一种基于声辐射力的无形微振动台及应用

摘要

本发明公开了一种基于声辐射力的无形微振动台及应用。半球形换能器阵列位于置物台的正上方，半球形换能器阵列固定连接在PLC运动控制器上，高速摄像机固定于半球形换能器阵列顶端的通孔中并与高速图像采集卡相连，PLC运动控制器与基于PXI总线的上位机系统相连；信号发生和采集系统包括多通道线性功率放大器、多通道程控信号发生器和多通道数据采集卡，多通道线性功率放大器和多通道数据采集卡与半球形换能器阵列上的换能器相连，多通道程控信号发生器、高速图像采集卡和多通道数据采集卡均与基于PXI总线的上位机系统相连。本发明通过相控算法将振动参数转换为换能器阵列驱动信号，使得声场在目标物体处形成虚拟振动夹，对目标物体进行激振；具有较好的适应性、结构简单、易于操作等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种振动台装置，尤其是涉及了一种基于声辐射力的无形微振动台及应用。

背景技术

随着科学与技术的不断深入发展，越来越多的科学研究在微观领域展开。人们对微型化设备的研究日新月异，促使微型化设备不断发展，如微机械、微执行器、微传感器等，使其在生物医学、无线通信、工业自动化等重要领域更加不可替代，与此同时，对其能进行有效振动测试的重要性逐步凸显。然而，由于微观领域存在尺寸效应等多方面因素，仍采用传统振动台对微小物体进行振动测试显得捉襟见肘。

因此，人们对微米级至纳米级尺度微构件的振动测试具有越来越强烈的需求。例如，MEMS微构件动态测试时最基本的环节是要对其激振，由于其尺寸小，谐振频率高，传统激励技术无法直接应用在MEMS动态测试中，MEMS微构件动态测试常使用基于压电陶瓷的激励方式，而部分MEMS器件需要在高温等恶劣环境下工作，仍采用工作温度较低的压电陶瓷进行高温环境下的动态测试非常困难，且压电陶瓷的振动模式单一。此时，如何在多种工作环境下对MEMS器件进行有效的多种模式的激振更为关键。在生物工程领域，不断有学者研究机械力刺激对细胞力学性能、生理功能等方面的影响，都可能为致命疾病早期诊断、细胞工程、生物功能材料等方面提供理论依据，但是传统细胞振动测试是利用振动台对一批培养细胞进行激振，此过程中引入了较多不确定干扰因素，如细胞与细胞之间、细胞与仪器之间等，且细胞受到振动的均匀性和一致性也难以保证，都会对测试结果产生或多或少的影响。因此能否采用非接触的方式对单一或多个目标细胞分别施加有效振动刺激显得尤为重要。

综上所述，目前对于微米级至纳米级微小物体的振动激励还存在很大局限性，不仅设备复杂、价格昂贵，而且干扰因素较多，振动效果难以保证。可见，亟需开发一种工艺简单、适应性强的能对微米级至纳米级微小物体施加多方向激振力的微振动台。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于声辐射力的无形微振动台及应用。本发明装置利用贝塞尔信号作为激励信号，采用相控算法合成一个或多个虚拟振动夹，对被俘获目标物体按预设模式激振。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括高速摄像机、PLC运动控制器、半球形换能器阵列、置物台、高速图像采集卡、信号发生和采集系统和基于PXI总线的上位机系统；半球形换能器阵列位于置物台的正上方，半球形换能器阵列固定连接在PLC运动控制器上，高速摄像机固定于半球形换能器阵列顶端的通孔中，PLC运动控制器通过RS232与基于PXI总线的上位机系统相连；信号发生和采集系统包括多通道线性功率放大器、多通道程控信号发生器和多通道数据采集卡，多通道线性功率放大器和多通道数据采集卡与半球形换能器阵列上的换能器相连，多通道程控信号发生器和多通道数据采集卡通过PXI总线与基于PXI总线的上位机系统相连；高速摄像机经高速图像采集卡和PXI总线后也与基于PXI总线的上位机系统相连。

本发明根据采集到的目标物体位置，通过声束相控算法计算出程控信号发生器各通道参数，从而通过换能器阵列合成预期声场，利用声场中形成的声辐射力夹俘获置物台内目标物体，进而对被俘获目标物体按预设模式激振。

