专利名称：超声波生物优化处理的频率控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超声波生物处理系统。
背景技术：
现有的超声波生物处理方法是通过事先设定或选择超声波发生设备的某一工作频率，然后以该频率的超声波作用于处理对象。但超声波对对象的处理速率与超声波频率高度相关，超声波频率不同，处理效率大不相同；而且，处理对象的生物细胞种类更与超声波频率高度相关，不同的生物细胞，对不同频率超声波的敏感性大不相同。这就造成了现有超声波生物处理方法的初次超声波频率确定的盲目性，进而，对额外进行超声波频率分析、 确定形成依赖性。实际工作过程是利用某生物细胞在不同频率下的处理情况，进行分组对照、分析确定，得到有关数据；在以后的工作中，沿用该特定对象的数据，经验地确定适合的超声波频率。这已是习惯做法。本质上，这样的方法并不能保证所工作的超声波频率就是对对象高效的最佳频率，也不能对不同的对象进行精确的精细频率调整，积累的经验也就不是最佳工艺的；加之，该方法不仅在初期大量耗费人力、财力、物力，而且在沿用期也经常地要求观察、调整和维护。鉴于此，有必要研发一种新的高效策略，使超声波生物处理工作不再沿用先经分组对照、分析确定超声波频率，再经验地确定所需频率的低效做法，而是将确定所需频率的过程最大限度地高效、自动化进行。
发明内容为弥补现有单一频率超声波在生物处理应用中的不足，本实用新型提供一种超声波生物优化处理的频率控制系统。系统由操控终端、超声波电力产生环节、换能执行环节、 处理槽罐紫外线检测环节、检测信号转换环节组成；操控终端通过控制、反馈信号线路连接到宽频域超声波电力产生环节，超声波电力产生环节通过电力电缆，连接到处理槽罐内的换能执行环节；处理槽罐紫外线检测环节配置处的检测信号转换环节，通过前述电力电缆的附带屏蔽芯线，连接到超声波电力产生环节的对应转接端子，以与送向操控终端的反馈信号线连接；处理槽罐作为生物处理流程的核心环节，其原处理液从其下底中心的管路入口流入，生成处理液经其侧壁上部的出口管路流出。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是通过对处理液处理作用区域的浓度监测，利用程序计算，依次在各个频带上，在设定模式下得到浓度变化的动态，依据该动态，确定最佳工艺频率点。其运行控制的过程为根据换能器可高效耦合带宽，人工设置各处理频带的上、下限频率，并配置与相应频带中心频率匹配的换能器-变幅杆(-工具头)振子；——通过操控终端，人工统一设置包括超声波处理脉冲间歇比、脉冲宽度、频率搜索速率等的处理模式，以及超声波电源输出功率；——依次从各频带下限开始自下而上(或从其上限开始自上而下)扫频运行，即处理槽罐中的处理液在换能器振子端面下，受超声波空化作用而产生不同浓度的处理产物；同时，利用蛋白质对200nM 400nM光谱的吸收特性，在处理槽罐装设紫外线检测装置， 利用其紫外线接收器，接收到受不同浓度处理产物吸收后而不同的紫外线光通量信号，使之以相应变化幅度的电信号反馈给操控终端；在操控终端内，加设具有模数转换、处理和数据通讯功能的A/D板作为反馈信号处理单元，将浓度反馈电信号转化为反映处理效率的数字信号，再通过数据总线传输，由CPU进行数据处理与控制使用；——当处理槽罐紫外线检测装置检测到高效处理频带时，保持该处理频带各运行参数；否则，在原已运行的处理频带组合外，人工重新设置各处理频带上、下限频率，并配置与相应频带中心频率匹配的换能器-变幅杆(-工具头)振子；——如果高效处理频带为上端频带(或下端频带)，保持该处理频带各运行参数， 并在原已运行的处理频带组合上端(或下端)以外，人工重新设置扩展的各处理频带的上、 下限频率，并配置与相应频带中心频率匹配的换能器-变幅杆(-工具头)振子；否则，接下
止
