CN113118008B - 基于超声波的无接触悬浮操控方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的无接触悬浮操控方法和装置，包括底座及竖直设置在其上的连接固定支架，连接固定支架两端分别设有第一和第二超声波声源发生模块；第一和第二超声波声源发生模块分别包括第一和第二调节升降模块；第一、第二调节升降模块端部依次设置有第一、第二超声换能器，一级、二级、三级和四级变幅杆；且四级变幅杆的端部分别连接有第一、第二发射端；第一、第二发射端之间形成悬浮空间；第一、第二调节升降模块通过信号连接线与电源控制系统连通。本发明采用双超声波声源，通过对双束相向超声波参数有效调控和优化配置，实现对物体形状控制和旋转运动，在此基础上开展物体的连续移动、往复振动和旋转等多维度操控。

Description

基于超声波的无接触悬浮操控方法和装置

技术领域

本发明属于超声悬浮设备技术领域，具体而言，涉及一种可用于大尺寸物体的基于超声波的无接触悬浮操控方法和装置。

背景技术

传统的接触传输技术有着许多弊端，如在生产加工过程中的微小颗粒会划伤材料表面、接触部位会产生污染、磨损和变形等缺陷，这就要求传统的接触式操作方式亟需更新换代，一种可以降低工件表面的机械磨损，元件加载力小，有效避免材料的接触污染，降低次品率并提高加工效率的操控技术亟需出现。此外，在生物医学领域，接触式操作将为细胞等活性物质引入污染，同时培养皿等的器壁不利于细胞和高活性物质的自由生长，容易为生物或医药活性物质的生长带来一种方向性限制。

非接触操控技术有磁悬浮、光悬浮、静电悬浮、气动悬浮、超声悬浮等。超声悬浮装置的特点是可以利用超声波产生的力实现固态或液态物体的悬浮，尤其对于需要避免表面或容器接触带来的污染以及要求提供物体自由表面等情况具有重要意义。超声悬浮装置可实现物体的无接触悬浮、操控、移动、定位和捕获等，具有非常广泛的应用领域，可应用于多种材料的无容器熔凝处理过程，作为无接触化学反应器，开展自由液滴的扩散、传热、燃烧和光学现象研究，以及特定条件下的细胞生物学等研究。目前常用的超声悬浮有三轴式超声悬浮技术，单轴式超声悬浮技术和多换能器阵列的超声悬浮技术，超声悬浮相比其他悬浮技术而言，具有结构简单，装置小巧，且对被悬浮物体材料的物理性质和外部环境无特殊要求，具有较好的悬浮能力和灵活的操控性，因而该技术可应用于高精密电子元器件如芯片等的无损传输，还可用于生物、医学和药物领域，如细胞培养，蛋白质结晶和药物释放等需要洁净环境的高精密操作过程。

但是现有技术中的超声悬浮装置，主要是由单个大功率超声换能器或多个小功率超声换能器阵列组成，对于以单个大功率超声换能器为主的超声悬浮装置，由于技术原理的限制仅能实现尺寸小于半波长物体的稳定悬浮，且不能实现悬浮物体的灵活操控；而对于由多个小功率超声换能器阵列组成的超声悬浮装置，虽具备悬浮物体的灵活操控能力，但其悬浮能力较小且仅适用于小尺寸物体的稳定悬浮，这都大大限制了超声悬浮技术的应用领域。

发明内容

本发明旨在提供一种基于超声波的无接触悬浮操控方法和装置，能够大大提高悬浮能力，实现大尺寸悬浮物体的连续移动、往复振动和旋转等多维度操控。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于超声波的无接触悬浮操控装置，包括底座及竖直设置在其上的连接固定支架，所述连接固定支架的两端分别设有第一超声波声源发生模块和第二超声波声源发生模块；第一超声波声源发生模块包括第一调节升降模块，第二超声波声源发生模块包括第二调节升降模块；所述第一调节升降模块、第二调节升降模块的端部相应地依次连接有第一、第二超声换能器，第一、第二一级变幅杆、第一、第二二级变幅杆、第一、第二三级变幅杆和第一、第二四级变幅杆；且第一、第二四级变幅杆的端部分别连接第一发射端和第二发射端；所述第一发射端和第二发射端之间形成悬浮空间；所述第一调节升降模块、第二调节升降模块通过信号连接线与电源控制系统连接。

