CN113173424B - 一种基于液体薄层超声效应的无接触传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液体薄层超声效应的无接触传输方法和装置，包括信号发生器和与其连接的功率放大器，功率放大器一端连接有用于显示和监测输出电信号波形特征的示波器，另一端与超声换能器连接；变幅杆一端连接有超声换能器，另一端紧密连接有发射端，且发射端的端面涂有液体介质薄层；电信号由信号发生器发出，经功率放大器放大后输入至超声换能器，将电信号转换为机械振动并通过变幅杆放大后在发射端发出超声波，在液体介质薄层的辅助下吸附起待吸附物体如液态、固态及药物微单元等。利用超声波在液体薄膜中产生的流体力学现象和空化效应等实现物体的吸附，吸附物体尺寸大，重量高，稳定性好，能够实现对物体的长/中/短距离和长时间无接触传输。

Description

一种基于液体薄层超声效应的无接触传输方法和装置

技术领域

本发明属于超声悬浮设备技术领域，具体而言，涉及一种基于液体薄层超声效应的无接触传输方法和装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，电子电气等行业对小型化和高精密生产的要求越来越高。许多元器件对表面精度有着极为苛刻的要求，由于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，这样亟需出现一种可以降低工件表面机械磨损，元件加载力小且能够有效避免材料接触污染，降低次品率并提高加工效率的操控技术。采用非接触传输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。

发明内容

本发明旨在提供一种基于液体薄层超声效应的无接触传输方法和装置，利用液体薄层中的超声效应实现对物体的吸附能力，从而实现对物体的长/中/短距离传输。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于液体薄层超声效应的无接触传输装置，包括信号发生器和与其连接的功率放大器，功率放大器一端连接有用于显示和监测输出电信号波形特征的示波器，另一端与超声换能器连接；变幅杆一端与超声换能器紧密连接，另一端紧密连接有发射端，发射端的端面上涂有液体介质薄层；电信号由信号发生器发出，经由功率放大器放大后输入至超声换能器，超声换能器将电信号转换为机械振动并通过变幅杆放大后在发射端发出超声波，在液体介质薄层的辅助下吸附起待吸附物体。

根据本发明，所述发射端的端面为平面，其尺寸为5～50mm。

根据本发明，所述液体介质薄层的厚度为10μm～5mm。

根据本发明，在所述发射端的端面周侧设置有液体雾化器或湿度仪，以降低和测定液体介质的蒸发速率。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于液体薄层超声效应的无接触传输装置传输吸附物体的方法，包括以下步骤：S1、在发射端的端面上加载液体介质薄层；S2、打开信号发生器的开关，输出电信号经过功率放大器放大后输入至超声换能器，超声换能器将功率放大器放大后输入的电信号转换为机械振动并通过变幅杆放大后在发射端发出超声波；S3、在液体介质薄层的辅助下吸附起待吸附物体。

根据本发明，通过示波器显示和监测输出电信号的波形特征。

根据本发明，液体介质薄层为有机溶液或无机溶液，优选为水、酒精、硅油和细胞培养液体等。

根据本发明，液体介质的表面张力为1～1000mN/m；黏度为0.1～1000mPa·s。

本发明的有益效果

1)本发明采用超声发生器发射超声波，借助超声波在液体薄膜中产生的复杂超声效应包含流体力学现象和空化效应等实现对大体积液体和固体的吸附，吸附能力强，可吸附物体尺寸大，重量高，稳定性好，与环境温度和湿度的相关性不大，从而实现对物体的长/中/短距离和长时间的无接触传输。本发明还可以通过改变超声发射面的尺寸、液体介质的性质(包含表面张力，黏度等)以及超声功率等可以实现不同体积和重量物体(包括液体材料、固体材料以及药物微单元等)的无损操控，有望在机械工程，材料科学、生物医学和物理化学等领域具有重要应用。如采用本发明的无接触传输装置，以水为介质液体，采用频率为21kHz的超声发生器，当平面发射端直径为24mm时，可以吸附重量高达150g的物体，稳定性较高，能够实现长距离无损运输。

2)该无损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。该无损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和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。

附图说明

图1为本发明的基于液体薄层超声效应的无接触传输装置的结构示意图。

图2为本发明的基于液体薄层超声效应的无接触传输装置的最大吸附质量随超声输入功率的变化关系图。

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所示，基于液体薄层超声效应的无接触传输装置包括信号发生器1和与其连接的功率放大器2，示波器3与功率放大器2直接连接，超声换能器4与功率放大器2和变幅杆5紧密连接。变幅杆5的一端与发射端6紧密连接，发射端6的端面涂有液体介质薄层7。电信号由信号发生器1发出，经由功率放大器2放大后输入至超声换能器4，与功率放大器2直接连接的示波器3显示和监测输出电信号的波形特征，超声换能器4将电信号转换为机械振动并通过变幅杆5放大后在发射端6发出超声波，在液体介质薄层7的辅助下吸附起待吸附物体8。

如图1所示，发射端6的端面可为平面，其尺寸为5～50mm。发射端6也可以根据待吸附物体8的吸附表面形状设计，如在本发明的其他图中未示出的实施例中，当待吸附物体呈球形时，发射端6的端面可以为开口向下的凹面，曲率与待吸附物体一致。发射端6的端面还可以吸附大体积液体材料，与未施加超声相比，可吸附液态物体的质量增加5-10倍。

