基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置。包括與多通道高頻寬帶線性功放模塊連接的超聲換能器環(huán)形陣列組；超聲換能器環(huán)形陣列組包括圓形底盤、卡槽塊和矩形超聲換能器，圓形底盤的外圓周上間隔均布設有十八個安裝槽，每個安裝槽中心設有通孔，十八個卡槽塊安裝在各自安裝槽上，卡槽塊兩側設有卡槽；相鄰兩個安裝槽之間均裝有矩形超聲換能器，矩形超聲換能器兩側卡在卡槽內；矩形超聲換能器包括兩個L型銅箔片、鋁質障礙板和矩形壓電陶瓷片。本發(fā)明通過超聲換能器環(huán)形陣列組產生超聲信號，利用聲場合成技術及調整相應的聲信號參數，合成預期的聲場，實現對多個微納尺度物體的并行操縱。
【專利說明】基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聲場合成與并行操縱的裝置，尤其是涉及一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置。
【背景技術】
[0002]隨著科學與技術的不斷深入發(fā)展，人類的研究領域逐漸由宏觀世界轉向到了微觀世界。特別是近些年，微納制造技術和生命科學技術迅猛發(fā)展，清晰地向人們展現了一個嶄新的微觀世界，為基礎科學的研究提供了理想的研究對象和令人振奮的工程應用背景。但無論是在微納制造領域還是在生命科學領域，都需要對研究對象進行有效的操縱，尤其是進行有效的非接觸無損操縱。不僅如此，隨著微觀領域研究的不斷深入，人們往往更迫切地希望能夠同時操縱多個物體，例如在生命科學領域，面對多蛋白、多細胞的融合實驗，為了更充分展現蛋白與細胞膜之間的作用機理，往往更需要同時操縱多個對象。并且，在靶向藥物實驗中，我們更希望能夠同時操縱藥物與病態(tài)細胞，以便能夠充分地調整它們各自的位姿，使其能夠更加充分和精確地相結合。特別是在微納制造領域，隨著微納器件從單構件單功能向多構件多功能的集成化快速發(fā)展，人們對操縱的形式、精度提出了更高的要求，單個微納尺度物體的操縱已不能滿足微納系統(tǒng)集成化的發(fā)展需求，基于并行操縱的微裝配技術是大勢所趨。可見，基于超聲聲場的并行操縱技術日益體現出其重要性和急迫性。
[0003]目前，根據現有的專利申請情況，基于微構件的超聲輻射力非接觸遙操縱，已有的專利有:《微構件的二維旋轉遙操縱方法》(申請?zhí)?00710066775.9)、《微構件的二維平移遙操縱方法》(申請?zhí)?00610155275.8)。雖然這兩個都涉及超聲操縱技術，但由于其只能實現單一的聲場合成，在對微納尺度物體的操縱上也僅局限于單微納尺度物體的操縱水平，在面對復雜聲場的合成及多個微納尺度物體的并行操縱顯得力不從心，故其在多個微納尺度物體并行操縱與微裝配領域的應用范圍受到了很大的限制。

【發(fā)明內容】

[0004]正是基于目前現有的超聲操縱技術無法實現復雜聲場合成與多個微納尺度物體并行操縱的缺陷與不足，本發(fā)明提出一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，基于超聲換能器環(huán)形陣列組產生超聲信號，利用超聲聲場合成理論，實現所需聲場合成，并通過改變超聲信號參數形成預期的聲場，實現對該聲場中多個微納尺度物體的柔性化復合式并行聲操縱的裝置。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:
[0006]本發(fā)明包括工控機、多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器、多通道高頻寬帶線性功放模塊、高幀率數碼攝像機和圖像并行處理模塊，工控機通過PXI總線分別與多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器及圖像并行處理模塊相連接，多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器與多通道高頻寬帶線性功放模塊相連接，圖像并行處理模塊與高幀率數碼攝像機相連接；還包括超聲換能器環(huán)形陣列組，超聲換能器環(huán)形陣列組與多通道高頻寬帶線性功放模塊相連接；超聲換能器環(huán)形陣列組包括圓形底盤、卡槽塊和矩形超聲換能器，圓形底盤的外圓周上間隔均布設有十八個安裝槽，每個安裝槽中心設有通孔，十八個卡槽塊安裝在各自的安裝槽上，卡槽塊的兩側設有沿平行于圓形底盤中心軸的卡槽；相鄰兩個安裝槽之間均裝有矩形超聲換能器，矩形超聲換能器的兩側卡在卡槽塊的卡槽內。