少；—从同频带下限开始自下而上(或从其上限开始自上而下)依次扫频运行；—当处理槽罐紫外线检测装置检测到高效处理频率时，保持该处理频率各运行参数；否则，在同频带继续扫频运行；——处理频带上下限频率汇聚到检测到的高效频率点，并控制、锁定到该高效频率；——在高效频率点锁定运行；——当处理槽罐紫外线检测装置检测到处理效率处于渐近趋于零的过程，即光通量信号幅度趋于饱和时，说明液体液位已低于换能器振子端面；否则，在同频带继续扫频运行。其控制功能结构配置的技术方案为通过上位机PC，操控终端行使控制整个系统的运行过程、参数设置，并换能器参数设置其频带上下频率的功能；通过超声波电力产生、 换能执行、处理槽罐紫外线检测和检测信号转换功能的系统配置，系统行使所在频带上扫描频率超声波处理并检测产生物光吸收量、反馈处理效率信号的功能；通过操作终端的扫频模式与功率给定环节，行使扫频模式与功率给定模块行使超声波处理脉冲间歇比、处理模式与电源输出功率给定的功能；通过宽频域超声波电力产生装置，行使将市电电力转换为超声波电力的功能；通过换能器-变幅杆(-工具头)振子结构，换能执行环节实现将超声波电能转换为超声波机械能的功能；通过紫外线发射、接收对管在处理槽罐上的配置，处理槽罐紫外线检测环节利用被处理液中不同浓度产生物的不同光吸收作用，实现对紫外线光通量变化的检测，反映处理液中产生物的浓度变化；利用紫外线接收器将接收到的紫外线光通量变化信号同步换为相应的浓度变化电信号，检测信号转换环节通过低噪声、高输入阻抗运放的比较、放大等电路结构，将发射器得到的驱动信号与接收器送出的浓度变化电信号加以比较、放大，按所设定的处理脉冲间歇比、模式，形成处理效率变化检测电信号， 作为超声波处理效率的反馈信号，送给操控能终端。本实用新型的有益效果是通过多频带依次搜索、捕捉、控制锁定最佳处理频率， 和紫外线通量检测、电脑功能设定等功能的技术提升，在以下几方面表现出了其有益效果 便于通过程序软件的改变，方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，可以实现运行数据的自动储存，有助于实现超声波生物处理的智能化；可连续监控、调节换能器、变幅杆、工具头的频率以提供最佳的超声输出；其利用显示器的过程监控、参数图示功能不仅可对所有处理运行参数进行专门编程，还可以用图形表达超声频率、功率、处理速度和处理过程理化参数的变化；通过其操控终端的人机对话方式，可对处理程序进行调整，操作人员可按提示输入有关数据，操作直观明了 ；免去了分组对照、分析确定最佳频率的漫长时间消耗， 容易找到各种生物细胞处理的合适频率，从而成倍提高处理效率；有利于建立其最佳工艺条件，积累第一手资料。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的一个实施例系统配置示意图。图2是本实施例的系统控制功能结构框图。图3是本实施例的处理槽罐配置示意图。图4是本实施例系统控制功能结构的检测信号转换环节电路图。在
图1、图2、图3和图4中1.操控终端，11.总控、显示及运行参数设置功能环节，12.扫频模式与功率给定环节，2.超声波电力产生环节，3.换能执行环节，4.处理槽罐紫外线检测环节，5.检测信号转换环节，a.超声波信号发生环节，b.隔离驱动环节，c.功率放大环节，d.功率、频率匹配环节，e.功率、频率控制环节。在图3和图4中31.换能器振子端面，32.超声波电力输出线，41.处理槽罐， 42.处理液，43.紫外线发射器，44.紫外线发射驱动线，45.紫外线接收器，51.检测信号反馈线。在图4中LED为紫外线发射管，Re为紫外线发射管限流保护电阻，Drl^Dr2为紫外线接收管，R1^ R2为紫外线接收器桥臂平衡电阻，R为运算放大器静态偏流电阻，A为运算放大器，Rf为运算放大器反馈电阻，E为电路工作电源；AD为A/D板，CPU为中央处理单元。
