CN109669485B - 基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法 - Google Patents

基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法，其包括上位机、控制器、FPGA模块、驱动电路和单面超声传感器阵列。通过计算超声阵列的相位，在单面超声传感器阵列上方产生特定的声场将物体悬浮起来，与传统超声驻波悬浮相比，克服了目前超声驻波悬浮的缺点，无需反射元件，不仅大大简化了声悬浮的硬件设备，还使得悬浮物体不需要被声学元件包围，悬浮物体可以在开放空间下进行，在可操控性方面也得到了极大的改善，阵列式悬浮形成的声场可以轻易的完成特定轨迹的移动，从而摆脱了驻波节点的束缚，扩展了声悬浮技术的应用场景，另外整体结构简单，易于实现，利于广泛推广使用，特别适用于非接触式材料加工与运输、生物实验等。

Description

基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及基于超声波阵列的声悬浮技术领域，特别涉及一种基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法。
背景技术
在微电子机械系统、生物医学工程、制药、液滴动力学、凝聚态物理学和无容器材料处理和制备等领域，人们始终在寻找一种能够实现微量液体材料或微小器件的非接触操作的措施。声悬浮技术被证明是可以满足上述要求的方案。在材料制备领域，声悬浮可以提供无容器环境，如晶体生长方面，可以很容易的形成质量较高的单晶；基于深过冷特性，可以制备出组织细化，均匀，高超导性能的材料。在精密电子制造与装配领域，加工和运输零件的要求更高，如在半导体器件制造过程中对与晶圆的传输等精密操作，声悬浮技术可以较好的满足加工运输需求。目前较为成熟的技术是超声驻波悬浮技术，这种超声悬浮是由驻波的声压节点造成的，通过改变对立发射的超声波的相位，控制超声驻波节点的位置，可以实现被操控物体在非接触条件下稳定和准确的移动。现在，超声驻波悬浮技术已经在各领域广泛采用，人们可以通过声悬浮的方法，实现各种金属材料、无机非金属和有机材料的无容器处理，开展液滴动力学、材料科学、分析化学和生物化学等方面的研究。
但超声驻波悬浮技术也存在不足，悬浮目标的上下均有声发射元件，超声驻波悬浮目标时需要使悬浮目标处于被声学元件包围形成的声场中，当需要对需要悬浮目标进行移动等操作时，需要同时移动声学元件。在一些要求较高的场合中，繁杂的悬浮装置不能够满足实验或生产的要求，因此超声驻波悬浮技术的应用范围受到限制。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，使用单面超声阵列就可以实现超声悬浮与操控的基于超声波阵列的声悬浮系统。
本发明的目的还在于，提供一种操作方便，控制效果好的基于超声波阵列的声悬浮控制方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种基于超声波阵列的声悬浮系统，其包括上位机、控制器、FPGA模块、驱动电路和单面超声传感器阵列。其中上位机用于根据预设的悬浮目标的大小和位置，计算出单面超声传感器阵列所需的相位信息，并将相位信息发给控制器；
控制器用于接收相位信息，并将该相位信息分发给各个FPGA模块；
FPGA模块用于根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号；
驱动电路用于将FPGA模块引脚发出的方波信号进行功率放大，并输出到单面超声传感器阵列；
单面超声传感器阵列用于发出相位不同的超声波，在单面超声传感器阵列上方形成特定的声场，悬浮目标在悬浮点受到的声辐射力最小，实现悬浮在特定的位置。
一种基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其包括以下步骤：
(1)启动上位机，根据预设的悬浮目标的大小和位置，通过上位机计算出单面超声传感器阵列所需的相位信息，并将相位信息发给控制器；
(2)控制器将相位信息分发给各个FPGA模块；；
(3)FPGA模块根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号；
(4)驱动电路将从FPGA模块引脚发出的方波信号进行功率放大，并输出到单面超声传感器阵列；