[0007]所述的矩形超聲換能器包括兩個L型銅箔片、鋁質障礙板和矩形壓電陶瓷片；矩形壓電陶瓷片的兩側分別與一個L型銅箔片粘接，矩形壓電陶瓷片其中一側的L型銅箔片與鋁質障礙板粘接，鋁質障礙板與L型銅箔片粘接的一側均勻涂有薄層絕緣漆，鋁質障礙板的兩側卡在卡槽塊的卡槽內，鋁質障礙板涂有薄層絕緣漆的一側朝向圓形底盤的中心。
[0008]所述的卡槽塊通過螺栓固定在圓形底盤的安裝槽上，螺栓穿過安裝槽中心的通孔與卡槽塊連接。
[0009]所述的安裝槽的底面形狀與卡槽塊的底面形狀相同。
[0010]所述的L型銅箔片通過改性丙烯酸酯膠黏劑與鋁質障礙板粘接。
[0011]所述的矩形壓電陶瓷片通過導電銀膠與兩側的L型銅箔片粘接。
[0012]所述的圓形底盤上表面的粗糙度至多為Ral.6。
[0013]所述的矩形超聲換能器、圓形底盤和卡槽塊通過環(huán)氧樹脂灌膠方式進行封裝。
[0014]所述的多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器、多通道高頻寬帶線性功放模塊均含有十八路獨立同步通道。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]本發(fā)明通過采用超聲換能器環(huán)形陣列組可以合成穩(wěn)定的所需聲場，通過調整一路或多路通道上的聲信號參數可以實現對多個微納尺度物體的并行操縱。
[0017]本發(fā)明采用十八路獨立可控的超聲信號通道，提高了合成聲場的分辨率與穩(wěn)定度。
[0018]本發(fā)明的裝置系統(tǒng)采用模塊式結構，各個模塊之間通過接口連接，易于擴展與升級。
[0019]本發(fā)明采用基于PXI總線結構的工控機，人機交互性強，用戶只需在上位機中改變相應參數就可以獲得所需的操縱效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的總體連接框圖。
[0021]圖2是超聲換能器環(huán)形陣列組的封裝結構示意圖。
[0022]圖3是環(huán)形陣列圓盤圓形底板結構示意圖。
[0023]圖4是卡槽塊結構示意圖。
[0024]圖5是矩形超聲換能器與環(huán)形陣列圓盤連接示意圖。
[0025]圖6是矩形超聲換能器結構示意圖。
[0026]圖7是矩形超聲換能器示意圖。
[0027]圖8是環(huán)形陣列圓盤結構示意圖。
[0028]圖9是具體實施中聲場合成示意圖。
[0029]圖中:1、基于PXI總線的工控機，2、多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器，3、多通道高頻寬帶線性功放模塊，4、超聲換能器環(huán)形陣列組，5、高幀率數碼攝像機，6、圖像并行處理模塊，7、圓形底盤，8、卡槽，9、環(huán)形陣列圓盤，10、第一 L型銅箔片，11、鋁質障礙板，12、第二 L型銅箔片，13、矩形壓電陶瓷片，14代表矩形超聲換能器，15、環(huán)氧樹脂。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0031]如圖1所示，包括工控機1、多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器2、多通道高頻寬帶線性功放模塊3、高幀率數碼攝像機5和圖像并行處理模塊6，工控機I通過PXI總線分別與多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器2及圖像并行處理模塊6相連接，多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器2與多通道高頻寬帶線性功放模塊3相連接，圖像并行處理模塊6與高幀率數碼攝像機5相連接；如圖2所示，還包括超聲換能器環(huán)形陣列組4，超聲換能器環(huán)形陣列組4與多通道高頻寬帶線性功放模塊3相連接；如圖5所示，超聲換能器環(huán)形陣列組4包括圓形底盤7、卡槽塊8和矩形超聲換能器14，如圖3所示，圓形底盤7的外圓周上間隔均布設有十八個安裝槽，每個安裝槽中心設有通孔，十八個卡槽塊8安裝在各自的安裝槽上，如圖4所示，卡槽塊8的兩側設有沿平行于圓形底盤7中心軸的卡槽；相鄰兩個安裝槽之間均裝有矩形超聲換能器14,矩形超聲換能器14的兩側卡在卡槽塊8的卡槽內。
