权利要求1所述的封接装置，其特征在于，所述装置还包括电荷放大器，所述电荷放大器与所述压电式动态压力传感器连接，所述电荷放大器用于放大所述压电式动态压力传感器检测的信号，并将放大后的信号传输至所述滤波器。

4.根据权利要求1所述的封接装置，其特征在于，所述压电式动态压力传感器与所述被加工器件之间设有软垫。

5.一种基于特征子波的超声波精密封接方法，其特征在于，所述方法包括：

控制超声波发生器发出初始振幅的超声波，对所述被加工器件加载超声波振动；

实时获取压电式动态压力传感器检测的所述被加工器件底面的超声波；

通过小波包分析方法对所述超声波进行小波包分解，得到多个不同频段的第一特征子波；

从第一特征子波中选择满足热塑性聚合物的力学性能与温度变化关系的特征子波，得到第二特征子波；

获取第二特征子波的超声波振幅；

根据所述初始振幅以及所述超声波振幅确定所述第二特征子波的振幅变化率；

根据所述振幅变化率判断所述第二特征子波是否达到的拐点，所述拐点前后的振幅变化率不同；

若是，控制超声波发生器停止工作；

若否，控制所述超声波发生器继续工作，直至所述第二特征子波达到的拐点。