CN108333388B - 一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征是：包括激光器、激光器光纤、转台、微悬臂梁阵列、压电陶瓷驱动器、光电位置敏感探测器、数据采集卡、计算机；所述激光器呈垂直状态安装且与激光器光纤相连，所述激光器光纤垂直正对转台侧面，所述转台的轴线与水平面平行且转台下方安装微悬臂梁阵列，所述微悬臂梁阵列的基底固定在压电陶瓷驱动器上，所述压电陶瓷驱动器与函数信号发生器相连，所述函数信号发生器与计算机相连，所述微悬臂梁阵列的斜上方安装光电位置敏感探测器，所述光电位置敏感探测器与数据采集卡相连，所述数据采集卡与计算机连接；本发明灵活性高，激光点大小相同、可控，且能实现循环扫描。

Description

一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统

技术领域

本发明涉及微悬臂梁扫描领域，具体是一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统。

背景技术

微悬臂梁传感技术是在原子力显微镜和微系统出现后迅速发展起来的一种传感技术，并且在生物和化学领域得到了应用。但是目前比较成熟的微悬臂梁传感技术是使用单根的微悬臂梁，在进行多个单根微悬臂梁检测时环境因素的差异会使检测结果产生一定的误差。而利用微悬臂梁阵列来进行检测可以有效地减小这一误差，因为悬臂梁阵列本身可以提供需要的参考梁，实验环境条件相同。因此，对微悬臂梁阵列进行研究是非常必要的。

微悬臂梁传感器具有动态模式和静态模式两种工作模式，其中微悬臂梁传感器静态工作模式已广泛用于气体和液体环境的生物、化学检测,但是这种检测方法对环境温度变化敏感,灵敏度比较低,检测效果欠佳。而微悬臂梁传感器动态工作模式比其静态工作模式更具有优势，因为动态模式下，可以通过检测悬臂梁的频率进行实验。温度的变化对动态模式下的微悬臂梁传感器影响较小，在温度发生变化时，动态模式的微悬臂梁传感器比其静态模式灵敏度更高，检测效果更好，所以研究动态微悬臂梁传感技术更具有前景。

在题目为“A16-microcantilever array sensing system for the rapid andsimultaneous detection of analyte”的文献中报道了一种新的微悬臂阵列扫描方法。该文献中利用两个激光器实现对两个八根微悬臂梁阵列的扫描，其中一个微悬臂梁阵列的八根微悬臂梁作为参考，另一个微悬臂梁阵列的八根微悬臂梁作为实验梁，每一个微悬臂梁阵列对应一个激光器，两个微悬臂梁阵列并行放置，两个激光器分别对称设置在两个微悬臂梁阵列的两边并固定在同一移动平台上，通过电机带动移动平台沿着垂直悬臂梁的方向平动实现对微悬臂梁阵列的扫描。该文献中微悬臂梁扫描系统的优点是实现了微悬臂梁阵列的循环扫描，且实验重复性高，但也存在一些不足，因为使用两个激光器时不能保证在相同光强下激光的光斑大小一致，而激光的光斑大小对检测激光点的传感器检测的结果有影响，造成检测误差。

发明内容

本发明是为解决上述问题，提供一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，使得对微悬臂梁阵列扫描时光电位置敏感探测器检测到的激光点大小相同，本发明在转台内部利用光纤进行激光传输，可以根据需要调节光纤长度来调节激光点的大小优化检测结果，且光纤在转台内部没有严格的方向限制，灵活性高，该系统还能实现循环扫描。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点是：设置由N个扫描单元所构成的循环扫描系统的结构形式为：包括激光器、激光器光纤、转台、微悬臂梁阵列、压电陶瓷驱动器、光电位置敏感探测器、数据采集卡、计算机；

所述激光器呈垂直状态安装且与激光器光纤相连，所述激光器光纤垂直正对转台侧面，所述转台的轴线与水平面平行且转台下方安装微悬臂梁阵列，所述微悬臂梁阵列的基底固定在压电陶瓷驱动器上，所述压电陶瓷驱动器与函数信号发生器相连，所述函数信号发生器与计算机相连，所述微悬臂梁阵列的斜上方安装光电位置敏感探测器，所述光电位置敏感探测器与数据采集卡相连，所述数据采集卡与计算机连接。

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点也在于：

所述微悬臂梁阵列由N根微悬臂梁构成，微悬臂梁阵列是由压电陶瓷驱动器进行驱动，构成动态微悬臂梁阵列，压电陶瓷驱动器的驱动信号来自函数信号发生器，且可以通过调节函数信号发生器的参数改变驱动信号，进而改变微悬臂梁阵列的频率。