优选地，所述电源控制系统包括工控机、信号发生器和功率放大器；电源信号经工控机的程序控制由信号发生器产生，经功率放大器进行信号放大后分别输入第一、第二超声换能器，经第一、第二超声换能器发出的两束超声波分别依次通过第一、第二一级变幅杆、第一、第二二级变幅杆、第一、第二三级变幅杆和第一、第二四级变幅杆传播至第一发射端、第二发射端，从而实现对待悬浮物体的灵活操控。

优选地，所述第一发射端和第二发射端相对放置，间距可调且同轴。

优选地，所述第一发射端和第二发射端的间距为0.5λ～8.0λ。

优选地，所述第一发射端和第二发射端的间距为1.5λ～3.5λ。

优选地，所述第一发射端和第二发射端均呈喇叭状曲面结构。

优选地，所述第一发射端和第二发射端的曲面曲率为20～60mm。

优选地，所述第一、第二一级变幅杆、第一、第二二级变幅杆、第一、第二三级变幅杆和第一、第二四级变幅杆为多级变幅杆，根据装置的工作要求可以灵活调节每级变幅杆的几何形状和尺寸，也可以采用单级变幅杆或多级变幅杆。

优选地，所述第一和第二超声波声源发生模块均通过电源控制系统分别控制，发射的超声波的频率为20kHz～10MHz；相位差为0～2π。

优选地，对于特征尺寸为厘米级的物体，超声波频率为20～35kHz。

优选地，对于特征尺寸为毫米级的物体，超声波频率为20～500kHz。

优选地，对于特征尺寸为微米级的物体，超声波频率为1～10MHz。

优选地，所述悬浮空间内的工作环境为液体和气体。

优选地，所述第一超声波声源发生模块和所述第二超声波声源发生模块对称放置，其为竖直放置或水平放置，或两个超声波声源模块的对称轴与重力方向具有一定的夹角。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于超声波的无接触悬浮操控装置的操控方法，包括以下步骤：S1、打开电源控制系统；S2、信号发生器在工控机的程序控制下产生电源信号，经功率放大器信号放大后分别输入第一、第二超声换能器，两个超声换能器发出的两束超声波依次经第一、第二一级变幅杆、第一、第二二级变幅杆、第一、第二三级变幅杆和第一、第二四级变幅杆进行放大分别传播至第一发射端、第二发射端；S3、待悬浮空间的超声波稳定后，将待悬浮物体放入悬浮空间进行操作；S4、改变信号发生器产生的信号频率和相位，通过功率放大器改变超声波振幅，调整两个超声波相位差和振幅的变化从而实现物体沿对称轴的双向运动、往复振动或者形状控制和旋转运动。

根据本发明的又一方面，还提供了一种基于超声波的无接触悬浮操控装置在材料科学、生物医学，物理化学和精密机械制造领域的应用。

优选地，所述基于超声波的无接触悬浮操控装置在研究典型样品共振及自由液滴的动力学规律、研究受控的液滴蒸发和冷凝变化以及液滴蒸发过程中的晶体生长，研究物质的扩散、传热、燃烧和光学特性以及研究细胞生物体特征规律中的应用。

本发明的有益效果：

1)本发明采用两束超声波声源，通过对两束相向放置的超声波参数(超声频率、相位和振幅等)进行有效调控和优化配置，实现了对物体(液体或固体：包括元器件，细胞等生物材料以及药物微单元，纳米溶液等)的悬浮和无接触操控，两个超声波声源可以通过电源控制系统分别控制两束超声波的频率、相位和振幅，通过对超声波相位差的变化调节可以实现物体沿对称轴的连续移动、双向运动和往复振动，具有操作灵活和方便可控的优点。通过对两个声源振幅的调节，可以改变悬浮物体表面的声压分布，实现物体的形状控制和旋转运动，在此基础上开展物体的连续移动，往复振动，旋转等多维度操控，该装置和方法可用于固体或液体的无接触探测、传输、捕获和操控，在机械工程、材料科学和生物化学等领域具有重要应用。