具体实施方式
利用宽频域超声波电源装置，考虑到换能器的谐振性能，在超声波电源装置工作频域内，采用多频带组合搜索、捕捉、控制锁定最佳处理频率的运行策略，在各个由上、下限频率界定的频带上顺次进行扫频，其中上、下限频率与扫描形式均可人工定义，也可自动连续续接。在各个频带上，通过对处理液作用区域的浓度监测，利用程序计算，在设定模式下依次得到浓度变化的动态，依据该动态，确定最佳工艺频率点。在
图1的系统配置示意图中系统由操控终端1、超声波电力产生环节2、换能执行环节3、处理槽罐紫外线检测环节4、检测信号转换环节5组成。操控终端1通过控制、反馈信号线路连接到宽频带超声波电力产生环节2。其中，超声波电力产生环节2通过电力电缆连接到处理槽罐中的换能执行环节3 ；处理槽罐紫外线检测环节4配置处的检测信号转换环节5，通过前述电力电缆的附带屏蔽芯线，连接到超声波电力产生环节2的转接端子，以与送向操控终端1的反馈信号线连接。处理槽罐作为生物处理流程的核心环节，其原处理液从其下底中心的管路入口流入，生成处理液经其侧壁上部的出口管路流出。在图2所示的系统控制功能结构框图中总控、显示及运行参数设置功能环节11， 通过上位机PC，在控制整个系统的运行过程、参数设置，并根据各频带及其换能器参数设置其频带上、下限频率；超声波电力产生环节2、换能执行环节3、处理槽罐紫外线检测环节 4和检测信号转换环节5的系统配置，行使扫描频率超声波处理并检测产生物光吸收量、 反馈处理效率信号的功能；扫频模式与功率给定环节12，通过配置在超声波电力产生环节 2上的操作执行单元，行使执行功能，实现总控、显示及运行参数设置功能环节11所做的超声波处理脉冲间歇比、模式与电源输出功率给定；超声波电力产生环节2，通过超声波电源装置，行使将市电电力转换为超声波电力的功能；换能执行环节3，通过换能器-变幅杆 (-工具头)振子结构，实现将超声波电能转换为超声波机械能的功能；处理槽罐紫外线检测环节4，通过紫外线发射、接收对管在处理槽罐上的配置，利用处理液中不同浓度产生物的不同光吸收作用，实现对紫外线光通量变化的检测，反映处理液中产生物的浓度变化；检测信号转换环节5，利用紫外线接收器将接收到的紫外线光通量变化信号同步换为相应的浓度变化电信号，通过低噪声、高输入阻抗运放的比较、放大电路结构，将发射器得到的驱动信号与接收器送出的浓度变化电信号加以比较、放大，送给总控、显示及运行参数设置功能环节11。在图2所示系统控制功能结构框图的超声波电力产生环节2的功能配置中超声波信号发生环节a，通过单片机MCU及其外围电路结构，产生所需频率正弦波信号；隔离驱动环节b，通过专用IGBT或M0SFEET驱动芯片及其外围电路结构，实现所需频率正弦波包络及相应于所需功率占空比的PWM功率驱动信号；功率放大环节c，通过IGBT或M0SFEET器件及其电路结构，实现PWM驱动下的直流-交流电力逆变；功率、频率匹配环节d，通过电感耦合及其电路结构，实现将PWM交流电力与换能器的谐振匹配，同时取得功率、频率反馈信号；功率、频率控制环节e，通过反馈信号处理电路、锁相环路等，实现对设定功率、频率的跟踪、锁定和控制。超声波电力产生环节2的功能已有许多成熟的实现技术。在图3所示的处理槽罐配置示意图中换能器-变幅杆(-工具头)振子结构的换能器振子端面31，置于处理槽罐的中心偏上部位，是最终实现超声波换能执行环节3的工作面。在其下面附近空间区域，处理液42中的生物细胞由于超声波的空化作用而产生游离产物，从而使处理液42的浓度上升，上升的速度与超声波频率相关。超声波电力输出线 32，将超声波电力产生环节2的电力输出端子与超声波换能执行环节3的换能器电力输入端子连接，将超声波电力产生环节2产生的超声波电力送给换能器。