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点也在于：

以固定设置的同一只激光器作为N个扫描单元的共用激光光源，激光器光纤与激光器光纤激光出射口连接，并且激光器光纤激光出射口固定地呈垂直状态发射出激光光束；针对N根微悬臂梁在转台内部一一对应设置N个光纤，针对N个光纤一一对应设置N个光纤激光入射口和N个光纤激光出射口，所述N个光纤激光出射口和N个光纤激光入射口共同固定安装在同一转台上,且N个光纤激光入射口和N个光纤激光出射口均垂直于转台侧面，N个光纤激光入射口在转台的每个面上的相对位置相同，N个光纤激光出射口在转台的每个面上的相对位置不同，驱动转台转动，使N个光纤激光入射口随着转台的转动逐一地处在所述激光器光纤激光出射口发射的激光束的光路中，使激光光束分别入射到N个光纤激光入射口并一一对应经过N条光纤到达N个光纤激光出射口，再经N个光纤激光出射口一一对应地投照在微悬臂梁阵列中各微悬臂梁的自由端，构成动态微悬臂梁阵列扫描系统，驱动转台循环转动，激光经转台上光纤激光人射口和光纤激光出射口一一对应投射到各悬臂梁尖端，实现对动态微悬臂梁阵列的循环扫描。

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点也在于：

所述微悬臂梁阵列中N只微悬臂梁间隔且并列设置，各微悬臂梁的自由端处在同一直线上，且各微悬臂梁的自由端与水平面夹角为45°。

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点也在于：

光纤激光入射口的直径与激光器光纤激光出射口的直径相等，各光纤激光出射口的直径与微悬臂梁的宽度相同。

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点也在于：

在所述的N个光纤两端分别连接N个光纤激光入射口和N个光纤激光出射口，且N个光纤在转台内部没有严格的方向限制可任意角度摆放；所述的N个光纤可根据需要设置相应长度的光纤以达到光纤激光出射口发射出的激光束呈汇聚状态，使实验结果达到最优。

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点也在于：

所述激光器为半导体激光器，激光光源是波长为632-780nm的单色光源。

本发明一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构特点也在于：

所述光电位置敏感探测器用于检测微悬臂梁反射的激光点在光电位置敏感探测器表面的位置，并把光信号转换为电信号传输给数据采集卡，所述数据采集卡把模拟电信号转换为数字信号传输给计算机处理并显示微悬臂梁的频率和形变曲线。

本发明和现有技术相比，其有益效果体现在：

1.本发明利用转台带动光纤激光入射口和光纤激光出射口转动实现系统循环扫描；

2.本发明光纤在转台内部没有严格的方向限制，灵活性高；

3.本发明可根据需要调节光纤长度来调节激光点的大小优化检测结果，而且使用同一个激光器对微悬臂梁阵列进行扫描使得光电位置敏感探测器检测到的激光点大小相同。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明中第二微悬臂梁激光投射示意图；

图3是本发明中第三微悬臂梁激光投射示意图；

图中标号：1转台、11第一光纤、111第一光纤激光入射口、112第一光纤激光出射口、12第二光纤、121第二光纤激光入射口、122第二光纤激光出射口、13第三光纤、131第三光纤激光入射口、132第三光纤激光出射口、2激光器光纤激光出射口、21激光器光纤、22激光器通过激光器光纤发射的激光、3激光器、4压电陶瓷驱动器、5函数信号发生器、6计算机、7数据采集卡、8光电位置敏感探测器、9微悬臂梁阵列、91第一微悬臂梁、911第一光纤激光出射口投射到第一微悬臂梁的激光、912第一微悬臂梁反射到光电位置敏感探测器的激光、92第二微悬臂梁、921第二光纤激光出射口投射到第二微悬臂梁的激光、922第二微悬臂梁反射到光电位置敏感探测器的激光、93第三微悬臂梁、931第三光纤激光出射口投射到第三微悬臂梁的激光、932第三微悬臂梁反射到光电位置敏感探测器的激光。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。

参见图1、图2、图3，本实施例中一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统的结构形式是：设置由八个扫描单元所构成的循环扫描系统的结构形式为：包括激光器3、激光器光纤21、转台1、微悬臂梁阵列9、压电陶瓷驱动器4、函数信号发生器5、光电位置敏感探测器8、数据采集卡7、计算机6；