2)本发明的悬浮操控装置通过对输入信号频率，振幅和相位的有效控制以及对声源间距和几何尺寸的合理设计，可以实现微米至厘米量级大尺寸物体的稳定悬浮，同时可以实现物体的连续运动，往复振动和旋转等。该非接触操控技术对元器件进行加工处理，可有效降低表面的机械磨损，元件局部变形小，避免接触过程中对材料的污染，降低次品率并提高加工效率。该非接触操控技术对细胞等生物物质进行悬浮处理，可有效降低器械操作对细胞造成的损伤，防止容器接触对细胞及其培养液体带来的污染，同时便于对细胞环境液体或气体进行调节，提高实验的成功率和结果的可靠性。

3)相比于现有的超声悬浮技术，本发明的悬浮装置具有悬浮物体尺寸大，悬浮能力强，可操控性好等优点。如现有的单轴式超声悬浮仅可悬浮起直径为3-5mm的物体，悬浮物体体积小，而本发明可以实现大体积物体的超声悬浮(直径大于10mm大尺寸物体的悬浮、传输、捕获、操控)，如当采用频率为21KHz，波长为16mm的超声波，可以实现直径为15.5mm，厚度为3.5mm薄块物体的悬浮。此外，本发明的超声悬浮装置与三轴式超声悬浮和多阵列超声悬浮技术相比能耗更低，具有节约使用空间，低成本，低能耗和灵活操控等优点。

附图说明

图1为本发明的基于超声波的无接触悬浮操控装置的结构示意图。

图2为本发明的基于超声波的无接触悬浮操控装置的电源控制系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。

综合参考图1和图2，本发明提供了一种基于超声波的无接触悬浮操控装置，包括底座16及竖直设置在其上的连接固定支架15。在连接固定支架15的上端连接第一超声波声源发生模块(当竖直放置时)，在连接固定支架15的下端连接第二超声波声源发生模块。其中，第一超声波声源发生模块包括第一调节升降模块1和位于第一调节升降模块1下端依次连接的第一超声换能器2、第一一级变幅杆3、第一二级变幅杆4、第一三级变幅杆5和第一四级变幅杆6。

如图1所示，由于位于上方的第一超声波声源发生模块和位于下方的第二超声波声源发生模块是对称设置的，相应地，第二超声波声源发生模块包括第二调节升降模块14和位于第二调节升降模块14端部依次连接的第二超声换能器13、第二一级变幅杆12、第二二级变幅杆11、第二三级变幅杆10和第二四级变幅杆9。位于上方的第一四级变幅杆6的端部连接有第一发射端7，位于下方的第二四级变幅杆9的端部连接有第二发射端8。第一发射端7和第二发射端8之间形成驻波声场，用于操控待悬浮物体。

如图1和图2所示，第一、第二调节升降模块1，14通过信号连接线17与电源控制系统18连通。电源控制系统18包括工控机19、信号发生器20和功率放大器21。电源信号经工控机19的程序控制由信号发生器20产生，经功率放大器21进行信号放大后分别输入第一、第二超声换能器2，13，经超声发出的两束超声波依次通过第一、第二一级变幅杆3，12、第一、第二二级变幅杆4，11、第一、第二三级变幅杆5，10和第一、第二四级变幅杆6，9多次放大后分别传播至第一发射端7和第二发射端8，从而实现对待操控物体进行操控。

本发明的无接触悬浮操控装置通过对输入信号频率、振幅和相位的有效控制以及对超声波声源间距和发射端几何尺寸的合理设计，可以实现微米至厘米量级大尺寸物体的稳定悬浮，同时可以实现物体的连续运动、往复振动和旋转等，对材料科学、生物医学和机械制造等多个领域无接触输运、捕获和操控等具有重要意义。该装置可以在气体和液体环境中开展连续工作，实施对象不受材料电学和磁学性质的限制且可操作对象的尺寸具有大尺度范围的可调性。

根据本发明，第一发射端7和第二发射端8相对放置，间距可调且同轴。其中，第一发射端7和第二发射端8的间距为0.5λ～8.0λ(λ为超声波波长)。优选第一发射端7和第二发射端8的间距为1.5λ～3.5λ。