[0032]如圖6、圖7所示，所述的矩形超聲換能器14包括第一 L型銅箔片10、鋁質障礙板
11、第二 L型銅箔片12和矩形壓電陶瓷片13 ;矩形壓電陶瓷片13的兩側分別各與第一 L型銅箔片10、第二 L型銅箔片12粘接，矩形壓電陶瓷片13其中一側的第二 L型銅箔片12與鋁質障礙板11粘接，鋁質障礙板11與第二 L型銅箔片12粘接的一側均勻涂有薄層絕緣漆，鋁質障礙板11的兩側卡在卡槽塊8的卡槽內，鋁質障礙板11涂有薄層絕緣漆的一側朝向圓形底盤7的中心。
[0033]如圖8所示，所述的卡槽塊8通過螺栓固定在圓形底盤7的安裝槽上，螺栓穿過安裝槽中心的通孔與卡槽塊8連接，將卡槽塊8固定在圓形底盤7上，為矩形超聲換能器14提供定位基準。
[0034]所述的安裝槽的底面形狀與卡槽塊8的底面形狀相同。
[0035]所述的第二 L型銅箔片12通過改性丙烯酸酯膠黏劑與鋁質障礙板11粘接。
[0036]所述的矩形壓電陶瓷片13通過導電銀膠與兩側的L型銅箔片10、12粘接。
[0037]所述的圓形底盤7上表面的粗糙度至多為Ral.6。
[0038]所述的矩形超聲換能器14、圓形底盤7和卡槽塊8通過環(huán)氧樹脂灌膠方式進行封裝。
[0039]所述的多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器2、多通道高頻寬帶線性功放模塊3均含有十八路獨立同步通道。
[0040]矩形超聲換能器14先通過環(huán)氧樹脂15灌膠方式對第一 L型銅箔片10、鋁質障礙板U、第二 L型銅箔片12、矩形壓電陶瓷片13進行封裝，再利用雙圓環(huán)模具通過環(huán)氧樹脂灌膠方式將矩形超聲換能器14、圓形底盤7、卡槽塊8進行整體封裝。
[0041]本發(fā)明采用特制L型銅箔片的目的是為了使矩形超聲換能器14所受電場和發(fā)射出的超聲波更加均勻。采用鋁質障礙板11的目的是對矩形超聲換能器14進行精確定位，同時增大超聲信號的幅值強度，實現對更大微納尺度物體的并行操縱。
[0042]超聲換能器環(huán)形陣列組的圓形底盤上表面粗糙度至多為Ral.6，以減小聲場的漫反射，降低拾取微納尺度物體的難度，同時增大高幀率數碼攝像機5的曝光量。十八個卡槽塊通過其卡槽為矩形超聲換能器14提供精確的定位基準，以便提高聲場合成的精度與范圍，充分發(fā)揮矩形超聲換能器的優(yōu)勢。
[0043]如圖1所示，本發(fā)明基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置是由聲場合成與并行操縱子系統(tǒng)及機器視覺監(jiān)控子系統(tǒng)構成，采用插卡式結構，由基于PXI總線的工控機I作為上位機整合形成一套完整的聲場合成與并行操縱裝置。
[0044]聲場合成與并行操縱子系統(tǒng)是由多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器2，多通道高頻寬帶線性功放模塊3以及超聲換能器環(huán)形陣列組4所構成。多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器2通過PXI通訊總線接口與基于PXI總線的工控機I及通過模擬信號接口與多通道高頻寬帶線性功放模塊3相連接，多通道高頻寬帶線性功放模塊3通過模擬信號接口又與超聲換能器環(huán)形陣列組4相連接。工控機I設定的聲信號參數通過PXI通訊總線傳遞到多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器2中，該信號發(fā)生器根據接收到的參數產生十八路同步且獨立的低能量模擬信號，經由多通道高頻寬帶線性功放模塊3放大后驅動超聲換能器環(huán)形陣列組4，產生十八路信號參數可在線獨立程控調節(jié)的超聲波信號，經聲波疊加合成具有聲勢阱形狀、取向、俘獲能力及數量和空間分布各異且可控的聲場，達到用戶所需聲場合成的目的。同時，根據不同的操縱需求，將不同的微納尺度物體俘獲于相應的聲勢阱中，通過改變一路或多路通道上聲信號的幅值和相位參數，在線動態(tài)調整已俘獲操縱對象聲勢阱的形狀或空間分布，實現同一聲場內針對多個操縱目標的不同類型的操縱，達到對多個微納尺度物體進行復合式并行操縱的目的。