所述的半球形换能器阵列主要是由半球形换能器座和安装在半球形换能器座上的多个圆形换能器构成，多个圆形换能器分为四组，每组圆形换能器布置在半球形换能器座上表面的同一圆周并沿周向间隔均布，不同组圆形换能器布置在不同圆周上，从下至上的各组圆形换能器中的圆形换能器数量依次递减。

控制各个圆形换能器产生超声波，使其在置物台范围内相互叠加合成为预期声场，预期声场中形成位于微小物体附近的虚拟振动夹，虚拟振动夹会迅速俘获目标物体；并通过算法将预设振动模式转换为各个圆形换能器的驱动信号频率、幅值和相位延时信息，使得虚拟振动夹位置按预设模式变化，目标物体在其作用下按预设振动模式振动。虚拟振动夹激振过程中，对目标物体的夹持力大小可按预设模式改变，可实现复合振动测试效果。

所述的半球形换能器阵列顶部加工有观测通孔，观测通孔安置高速摄像机以实现目标物体位置信息采集。

所述的半球形换能器座上设置用于安装圆形换能器的换能器安装孔，换能器安装孔侧部加工有正电极孔和负电极孔，圆形换能器的正极座和负极座分别嵌装在正电极孔和负电极孔中，电极孔与电极座采用过盈配合。

所述的半球形换能器座顶部侧面设有通讯口，正电极孔和负电极孔经埋设在半球形换能器座内部的电线与通讯口连接，通讯口与多通道线性功率放大器和多通道数据采集卡相连。

所述的置物台底面为正方形，底部内设有圆形的物体放置范围和用于高速摄像机定标的十字形放置范围中心，十字形放置范围中心位于物体放置范围中心。工作时，整个声场的操纵范围与置物台中的物体放置范围相同，被操纵物体可以任意放置在置物台放置范围中。

所述的圆形换能器采用空气耦合式超声换能器、液体耦合式超声换能器或者两种换能器的组合。

本发明可采用空气耦合和液体耦合两种工作方式，采用液体耦合的工作方式时，需要通过PLC运动控制器将半球形换能器阵列下移至置物台中，直至换能器全部浸入液体中。空气耦合式换能器与液体耦合式换能器主要是换能器内部匹配层参数不同，各个圆形换能器外形相同，均为圆形换能器，两种换能器均能保证一致性。

所述的圆形换能器所加载的驱动信号是贝塞尔信号。

所述的PLC运动控制器为竖直方向上的单自由度运动控制器，可以带动与之固定的半球形换能器阵列和其上的高速摄像机沿竖直方向上下移动。

本发明被操纵物体是微米级至纳米级微小物体，尤其是针对细胞等微小生物质多模式振动。

本发明装置制作完成时，需要对整套系统进行系统水平坐标零点定标和垂直坐标零点定标：基于PXI总线的上位机系统通过高速摄像机采集置物台底面内侧十字形放置范围中心的位置，并标记为系统水平坐标零点。PLC运动控制器停留在默认位置，开启系统定标程序，系统使用32个液体耦合式超声换能器利用延时聚焦算法沿系统坐标零点竖直方向上形成声束，系统通过多通道数据采集卡接收到的置物台内底面回波声程计算出置物台内底面到半球形换能器阵列最上层换能器的垂直距离，并记录此时PLC运动控制器的位置信息为垂直坐标距离零点。由此，系统在工作时，目标物体需放置在置物台内底面放置范围内，通过PLC运动控制器的位置信息和高速摄像机采集到的图像信息即可确定出被俘获目标物体的垂直坐标和水平坐标。

本发明工作时，基于PXI总线的上位机系统带有显示器，显示器可呈现系统通过高速摄像机采集到的目标物体，用户通过显示器选择需要激振的一个或多个目标物体，此时，系统获得目标物体的平面坐标。系统通过目标位置和预设振动参数计算出驱动信号下发给多通道程控信号发生器，并经多通道线性功率放大器进行功率放大，最终将信号传入半球形换能器阵列。