所述激光器3呈垂直状态安装且与激光器光纤21相连，所述激光器光纤21垂直正对转台1侧面，所述转台1的轴线与水平面平行且转台1下方安装微悬臂梁阵列9，所述微悬臂梁阵列9的基底固定在压电陶瓷驱动器4上，所述压电陶瓷驱动器4与函数信号发生器5相连，所述函数信号发生器5与计算机6相连，所述微悬臂梁阵列9的斜上方安装光电位置敏感探测器8，所述光电位置敏感探测器8与数据采集卡7相连，所述数据采集卡7与计算机6连接。

微悬臂梁阵列9由八根微悬臂梁构成，微悬臂梁阵列9是由压电陶瓷驱动器4进行驱动，构成动态微悬臂梁阵列，压电陶瓷驱动器4的驱动信号来自函数信号发生器5，且可以通过调节函数信号发生器5的参数改变驱动信号，进而改变微悬臂梁阵列9的频率。

以固定设置的同一只激光器3作为八个扫描单元的共用激光光源，激光器光纤21与激光器光纤激光出射口2连接，并且激光器光纤激光出射口2固定地呈垂直状态发射出激光光束，激光光源是波长为632-780nm的单色光源。

以八根微悬臂梁构成微悬臂梁阵列9，微悬臂梁阵列9是由压电陶瓷驱动器4进行驱动，压电陶瓷驱动器4的驱动信号来自信号发生器5，针对八根微悬臂梁在转台1内部一一对应设置八根光纤；八根光纤共同设置在同一只转台1内部的不同位置上，对应于八根微悬臂梁和激光器3在转台1的八个面分别一一对应八根光纤安装八个光纤激光入射口和八个光纤激光出射口，且八个光纤激光入射口和八个光纤激光出射口均垂直于转台1侧面，其中八个光纤激光入射口对应于激光器光纤激光出射口2，八个光纤激光出射口一一对应于八根微悬臂梁；驱动转台1转动，使八个光纤激光入射口随着转台1的转动逐一地处在激光器光纤激光出射口2发射出的激光束的光路中，并且激光束分别入射到八个光纤激光入射口并一一对应经过八条光纤到达八个光纤激光出射口，再经八个光纤激光出射口一一对应地投照在微悬臂梁阵列9中各微悬臂梁的自由端，构成动态微悬臂梁阵列扫描系统，驱动转台1的循环转动，实现对动态微悬臂梁阵列9的循环扫描。

如图1所示，本实施例中，微悬臂梁阵列9中八根微悬臂梁间隔且并列设置，各微悬臂梁的自由端处在同一直线上，且各微悬臂梁的自由端与水平面夹角为45°，在微悬臂梁阵列9底部安装压电陶瓷驱动器4，该驱动器由函数信号发生器5产生的驱动信号进行驱动。

本实施例中，八个光纤设置在转台1的内部，八个光纤一一对应设置的八个光纤激光入射口在转台1的每个面上的相对位置相同，而八个光纤激光出射口则根据不同的微悬臂梁的位置设置在转台1每个面的不同位置。驱动转台1转动，使八个光纤激光入射口随着转台1的转动逐一地处在所述激光器光纤激光出射口2发射的激光束的光路中，使激光光束分别入射到八个光纤激光入射口并一一对应经过八条光纤到达八个光纤激光出射口，再经八个光纤激光出射口一一对应地投照在微悬臂梁阵列9中各微悬臂梁的自由端。

本实施例中，在转台1上设置各光纤激光入射口和光纤激光出射口，包括第一光纤激光入射口111、第一光纤激光出射口112、第二光纤激光入射口121、第二光纤激光出射口122、第三光纤激光入射口131、第三光纤激光出射口132，以及第四至第八光纤激光入射口和光纤激光出射口，光纤激光入射口的直径与激光器光纤激光出射口2直径相等，各光纤激光出射口的直径与微悬臂梁的宽度相同。

本实施例中，光电位置敏感探测器8用于检测微悬臂梁反射的激光点在光电位置敏感探测器8表面的位置，并把光信号转换为电信号传输给数据采集卡7，数据采集卡7把模拟电信号转换为数字信号传输给计算机6处理并显示微悬臂梁的频率和形变曲线。

图1所示为激光器3发出的激光光束经过激光器光纤21到达激光器光纤激光出射口2，然后激光光束通过激光器光纤激光出射口2入射到第一光纤激光入射口111，接着激光束经过第一光纤11到达第一光纤激光出射口112，激光束经第一光纤激光出射口112投射到第一微悬臂梁91的自由端，该微悬臂梁自由端的反射的激光光束投射到光电位置敏感探测器8上，经光电位置敏感探测器8把光信号转换为电信号传输给数据采集卡7，接着数据采集卡7把模拟信号转换为数字信号发送给计算机9进行数据处理并显示第一微悬臂梁91的频率和形变曲线。