根据本发明，液体介质为有机溶液或无机溶液，优选为水、酒精、硅油和细胞培养液体等。液体介质薄层的厚度为微米和毫米量级，约为10μm～5mm。

本发明还提供了一种基于液体薄层超声效应的无接触传输装置传输吸附物体的方法，包括以下步骤：S1、在发射端6的端面上加载液体介质薄层7；S2、打开信号发生器1的开关，输出电信号经过功率放大器2放大后输入至超声换能器4，超声换能器4将功率放大器2放大后输入的电信号转换为机械振动并通过变幅杆5放大后在发射端6发出超声波；S3、在液体介质薄层7的辅助下吸附起待吸附物体8。其中，通过示波器3显示和监测输出电信号的波形特征。

图2为基于液体薄层超声效应的无接触传输装置的最大吸附质量随超声输入功率的变化关系图，可以看出，待吸附物体8的质量随输入功率的增大不断增大，当超声波频率为21kHz，发射端平面直径为24mm，液体介质为水的条件下，吸附物体质量高达150g。

本发明的液体介质可以更换为酒精、硅油等其他的有机和无机溶液，比如通过改变液体介质的表面张力和粘度等特性来调节吸附重物的最大质量。其中，液体介质的表面张力为1～1000mN/m；黏度为0.1～1000mPa·s。当改变液体介质的性质如表面张力和黏度时，吸附物体的最大质量随之改变，如液体介质的表面张力从24mN/m增加至70mN/m时，最大吸附物体质量由70g增加至125g。此外，还可通过增大发射端面的面积提高待吸附物体8的质量。

在本发明的其他实施例中，还可在发射端6的端面附近增加一个液体雾化器或湿度仪，降低和监测液体介质的蒸发速率，延长工作时间，提高无接触传输的稳定性。

本发明的超声功率可以通过改变超声换能器4的输入功率实现，通过功率放大器2进行调节，示波器3可以显示输出电信号的频率和幅值，根据被吸附物体的质量要求连续可调。

本发明采用超声发生设备发出超声波，借助超声波在液体薄膜中产生的流体力学现象和空化效应实现对物体的吸附，可吸附物体尺寸大，重量高，稳定性好，与环境温度和湿度的相关性不大，从而实现对物体的长/中/短距离和长时间的无损稳定传输。通过改变发射端6的端面尺寸、液体介质的性质(包含表面张力，黏度等)以及超声功率等可以实现不同体积和重量物体(包括液体材料和固体材料以及药物微单元等)的无损操控，有望在机械工程，材料科学、生物医学和物理化学等领域具有重要应用。如采用本发明的无接触传输装置，以水为介质液体，采用频率为21kHz的超声发生器，当发射端为平面且直径为24mm，可以吸附重量高达150g的物体，稳定性较高，能够实现长距离无损运输。

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 (9)

1.一种基于液体薄层超声效应的无接触传输装置，其特征在于，包括信号发生器（1）和与其连接的功率放大器（2），功率放大器（2）一端连接有用于显示和监测输出电信号波形特征的示波器（3），另一端与超声换能器（4）连接；变幅杆（5）一端与超声换能器（4）紧密连接，另一端紧密连接有发射端（6），所述发射端（6）的端面上涂有液体介质薄层（7）；

电信号由信号发生器（1）发出，经由功率放大器（2）放大后输入至超声换能器（4），超声换能器（4）将电信号转换为机械振动并通过变幅杆（5）放大后在发射端（6）发出超声波，在液体介质薄层（7）的辅助下吸附起待吸附物体（8）。

2.根据权利要求1所述的基于液体薄层超声效应的无接触传输装置，其特征在于，所述发射端（6）的端面为平面，其尺寸为5~50mm。

3.根据权利要求1所述的基于液体薄层超声效应的无接触传输装置，其特征在于，所述液体介质薄层的厚度为10μm~5mm。

4.根据权利要求1所述的基于液体薄层超声效应的无接触传输装置，其特征在于，在所述发射端（6）的端面周侧设置有液体雾化器或湿度仪，以降低和监测液体介质的蒸发速率。

5.利用根据权利要求1至4中任一项所述基于液体薄层超声效应的无接触传输装置传输吸附物体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在发射端（6）的端面上加载液体介质薄层（7）；

S2、打开信号发生器（1）的开关，输出电信号经过功率放大器（2）放大后输入至超声换能器（4），超声换能器（4）将功率放大器（2）放大后输入的电信号转换为机械振动并通过变幅杆（5）放大后在发射端（6）发出超声波；

S3、在液体介质薄层（7）的辅助下吸附起待吸附物体（8）。

6.根据权利要求5所述的传输吸附物体的方法，其特征在于，通过示波器（3）显示和监测输出电信号的波形特征。

7.根据权利要求5所述的传输吸附物体的方法，其特征在于，所述液体介质薄层为有机溶液或无机溶液。

8.根据权利要求7所述的传输吸附物体的方法，其特征在于，所述液体介质薄层为水、酒精、硅油和细胞培养液体。

9.根据权利要求5所述的传输吸附物体的方法，其特征在于，所述液体介质薄层的表面张力为1~1000mN/m；黏度为0.1~1000mPa·s。

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