考虑到曲面结构有利于提高大体积物体的悬浮能力和悬浮稳定性，从而能够实现大体积和高密度物体的稳定悬浮，因此，本发明将第一发射端7和第二发射端8设计为喇叭状曲面结构。优选地，第一发射端7和第二发射端8的曲面曲率为20～60mm。

本发明可以对第一和第二发射端的间距和发射端几何形状及尺寸进行改变，在悬浮物体尺寸达到或超过声波波长的情况下，两束超声波叠加形成的声场可以实现直径大于10mm大尺寸物体的稳定悬浮。

为了更好地对悬浮物体进行操控，本发明采用多级振幅放大模式，优选四级变幅杆放大系统。本发明还可以根据实际使用需求和悬浮效果，将变幅杆放大系统简化为三级变幅杆、二级变幅杆或单级变幅杆模式。

本发明通过电源控制系统18分别控制第一和第二超声波声源发生模块，所发射超声波频率为20kHz～10MHz；相位差为0～2π。随着超声波频率的增加，超声波波长不断减小，可以悬浮物体的尺寸减小。对于特征尺寸为厘米级的物体，超声波频率为20～35kHz。对于特征尺寸为毫米级的物体，超声波频率为20～500kHz。对于特征尺寸为微米级的物体，超声波频率为1～10MHz。

本发明所涉及的超声波无接触悬浮操控装置，采用两个相对的声源就可以有效提高声场强度，增强装置的悬浮力，实现对超声场和悬浮物体的灵活控制。两个超声波声源可以通过工控机19的程序控制改变信号发生器20产生的信号频率和相位，通过功率放大器21改变超声波的振幅，通过两个声源相位差的变化调节可以实现物体沿对称轴的连续移动、双向运动和往复振动，具有操作灵活和方便可控的优点；通过对两个声源振幅的调节，可以改变悬浮物体表面的声压分布，实现物体的形状控制和旋转运动。

本发明的装置可以将大尺寸物体悬浮在超声场的声压波节处，可以同时实现一个物体或多个物体的悬浮。其工作环境可以为液体和气体，可以水平或竖直放置，能够实现固体、液体和气泡的稳定悬浮，可用于开展悬浮物体如多种材料(金属，陶瓷，聚合物等)的无接触加热、熔化以及冷却和凝固过程研究。本发明可以研究典型样品共振及自由液滴的动力学规律，可以研究受控的液滴蒸发和冷凝变化以及液滴蒸发过程中的晶体生长，还可以研究物质的扩散、传热、燃烧和光学特性等以及研究细胞等生物体的特征规律。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于超声波的无接触悬浮操控装置的操控方法，包括以下步骤：打开电源控制系统18，控制工控机19使得信号发生器20产生电源信号，经功率放大器21信号放大后分别输入第一、第二超声换能器2，13，之后发出的两束超声波依次经第一、第二一级变幅杆3，12、第一、第二二级变幅杆4，11、第一、第二三级变幅杆5，10和第一、第二四级变幅杆6，9分别传播至第一、第二发射端7，8。待悬浮空间的超声波稳定后，将待悬浮物体放入悬浮空间进行操作。待悬浮物体在悬浮空间内的工作环境可以为液体和气体。改变信号发生器20产生的信号频率和相位，通过功率放大器21改变超声波振幅，调整两个超声波相位差和振幅的变化从而实现物体沿对称轴的连续移动、双向运动、往复振动或者形状控制和旋转运动。

根据本发明的又一方面，还提供了一种基于超声波的无接触悬浮操控装置在材料科学、生物医学，物理化学和精密机械制造领域的应用。

优选地，基于超声波的无接触悬浮操控装置在研究典型样品共振及自由液滴的动力学规律、研究受控的液滴蒸发和冷凝变化以及液滴蒸发过程中的晶体生长，研究物质的扩散、传热、燃烧和光学特性以及研究细胞等生物体特征规律中的应用。