(5)单面超声传感器阵列发出相位不同的超声波，在单面超声传感器阵列上方形成特定的声场，悬浮目标在悬浮点受到的声辐射力最小，从而将悬浮目标悬浮在特定的位置；
(6)通过改变上位机发送的悬浮位置的相位，实时改变悬浮目标的位置，实现悬浮目标的移动、旋转及相应动作控制。
本发明的有益效果为：本发明合理使用单面超声传感器阵列，通过计算超声阵列的相位，在单面超声传感器阵列上方产生特定的声场将物体悬浮起来，与传统超声驻波悬浮相比，克服了目前超声驻波悬浮的缺点，无需反射元件，不仅大大简化了声悬浮的硬件设备，还使得悬浮物体不需要被声学元件包围，悬浮物体可以在开放空间下进行，在可操控性方面也得到了极大的改善，阵列式悬浮形成的声场可以轻易的完成特定轨迹的移动，从而摆脱了驻波节点的束缚，极大的扩展了声悬浮技术的应用场景，如在生化培养，样品无接触传输等领域应用将更加便捷，可以悬浮生物细胞且不会对生物细胞有损伤，不受悬浮物磁性影响，另外整体结构简单，易于实现，利于广泛推广使用，特别适用于非接触式材料加工与运输、生物实验等。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的模块示意框图。
图2是本发明中的驱动电路示意图。
图3是本发明中单面超声传感器阵列的排列简图。
图4是本发明的悬浮示意图。
图5是悬浮目标所在平面声压分布图。
图6为代入数值计算所得解。
具体实施方式
参见图1至图4，本实施例提供的一种基于超声波阵列的声悬浮系统，其特征在于，其包括上位机1、控制器2、FPGA模块3、驱动电路4和单面超声传感器阵列5。
所述上位机1用于根据预设的悬浮目标6的大小和位置，计算出单面超声传感器阵列5所需的相位信息，并将相位信息发给控制器2；所述控制器2用于接收相位信息，并将该相位信息分发给各个FPGA模块3；所述FPGA模块3用于根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号；所述驱动电路4用于将FPGA模块3引脚发出的方波信号进行功率放大，并输出到单面超声传感器阵列5；所述单面超声传感器阵列5用于发出相位不同的超声波，在阵列上方形成特定的声场，悬浮目标6在悬浮点受到的声辐射力最小，实现悬浮在特定的位置。
较佳的，所述驱动电路4中的功率放大芯片型号为TC4427,具有延迟时间短，驱动能力强等优点，能够在不影响各信号相对相位的情况下对驱动信号进行放大。驱动电路4的电路图如图2所示，其中P1_1、P1_2为输入端，P5_1、P5_2为输出端。
所述单面超声传感器阵列5由若干直径为1cm的超声波探头组成。具体的，所述单面超声传感器阵列5的超声波探头行数为12行，列数为12列。所述控制器2和FPGA模块3相连接形成相位发生器。相位发生器与驱动电路4连接，号放大后输出端与单面超声传感器阵列5连接。
一种基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其包括以下步骤：
(1)启动上位机1，根据预设的悬浮目标6的大小和位置，通过上位机1计算出单面超声传感器阵列5所需的相位信息，并将相位信息发给控制器2；
(2)控制器2将相位信息分发给各个FPGA模块3；；
(3)FPGA模块3根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号，该方波信号的频率优选为40KHz；
(4)驱动电路4将从FPGA模块3引脚发出的方波信号进行功率放大，并输出到单面超声传感器阵列5；
(5)单面超声传感器阵列5发出相位不同的超声波，在阵列上方形成特定的声场，悬浮目标6在悬浮点受到的声辐射力最小，从而将悬浮目标6悬浮在特定的位置；
(6)通过改变上位机1发送的悬浮位置的相位，实时改变悬浮目标6的位置，实现悬浮目标6的移动、旋转及相应动作控制。
具体的，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
计算悬浮点的Gorkov势能:
Figure BDA0001951271630000051
其中，c表示声传播速度，ρ表示密度，下标0表示介质，p表示悬浮物体；
悬浮物体在声场中所受的声辐射力可以由Gorkov势能计算得到:
Figure BDA0001951271630000052
描述一个稳定的悬浮点，需要对Gorkov势求拉普拉斯算子，表示声辐射力从各方向收敛与悬浮点，由此建立目标方程：
Figure BDA0001951271630000061
