三维超声辐射力场合成及其微操纵应用实验平台的研究

摘要

为满足微机电系统对微构件操纵技术的强烈需求，本文结合国家自然科学基金项目《基于三维可控超声辐射力场的微构件遥操纵的研究》(50375144)和国家高技术研究发展计划(863计划)《基于超声辐射力的微纳构件三维遥操纵关键技术研究》(2006AA042330)，在对平面活塞换能器所产生的超声辐射力及其合成场进行分析计算的基础上，发展了一种基于超声辐射力的微纳构件三维遥操纵技术，并以ARM为中心测控单元，FPGA为接口模块，结合机器微视觉及图像处理单元，开发了一套基于三维超声辐射力场合成及其微操纵实验平台，利用该实验平台验证了本文所提出技术的可行性和有效性。具体工作在于： 第一章，综合论述了开展微操纵应用研究的重要意义，对微操纵技术及其系统的发展现状与趋势进行了系统地概括，指明了基于超声辐射力微操纵应用的可行性和优越性，提出了本论文的研究内容及各章节的安排。 第二章，在简要介绍声学基础知识和详细分析单个平面活塞换能器声场分布及其声场和辐射力关系的基础上，利用声波合成原理，建立了按不同空间位置放置的两个及多个平面活塞换能器合成声场及辐射力势分布理论和技术基础，并通过MATLAB仿真分析了利用超声辐射力实现三维微操纵的可行性和有效性。 第三章，在提出基于三维超声辐射力场合成及微操纵应用实验平台总体方案的基础上，详细分析了各功能模块的具体实现过程，并结合机器微视觉及图像处理单元，开发了一套基于三维超声辐射力场合成及微操纵应用实验平台。 第四章，应用本文所开发的基于三维超声辐射力场合成及微操纵应用实验平台，开展微操纵实验研究，并对实验结果与理论研究结果进行对比分析，验证了超声微操纵的可行性和优越性。 第五章，对全文的工作进行全面总结，并展望了下一步的研究方向。

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第一章绪论

1.1微操纵技术研究的重要意义

1.2微操纵技术的现状及其发展趋势

1.2.1接触式微操纵已达到实用化水平

1.2.2非接触式微操纵不断涌现

1.2.3超声微操纵技术日益显示出巨大的应用潜力

1.3微操纵系统组成及其发展现状和趋势

1.3.1微操纵系统发展现状和趋势

1.3.2微操纵系统组成

1.4本论文的研究内容及安排

第二章三维超声辐射力场合成及其微操纵技术理论研究

2.1引言

2.2超声辐射力的理论基础

2.2.1声学理论基础

2.2.2平面活塞换能器声场分布

2.2.3超声辐射力计算理论及影响因素分析

2.3平面活塞换能器声场合成及仿真研究

2.4基于超声辐射力微操纵技术

2.4.1基于频率调整的超声微操纵技术

2.4.2基于相位调整的超声微操纵技术

2.5本章小结

第三章三维超声辐射力场合成及其微操纵应用实验平台的研究

3.1引言

3.2实验平台的整体方案设计

3.3多通道超声信号发生器的实现

3.3.1多通道超声信号发生模块

3.3.2功率放大及匹配电路

3.3.3平面活塞换能器设计

3.4机械本体部分设计

3.5机器微视觉子系统设计

3.6系统的集成

3.7本章小节

第四章实验研究与结果分析

4.1引言

4.2微操纵实验研究

4.2.1微构件操纵比较实验

4.2.2二维微操纵实验研究

4.2.3三维微操纵实验研究

4.3实验结果分析与比较

4.4本章小结

第五章结论与展望

参考文献

致谢