以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，包括底座(16)及竖直设置在其上的连接固定支架(15)，所述连接固定支架(15)的两端分别设有第一超声波声源发生模块和第二超声波声源发生模块；第一超声波声源发生模块包括第一调节升降模块(1)，第二超声波声源发生模块包括第二调节升降模块(14)；所述第一调节升降模块(1)、第二调节升降模块(14)的端部相应地依次连接有第一、第二超声换能器(2，13)，第一、第二一级变幅杆(3，12)、第一、第二二级变幅杆(4，11)、第一、第二三级变幅杆(5，10)和第一、第二四级变幅杆(6，9)；且所述第一、第二四级变幅杆(6，9)的端部分别连接第一发射端(7)和第二发射端(8)；所述第一发射端(7)和第二发射端(8)之间形成悬浮空间；所述第一调节升降模块(1)、第二调节升降模块(14)通过信号连接线(17)与电源控制系统(18)连接；

所述第一发射端(7)和第二发射端(8)均呈喇叭状曲面结构；所述第一发射端(7)和第二发射端(8)的曲面曲率为20～60mm；

所述第一和第二超声波声源发生模块均通过电源控制系统(18)分别控制，发射的超声波的频率为20kHz～10MHz；相位差为0～2π。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，所述电源控制系统(18)包括工控机(19)、信号发生器(20)和功率放大器(21)；电源信号经工控机(19)的程序控制由信号发生器(20)产生，经功率放大器(21)进行信号放大后分别输入第一、第二超声换能器(2，13)，经所述第一、第二超声换能器(2，13)发出的两束超声波分别依次通过第一、第二一级变幅杆(3，12)、第一、第二二级变幅杆(4，11)、第一、第二三级变幅杆(5，10)和第一、第二四级变幅杆(6，9)传播至第一发射端(7)、第二发射端(8)，从而实现对待悬浮物体的灵活操控。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，所述第一发射端(7)和第二发射端(8)相对放置，间距可调且同轴。

4.根据权利要求1所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，所述第一发射端(7)和第二发射端(8)的间距为0.5λ～8.0λ。

5.根据权利要求4所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，所述第一发射端(7)和第二发射端(8)的间距为1.5λ～3.5λ。

6.根据权利要求1所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，对于特征尺寸为厘米级的物体，超声波频率为20～35kHz。

7.根据权利要求1所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，对于特征尺寸为毫米级的物体，超声波频率为20～500kHz。

8.根据权利要求1所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，对于特征尺寸为微米级的物体，超声波频率为1～10MHz。

9.根据权利要求1所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，所述悬浮空间内的工作环境为液体和气体。

10.根据权利要求1所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置，其特征在于，所述第一超声波声源发生模块和所述第二超声波声源发生模块对称放置，其为竖直放置或水平放置，或两个超声波声源模块的对称轴与重力方向具有一定的夹角。

11.一种如权利要求1-10之一所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置的操控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、打开电源控制系统(18)；

S2、信号发生器(20)在工控机(19)的程序控制下产生电源信号，经功率放大器(21)信号放大后分别输入第一、第二超声换能器(2，13)，两个超声换能器发出的两束超声波依次经第一、第二一级变幅杆(3，12)、第一、第二二级变幅杆(4，11)、第一、第二三级变幅杆(5，10)和第一、第二四级变幅杆(6，9)进行放大分别传播至第一发射端(7)、第二发射端(8)；

S3、待悬浮空间的超声波稳定后，将待悬浮物体放入悬浮空间进行操作；

S4、改变信号发生器(20)产生的信号频率和相位，通过功率放大器(21)改变超声波振幅，调整两个超声波相位差和振幅的变化从而实现物体沿对称轴的双向运动、往复振动或者形状控制和旋转运动。

12.权利要求1至10中任一项所述的基于超声波的无接触悬浮操控装置在材料科学、生物医学、物理化学和精密机械制造领域的应用。

13.权利要求1至10中任一项所述基于超声波的无接触悬浮操控装置在研究典型样品共振及自由液滴的动力学规律、研究受控的液滴蒸发和冷凝变化以及液滴蒸发过程中的晶体生长，研究物质的扩散、传热、燃烧和光学特性以及研究细胞生物体特征规律中的应用。

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