处理槽罐41作为处理液42承载容器，可以是封闭式盒槽罐，也可以通过下底和侧壁分别装配入液管和出液管， 使其中的处理液42勻速流动；处理槽罐41的左侧和右侧，分别安装紫外线发射器43和装有紫外线接收器45的检测信号转换环节5，并使紫外线发射器43和紫外线接收器45头面相对，两器件的光轴心线穿过换能器振子端面31中心线下方，距离换能器振子端面31约一个端面半径长度；紫外线发射器43通过紫外线发射驱动线44连接到检测信号转换环节5 ； 检测信号反馈线51连接检测信号转换环节5与操控终端1的上位机PC，将检测信号转换环节5输出的超声波处理效率反馈信号送给总控、显示及运行参数设置功能环节11。在图4所示的系统控制功能结构的检测信号转换环节电路图中紫外线发射管 LED与紫外线发射管限流保护电阻Re串联，按正向跨接在电路工作电源E正极与地之间。 紫外线接收管Dri与紫外线接收器桥臂平衡电阻&串连，紫外线接收管Drt与紫外线接收器桥臂平衡电阻R1串连，以此构成的紫外线接收器的两桥臂；在两桥臂的一端，紫外线接收管 Drl与紫外线接收器桥臂平衡电阻队连接；在两桥臂的另一端，紫外线接收管Drt与紫外线
7接收器桥臂平衡电阻&连接；两端连接点按正向跨接在电路工作电源E正极与地之间；两桥臂两侧的χ点和y点分别连接到运算放大器A的同相输入端和反相输入端。运算放大器静态偏流电阻R跨接在电路工作电源E正极与运算放大器A的反相输入端之间，运算放大器反馈&电阻跨接在运算放大器A的输出端与反相输入端之间。在操控终端1内PC机的总线扩展槽中，插入具有模数转换、处理和数据通讯功能的A/D板AD，作为反馈信号处理单元，将浓度反馈电信号转化为反映处理效率的数字信号，再通过数据总线传输，由中央处理单元CPU进行数据处理与控制使用；运算放大器A的输出端，通过检测信号反馈线51，以双端输入方式，连接到操控终端1内A/D板AD的模拟输入端子。
权利要求1.一种超声波生物优化处理的频率控制系统，其特征是系统由操控终端(1)、超声波电力产生环节( 装置、换能执行环节( 器件、处理槽罐紫外线检测环节(4)和检测信号转换环节( 装置组成；操控终端(1)通过控制、反馈信号线路连接到宽频域超声波电力产生环节O)，超声波电力产生环节( 通过电力电缆，连接到处理槽罐内的换能执行环节 (3)；处理槽罐紫外线检测环节(4)配置处的检测信号转换环节(5)，通过前述电力电缆的附带屏蔽芯线，连接到超声波电力产生环节(2)的对应转接端子，以与送向操控终端(1)的反馈信号线连接；处理槽罐作为生物处理流程的核心环节，其原处理液从其下底中心的管路入口流入，生成处理液经其侧壁上部的出口管路流出。
2.根据权利要求1所述的超声波生物优化处理的频率控制系统，其特征是操控终端 (1)包括总控、显示及运行参数设置功能环节和扫频模式与功率给定环节(12)，总控、显示及运行参数设置功能环节(11)由上位机PC构成，扫频模式与功率给定环节(12)由配置在超声波电力产生环节( 上的操作执行单元构成；超声波电力产生环节O)由超声波电源装置构成；换能执行环节(3)由换能器-变幅杆-工具头振子结构构成；处理槽罐紫外线检测环节(4)由配置在处理槽罐上的紫外线发射、接收对管构成；检测信号转换环节( 由低噪声、高输入阻抗运放的比较、放大电路结构构成。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的超声波生物优化处理的频率控制系统，其特征是超声波电力产生环节( 装置由超声波信号发生环节(a)、隔离驱动环节(b)、功率放大环节(C)、功率、频率匹配环节(d)和功率、频率控制环节(e)组成；超声波信号发生环节 (a)，通过单片机MCU及其外围电路结构，产生所需频率正弦波信号；隔离驱动环节(b)，通过专用IGBT或M0SFEET驱动芯片及其外围电路结构，实现所需频率正弦波包络及相应于所需功率占空比的PWM功率驱动信号；功率放大环节(c)，通过IGBT或M0SFEET器件及其电路结构，实现PWM驱动下的直流-交流电力逆变；功率、频率匹配环节(d)，通过电感耦合及其电路结构，实现将PWM交流电力与换能器的谐振匹配，同时取得功率、频率反馈信号；功率、频率控制环节(e)，通过反馈信号处理电路、锁相环路，实现对设定功率、频率的跟踪、锁定和控制。