本发明振动台工作过程原理是：

用户确定好目标物体后选择正弦振动或随机振动等振动模式，并需要输入目标物体的密度、压缩系数等力学特性参数以及振幅、振动方向、振动频率等振动参数。然后通过获取的目标物体的水平坐标和竖直坐标，利用声束相控算法计算出需要加载在各个通道换能器的驱动信号频率、幅值和相位延时信息，从而通过半球形换能器阵列形成预期声场，此时合成的预期声场中形成与所选目标物体个数相同的虚拟振动夹。虚拟振动夹能否对目标物体作用取决于物体本身力学特性参数，因此，系统依据物体的力学特性参数，在所选目标物体附近形成与之匹配的虚拟振动夹，此时声场中形成的虚拟振动夹会迅速俘获目标物体，用户可通过参数配置改变驱动信幅值从而调整虚拟振动夹对目标物体夹持力大小。再根据预设振动参数重新计算各个通道换能器的驱动信息，在保证物体被俘获的同时以预设模式改变虚拟振动夹位置，随着虚拟振动夹位置的变化，在其作用下对目标物体激振，激振力为物体在声场中受到的声辐射力。由此实现对一个或多个微小物体的激振。

此外，当虚拟振动夹俘获目标物体后，用户可通过软件设置虚拟振动夹对目标物体的夹持力，使其不变或使其循环、跳变等按预设规律改变，以此可实现对目标物体的疲劳测试。在虚拟振动夹对目标物体激振的过程中，也可实现虚拟振动夹的夹持力按预设规律变化，从而达到复合振动测试效果。

本发明的有益效果：

本发明采用半球形换能器阵列，利用相控算法实现声场叠加，形成虚拟振动夹，对物体进行俘获并激振，此过程采用非接触方式，干扰因素少。

本发明的相比传统采用振动台等外部器件的接触式振动，避免了外部器件的接触式测量和对微小物体带来的污染和破坏，不会对微小物体造成任何影响不会有任何损伤，不会影响微小物体原有的力学性能。

并且，本发明装置可对一个或多个物体同时施加振动，效果较好，能保证振动的均匀和一致性。

本发明集多种振动方式为一体，可实现任意角度的水平向和竖直向振动，相比传统振动台大大节约成本，简化结构，提高了振动试验效率，简化了安装环境。

本发明通过相控算法形成的虚拟振动夹，在激振过程中，虚拟振动夹夹持力大小可按预设模式改变，实现了传统振动台都不具备的复合振动效果。

本发明装置可在多种实验环境下使用，能对多种物体进行激振，适应性好。

本发明具有制作成本低，操作简易的特点。

附图说明

图1是本发明装置系统结构框图。

图2是半球形换能器阵列结构图。

图3是半球形换能器座结构图。

图4是圆形换能器结构图。

图5是正方形置物台结构图。

图中：包括高速摄像机1、PLC运动控制器2、半球形换能器阵列3、置物台4、多通道线性功率放大器5、多通道程控信号发生器6、高速图像采集卡7、基于PXI总线的上位机系统8、观测通孔9、通讯口10、圆形换能器11、正电极孔12、负电极孔13、半球形换能器座14、正极座15、负极座16、十字形放置范围中心17、圆形放置范围18、多通道数据采集卡19。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，包括高速摄像机1、PLC运动控制器2、半球形换能器阵列3、置物台4、高速图像采集卡7、信号发生和采集系统和基于PXI总线的上位机系统8。半球形换能器阵列3位于置物台4的正上方，半球形换能器阵列3固定连接在PLC运动控制器2上，高速摄像机1固定于半球形换能器阵列3顶端的通孔中，PLC运动控制器2通过RS232与基于PXI总线的上位机系统8相连。

如图2所示，半球形换能器阵列3主要是由半球形换能器座14和安装在半球形换能器座14上的多个圆形换能器11构成，多个圆形换能器11分为四组，每组圆形换能器11布置在半球形换能器座上表面的同一圆周并沿周向间隔均布，不同组圆形换能器11布置在不同圆周上，从下至上的各组圆形换能器11中的圆形换能器数量依次递减。

圆形换能器11采用半球形的结构排布，是为了增强合成声场的指向性，工作时，系统通过相控算法向每个圆形换能器11下发幅值和相位延时信息。

具体实施中，所述的半球形换能器阵列3由64个圆形换能器11固定于半球形换能器座14的球面上形成，共分为4组，从下至上分布的探头个数分别为32、16、12、4个。

半球形换能器阵列3顶部加工有观测通孔9，观测通孔9安置高速摄像机1以实现目标物体位置信息采集。系统需使用高速摄像机1通过观测通孔9进行系统坐标零点定标和实现目标物体位置信息采集。