[0045]機器視覺監(jiān)控子系統(tǒng)由圖像并行處理模塊6和高幀率數碼攝像機5組成。圖像并行處理模塊6通過PXI通訊接口與基于PXI總線的工控機I以及通過Camera Link接口與高幀率數碼攝像機5進行連接。圖像并行處理模塊6根據工控機I設定的參數，實時地向高幀率數碼攝像機5發(fā)送工作參數和命令，而高幀率數碼攝像機5根據工作參數和命令調整工作模式，并采集操縱過程的原始圖像，由Camera Link接口傳輸到圖像并行處理模塊6，經其處理分析后傳遞給工控機I顯示，便于用戶實時了解操縱過程和及時調整相應的超聲信號參數，從而確保操縱過程的有效實施，以達到操縱過程動態(tài)監(jiān)控的目的。
[0046]本發(fā)明采用基于十八個矩形超聲換能器的環(huán)形陣列組和基于十八路獨立通道的參數程控可調超聲信號發(fā)生器與功放模塊，根據不同的操縱需求，在線動態(tài)調整十八路獨立程控可調的超聲波信號，合成具有聲勢阱形狀、取向、俘獲能力及數量和空間分布各異且可控的所需聲場。同時，采用高幀率數碼攝像機對操縱對象進行監(jiān)控，在獲取原始圖像數據的基礎之上，通過消噪、圖像匹配等技術手段的應用，采用圖像并行處理技術實現對各操縱對象的實時跟蹤，并實時地向基于PXI總線的工控機反饋各操縱物體之間的相對位置，從而向用戶呈現各操縱對象之間的相對位置與距離，進而指導操作人員調控各換能器的聲學參數，完成規(guī)定的并行操縱。
[0047]本發(fā)明裝置的具體實施過程包括:
[0048]一、根據超聲換能器環(huán)形陣列組的聲場合成理論，推導出基于操縱需求(對聲場合成范圍、聲勢阱形狀數量及空間分布等需求)的各換能器聲學參數計算公式，編寫相應軟件整合至工控機當中；
[0049]二、啟動系統(tǒng)，根據操縱需求，系統(tǒng)自動計算并調整各換能器的聲學參數，建立穩(wěn)定的、用戶所需的聲場，同時俘獲各待操縱的對象；
[0050]三、采用高幀率數碼攝像機實時監(jiān)控操縱對象的動態(tài)，運用消噪、圖像匹配等相關技術，通過圖像并行處理技術提取各對象的像素位置信息，利用事先標定的參數計算出各操縱對象之間實際的相對位置，并將該信息以圖像的形式呈現于用戶前面；
[0051]四、用戶根據自己的操縱需求并結合當前各對象的位置與目標值之間的偏差，調整一路或多路聲學信號的幅值、相位參數，改變聲勢阱的形狀位置，進而同步調整各聲勢阱中操縱對象姿態(tài)，使其穩(wěn)定的并行運動，實現同一聲場內針對多個操縱目標的不同類型的操縱；
[0052]五、待各操縱對象運動穩(wěn)定之后，對比高幀率數碼攝像機的反饋信息，觀察各對象是否已到達所期望的理想位置，否則繼續(xù)調整相應換能器的聲學參數，使各對象重新調整姿態(tài)，并進行定向傳輸；
[0053]六、重復步驟五，直至各操縱對象的姿態(tài)與位置均達到用戶要求。通過上述六個步驟，我們就可以利用超聲換能器環(huán)形陣列組精確合成用戶所需的聲場，并實現對多個微納尺度物體的并行操縱。
[0054]本發(fā)明的工作原理:
[0055]圖9所示為本發(fā)明裝置具體實施的聲場合成示意圖，外圈十八個黑點代表超聲換能器環(huán)形陣列組4上均布的十八個矩形超聲換能器，各黑點之間的夾角同各換能器之間的夾角相同均為20°。圖中&代表第j個換能器產生的激勵信號，S代表聲場合成區(qū)域邊界，η為指向S內部的單位法向量，Pi代表聲場合成區(qū)域邊界上的聲壓控制點。根據環(huán)形陣列的聲場合成理論可知，聲場合成區(qū)域S內部的聲勢阱形狀、取向、俘獲能力及數量和空間分布等所需參數取決于聲場合成區(qū)域邊界S上的聲壓和法向振速，而聲場合成區(qū)域邊界S上的法向振速又僅取決于邊界`上的聲壓，因此通過控制聲場合成區(qū)域邊界S上的聲壓就可以獲得聲勢阱形狀、取向、俘獲能力及數量和空間分布各異的聲場。但是聲場合成區(qū)域邊界S上有無窮多個點，因此實際的聲場合成是在邊界上取有限個離散的聲壓控制點Pi,通過控制有限個離散的聲壓控制點Pi來逼近所需的聲場。在聲場合成中，第i聲壓控制點Pi (t)與第j個聲源的激勵信號4(t)之間滿足一下公式:
【權利要求】
1.一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，包括工控機(I)、多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器(2)、多通道高頻寬帶線性功放模塊(3)、高幀率數碼攝像機(5)和圖像并行處理模塊(6)，工控機(I)通過PXI總線分別與多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器(2)及圖像并行處理模塊(6)相連接，多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器(2)與多通道高頻寬帶線性功放模塊(3)相連接，圖像并行處理模塊(6)與高幀率數碼攝像機(5)相連接，其特征在于:還包括超聲換能器環(huán)形陣列組(4)，超聲換能器環(huán)形陣列組(4)與多通道高頻寬帶線性功放模塊(3)相連接；超聲換能器環(huán)形陣列組(4)包括圓形底盤(7)、卡槽塊(8)和矩形超聲換能器(14),圓形底盤(7)的外圓周上間隔均布設有十八個安裝槽，每個安裝槽中心設有通孔，十八個卡槽塊(8)安裝在各自的安裝槽上，卡槽塊(8)的兩側設有沿平行于圓形底盤(7)中心軸的卡槽；相鄰兩個安裝槽之間均裝有矩形超聲換能器(14)，矩形超聲換能器(14)的兩側卡在卡槽塊(8)的卡槽內。
2.根據權利要求1所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的矩形超聲換能器(14)包括兩個L型銅箔片(10、12)、鋁質障礙板(11)和矩形壓電陶瓷片(13);矩形壓電陶瓷片(13)的兩側分別與一個L型銅箔片粘接，矩形壓電陶瓷片(13)其中一側的L型銅箔片與鋁質障礙板(11)粘接，鋁質障礙板(11)與L型銅箔片粘接的一側均勻涂有薄層絕緣漆，鋁質障礙板(11)的兩側卡在卡槽塊(8)的卡槽內，鋁質障礙板(11)涂有薄層絕緣漆的一側朝向圓形底盤(7)的中心。
3.根據權利要求1所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的卡槽塊(8)通過螺栓固定在圓形底盤(7)的安裝槽上，螺栓穿過安裝槽中心的通孔與卡槽塊(8)連接。
4.根據權利要求1所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的安裝槽的底面形狀與卡槽塊(8)的底面形狀相同。
5.根據權利要求2所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的L型銅箔片通過改性丙烯酸酯膠黏劑與鋁質障礙板(11)粘接。
6.根據權利要求2所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的矩形壓電陶瓷片(13)通過導電銀膠與兩側的L型銅箔片粘接。
7.根據權利要求1所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的圓形底盤(7)上表面的粗糙度至多為Ral.6。
8.根據權利要求1所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的矩形超聲換能器(14)、圓形底盤(7)和卡槽塊(8)通過環(huán)氧樹脂灌膠方式進行封裝。
9.根據權利要求1所述的一種基于超聲換能器環(huán)形陣列的聲場合成與并行操縱裝置，其特征在于:所述的多通道參數程控可調超聲信號發(fā)生器(2)、多通道高頻寬帶線性功放模塊(3 )均含有十八路獨立同步通道。
【文檔編號】B81C3/00GK103754820SQ201310741959
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權日:2013年12月27日
【發(fā)明者】鄧雙, 楊克己, 孟堅鑫, 范宗尉 申請人:浙江大學