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的超声波生物优化处理的频率控制系统，其特征是最终实现超声波换能执行环节(3)的工作面，是换能器-变幅杆-工具头振子结构的换能器振子端面(31)，置于处理槽罐的中心偏上部位；超声波电力输出线(32)，将超声波电力产生环节O)的电力输出端子与超声波换能执行环节(3)的换能器电力输入端子连接，将超声波电力产生环节( 产生的超声波电力送给换能器；处理槽罐Gl)作为处理液0 的承载容器，可以是封闭式盒槽罐，也可以通过下底和侧壁分别装配入液管和出液管，使其中的处理液0 勻速流动；处理槽罐Gl)的左侧和右侧，分别安装紫外线发射器 (43)和装有紫外线接收器G5)的检测信号转换环节(5)，并使紫外线发射器03)和紫外线接收器G5)头面相对，两器件的光轴心线穿过换能器振子端面(31)中心线下方，距离换能器振子端面(31) —个端面半径长度；紫外线发射器G3)通过紫外线发射驱动线G4)连接到检测信号转换环节(5)；检测信号反馈线(51)连接检测信号转换环节( 与操控终端 (1)的上位机PC，将检测信号转换环节( 输出的超声波处理效率反馈信号送给总控、显示及运行参数设置功能环节(11)。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的超声波生物优化处理的频率控制系统，其特征是在检测信号转换环节(5)中，紫外线发射管(LED)与紫外线发射管限流保护电阻OO 串联，按正向跨接在电路工作电源(E)正极与地之间；紫外线接收管(Dri)与紫外线接收器桥臂平衡电阻(R2)串连，紫外线接收管(Drt)与紫外线接收器桥臂平衡电阻(R1)串连，以此构成的紫外线接收器的两桥臂；在两桥臂的一端，紫外线接收管(Dri)与紫外线接收器桥臂平衡电阻(R1)连接；在两桥臂的另一端，紫外线接收管(DJ与紫外线接收器桥臂平衡电阻 (R2)连接；两端连接点按正向跨接在电路工作电源E正极与地之间；两桥臂两侧的χ点和 y点分别连接到运算放大器㈧的同相输入端和反相输入端；运算放大器静态偏流电阻(R) 跨接在电路工作电源(E)正极与运算放大器A的反相输入端之间，运算放大器反馈(Rf)电阻跨接在运算放大器(A)的输出端与反相输入端之间；在操控终端(1)内PC机的总线扩展槽中，插入具有模数转换、处理和数据通讯功能的A/D板(AD)；运算放大器(A)的输出端， 通过检测信号反馈线(51)，以双端输入方式，连接到操控终端(1)内A/D板(AD)的模拟输入端子。
专利摘要一种超声波生物优化处理的频率控制系统。系统由操控终端(1)、超声波电力产生环节(2)、换能执行环节(3)、处理槽罐紫外线检测环节(4)和检测信号转换环节(5)组成；操控终端(1)通过控制、反馈信号线路连接到宽频域超声波电力产生环节(2)，超声波电力产生环节(2)通过电力电缆，连接到处理槽罐内的换能执行环节(3)；处理槽罐紫外线检测环节(4)配置处的检测信号转换环节(5)，通过前述电力电缆的附带屏蔽芯线，连接到超声波电力产生环节(2)的对应转接端子，以与送向操控终端(1)的反馈信号线连接；处理槽罐作为生物处理流程的核心环节，其原处理液从其下底中心的管路入口流入，生成处理液经其侧壁上部的出口管路流出。
文档编号C12M1/42GK201933089SQ2010201918
公开日2011年8月17日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者屈百达 申请人:江南大学