如图3所示，半球形换能器座14上设置用于安装圆形换能器11的换能器安装孔，换能器安装孔侧部加工有正电极孔12和负电极孔13，如图4所示的圆形换能器11的正极座15和负极座16分别嵌装在正电极孔12和负电极孔13中，电极孔与电极座采用过盈配合。从而使圆形换能器11紧固在换能器安装孔中，并保证圆形换能器11正极座15正电极孔12连通，负极座16与负电极孔13连通，从而保证圆形换能器11内部压电片正负极与正负电极孔连通。

半球形换能器座14顶部侧面设有通讯口10，正电极孔12和负电极孔13经埋设在半球形换能器座内部的电线与通讯口10连接，通讯口10与多通道线性功率放大器5和多通道数据采集卡19相连。工作时，多通道线性功率放大器5将放大后的各通道驱动信号传入半球形换能器座14上安装的各个圆形换能器11。

如图5所示，置物台4底面为正方形，底部内设有圆形的物体放置范围18和用于高速摄像机1定标的十字形放置范围中心17，十字形放置范围中心17位于物体放置范围18中心。工作时，整个声场的操纵范围与置物台中的物体放置范围相同，被操纵物体可以任意放置在置物台放置范围中。

圆形换能器11采用空气耦合式超声换能器、液体耦合式超声换能器或者两种换能器的组合。具体实施中，圆形换能器11分别为32个空气耦合式超声换能器和32个液体耦合式超声换能器，两种依次交替布置安装。

如图1所示，信号发生和采集系统包括多通道线性功率放大器5、多通道程控信号发生器6和多通道数据采集卡19，多通道线性功率放大器5和多通道数据采集卡19与半球形换能器阵列3上的换能器相连，多通道程控信号发生器6和多通道数据采集卡19通过PXI总线与基于PXI总线的上位机系统8相连；高速摄像机1经高速图像采集卡7和PXI总线后也与基于PXI总线的上位机系统8相连。

多通道程控信号发生器6主要有参数交互单元、信号发生单元以及同步控制单元等功能模块，均由中心控制单元FPGA实现。参数交互单元负责与上位机进行数据交互，具有强大的数据传输能力，能够保证配置参数的实时传递。信号发生单元通过输入频率控制字、初始相位以及参考时钟产生任意频率和相位的正弦、方波、三角波以及锯齿波等周期信号。同步控制单元负责多个输出通道之间尤其是板卡间多个输出通道之间的同步触发。

多通道线性功率放大器5由高压运算放大芯片PA19及外围电路构成，多通道程控信号发生器6输出的模拟信号最终经多通道线性功率放大器5放大及补偿电路后作为最终输出信号。

高速摄像机1为CMOS高速相机，通过CameraLink总线与高速图像采集卡7相连，进行图像数据传输。高速图像采集卡7负责将高速摄像机1传入的图像流信号转化为数字图像并进行一定的预处理，最终通过PXI总线上传至上位机。

以目标微小物体是细胞为例，本发明具体实施过程包括：

一、开启上位机、高速摄像机及PLC运动控制器，打开系统操作软件；

二、进行系统定标校准，打开系统操作软件的零点校准模块，分别对装置水平坐标零点和竖直坐标零件进行校准；

三、将细胞连同培养液注入置物台，使细胞落在置物台放置范围内；

四、系统通过高速摄像机采集置物台内放置的细胞位置图像信息，经高速图像采集卡处理并上传至上位机，呈现在显示器上；

五、选择液体耦合的工作方式，PLC运动控制器带动半球形换能器阵列下降至默认位置，用户对半球形换能器阵列高度进行微调，使圆形换能器浸入液体中，此时上位机记录PLC运动控制器高度坐标；

六、用户通过显示器选择一个或多个目标细胞，并输入细胞密度、压缩系数等细胞力学特性参数，选择振动模式，设置振动频率、振幅等相关振动参数；

七、系统根据用户选择的目标细胞得到细胞的水平坐标位置，根据PLC运动控制器位置信息得到细胞垂直坐标，根据相控算法计算出各个通道需要加载的驱动信息发送到半球形换能器阵列；

八、半球形换能器阵列接收到上位机下发的驱动信息，合成预期声场，形成与目标细胞相匹配的虚拟振动夹，迅速俘获目标细胞并激振；

九、振动完成后，进行下一次测试或系统复位。

由此，本发明装置具有操作简便，干扰因素少、适应性强等优势和显著技术效果。