图2所示为转台1步进式转过一角度，激光器3发出的激光光束经过激光器光纤21到达激光器光纤激光出射口2，然后激光光束通过激光器光纤激光出射口2入射到第二光纤激光入射口121，接着激光束经过第二光纤12到达第二光纤激光出射口122，激光束经第二光纤激光出射口122投射到第二微悬臂梁92的自由端。

图3所示为转台1继续步进式转动，激光器3发出的激光光束经过激光器光纤21到达激光器光纤激光出射口2，然后激光光束通过激光器光纤激光出射口2入射到第三光纤激光入射口131，接着激光束经过第三光纤13到达第三光纤激光出射口132，激光束经第三光纤激光出射口132投射到第三微悬臂梁93的自由端。

按以上方式继续步进式驱动转台1转动，实现自第一微悬臂梁至第八微悬臂梁的扫描；循环驱动转台1转动，即可实现各动态微悬臂梁的循环扫描。

Claims (7)

1.一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征在于：包括激光器、激光器光纤、转台、微悬臂梁阵列、压电陶瓷驱动器、光电位置敏感探测器、数据采集卡、计算机；

所述激光器呈垂直状态安装且与激光器光纤相连，所述激光器光纤垂直正对转台侧面，所述转台的轴线与水平面平行且转台下方安装微悬臂梁阵列，所述微悬臂梁阵列的基底固定在压电陶瓷驱动器上，所述压电陶瓷驱动器与函数信号发生器相连，所述函数信号发生器与计算机相连，所述微悬臂梁阵列的斜上方安装光电位置敏感探测器，所述光电位置敏感探测器与数据采集卡相连，所述数据采集卡与计算机连接；

以固定设置的同一只激光器作为N个扫描单元的共用激光光源，激光器光纤与激光器光纤激光出射口连接，并且激光器光纤激光出射口固定地呈垂直状态发射出激光光束；针对N根微悬臂梁在转台内部一一对应设置N个光纤，针对N个光纤一一对应设置N个光纤激光入射口和N个光纤激光出射口，所述N个光纤激光出射口和N个光纤激光入射口共同固定安装在同一转台上,且N个光纤激光入射口和N个光纤激光出射口均垂直于转台侧面，N个光纤激光入射口在转台的每个面上的相对位置相同，N个光纤激光出射口在转台的每个面上的相对位置不同，驱动转台转动，使N个光纤激光入射口随着转台的转动逐一地处在所述激光器光纤激光出射口发射的激光束的光路中，使激光光束分别入射到N个光纤激光入射口并一一对应经过N条光纤到达N个光纤激光出射口，再经N个光纤激光出射口一一对应地投照在微悬臂梁阵列中各微悬臂梁的自由端，构成动态微悬臂梁阵列扫描系统，驱动转台循环转动，激光经转台上光纤激光人射口和光纤激光出射口一一对应投射到各悬臂梁尖端，实现对动态微悬臂梁阵列的循环扫描。

2.根据权利要求1所述的一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征在于：所述微悬臂梁阵列由N根微悬臂梁构成，微悬臂梁阵列是由压电陶瓷驱动器进行驱动，构成动态微悬臂梁阵列，压电陶瓷驱动器的驱动信号来自函数信号发生器，且可以通过调节函数信号发生器的参数改变驱动信号，进而改变微悬臂梁阵列的频率。

3.根据权利要求1或2所述的一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征在于：所述微悬臂梁阵列中N只微悬臂梁间隔且并列设置，各微悬臂梁的自由端处在同一直线上，且各微悬臂梁的自由端与水平面夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征在于：光纤激光入射口的直径与激光器光纤激光出射口的直径相等，各光纤激光出射口的直径与微悬臂梁的宽度相同。

5.根据权利要求1所述的一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征在于：在所述的N个光纤两端分别连接N个光纤激光入射口和N个光纤激光出射口，且N个光纤在转台内部没有严格的方向限制可任意角度摆放；所述的N个光纤可根据需要设置相应长度的光纤以达到光纤激光出射口发射出的激光束呈汇聚状态，使实验结果达到最优。

6.根据权利要求1所述的一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征在于：所述激光器为半导体激光器，激光光源是波长为632-780nm的单色光源。

7.根据权利要求1所述的一种动态微悬臂梁阵列循环扫描系统，其特征在于：所述光电位置敏感探测器用于检测微悬臂梁反射的激光点在光电位置敏感探测器表面的位置，并把光信号转换为电信号传输给数据采集卡，所述数据采集卡把模拟电信号转换为数字信号传输给计算机处理并显示微悬臂梁的频率和形变曲线。