其中|p|为悬浮点的声压有效值，
Figure BDA0001951271630000062
为U的拉普拉斯算子；
(1.2)建立目标方程后，使用BFGS优化方法对目标方程求极小值最优解，得到悬浮所需的相位
Figure BDA0001951271630000063
使用BFGS算法，只需要用到一阶导数，不需要计算Hessian矩阵，及其逆矩阵，能够更快收敛；
(1.3)计算得到的相位信息，通过串口通讯方式发送给控制器2。
以12×12阵列为例，设置在阵列中心上方3.5cm处为悬浮点，小球半径为3mm，ρ0为1.20kg/m3，c0为345m/s，ρp为30kg/m3，cp为900m/s，在Matlab中代入数值计算，得到相位信息如图6所示，其数值取值范围为(-π，π)。
所述步骤(2)和步骤(3)中，由于单面超声传感器阵列5中的超声波探头数目较多，且对相位时序控制较为严格，所以使用控制器2加多块FPGA模块3的控制方式。控制器2接收上位机1的信息，并向各个FPGA模块3发送相位信息并控制各个FPGA模块3协同工作，各个FPGA模块3使用相同的时钟信号，保证工作系统时钟一致。
工作时，通过计算超声阵列的相位，在单面超声传感器阵列5上方产生特定的声场将物体悬浮起来，与传统超声驻波悬浮相比，克服了目前超声驻波悬浮的缺点，无需反射元件，不仅大大简化了声悬浮的硬件设备，还使得悬浮物体不需要被声学元件包围，悬浮物体可以在开放空间下进行，在可操控性方面也得到了极大的改善，阵列式悬浮形成的声场可以轻易的完成特定轨迹的移动，从而摆脱了驻波节点的束缚，极大的扩展了声悬浮技术的应用场景，特别适用于非接触式材料加工与运输、生物实验等。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它结构的系统及方法，均在本发明保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)启动上位机，根据预设的悬浮目标的大小和位置，通过上位机计算出单面超声传感器阵列所需的相位信息，并将相位信息发给控制器；
(2)控制器将相位信息分发给各个FPGA模块；
(3)FPGA模块根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号；
(4)驱动电路将从FPGA模块引脚发出的方波信号进行功率放大，并输出到单面超声传感器阵列；
(5)单面超声传感器阵列发出相位不同的超声波，在单面超声传感器阵列上方形成特定的声场，悬浮目标在悬浮点受到的声辐射力最小，从而将悬浮目标悬浮在特定的位置；
(6)通过改变上位机发送的悬浮位置的相位，实时改变悬浮目标的位置，实现悬浮目标的移动、旋转及相应动作控制；
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
计算悬浮点的Gorkov势能:
Figure FDA0003317616990000011
其中，c表示声传播速度，ρ表示密度，下标0表示介质，p表示悬浮物体；
悬浮物体在声场中所受的声辐射力可以由Gorkov势能计算得到:
Figure FDA0003317616990000012
描述一个稳定的悬浮点，对Gorkov势求拉普拉斯算子，表示声辐射力从各方向收敛与悬浮点，由此建立目标方程：
Figure FDA0003317616990000021
其中|p|为悬浮点的声压有效值，
Figure FDA0003317616990000022
为U的拉普拉斯算子；
(1.2)建立目标方程后，使用BFGS优化方法对目标方程求极小值最优解，得到悬浮所需的相位
Figure FDA0003317616990000023
(1.3)计算得到的相位信息，通过串口通讯方式发送给控制器。
2.根据权利要求1所述的基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其特征在于：各个FPGA模块使用相同的时钟信号。
3.根据权利要求1所述的基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其特征在于：所述驱动电路使用TC4427功率放大芯片。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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