一种微粒悬浮动态聚焦加热系统及其加热方法
【专利摘要】本发明属于材料加工技术领域，公开了一种微粒悬浮动态聚焦加热系统，包括计算机控制模块、温度反馈模块、位置反馈模块、超声驻波悬浮模块、超声动态聚焦加热模块，计算机控制模块通讯连接位置反馈模块、温度反馈模块、超声驻波悬浮模块、超声动态聚焦加热模块；超声驻波悬浮模块包括超声发生器、超声换能器和反射端，超声发生器电连接超声换能器，超声换能器的辐射端和反射端构成谐振腔；超声动态聚焦加热模块包括多道信号超声发生器和超声换能器阵列，多道信号超声发生器电连接超声换能器阵列；还公开了该加热系统的加热方法。该加热系统对微粒无污染，对微粒没有导电导磁的要求、没有固液态的限制、没有透明性的要求，加热方法简单。
【专利说明】
一种微粒悬浮动态聚焦加热系统及其加热方法
技术领域
[0001]本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种基于复合超声技术的微粒悬浮动态聚焦加热系统及其加热方法。【背景技术】
[0002]随着凝聚态物质研究的不断深入，人们对于实验条件的要求越来越严苛，其中空间环境便是这样的一种特殊环境，其微重力、无容器和超高真空效应对凝固现象和流体现象的研究来说是非常理想的实验条件。在过去几十年内航空航天技术得到了迅猛发展，但是人们迄今所获得的空间资源仍然十分有限，因此模拟空间环境中各种效应的地面方法应运而生。利用声悬浮技术可以模拟空间环境中的无容器状态，在地面上对材料进行无容器熔炼，可以防止坩埚材料对熔炼材料的接触污染，这对于材料的分析研究具有重要的现实意义。另外，无容器技术为研究液滴表面的流体动力学和液态材料物理化学性质的高精度测量提供了良好的实验条件。
[0003]对于悬浮材料的加热方法方面，现有的加热方法主要集中于通过激光加热、电磁加热等方法上，但是这些方法存在明显的不足。采用激光加热的方法只能针对透明材料，对于非透明材料，激光很难穿透，能量无法传输到特定的区域;采用电磁加热的方法对材料有特殊的要求，即材料要具有导电、导磁性的限制。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于复合超声技术的微粒悬浮动态聚焦加热系统及其加热方法。该加热系统将超声驻波悬浮技术与超声相控聚焦技术复合形成超声复合场技术，超声驻波悬浮技术是利用超声换能器的辐射端产生高频的活塞式振动，在介质中形成声场，在声波传输路径上放置反射端，使声波反射回来与入射声波相互叠加，调节辐射端面与反射端面之间的距离，使之为超声波半波长的整数倍，入射波与反射波在声场空间中反复多次叠加形成高强驻波声场，并形成辐射声压，置于驻波声场中的微粒在辐射声压的作用下，达到悬浮状态;超声聚焦技术将声能转换为热能，其实质是声波以振动的形式由近及远传播能量的过程，超声能量的介入引起媒质中各微元部分的激烈振动和相互之间的摩擦，使得部分声能转化为热能，能使媒质局部温度迅速升高，当多束声波同时汇聚在媒质局部时，可使媒质局部温度在短时间内升高更快;结合驻波悬浮技术对材料的无容器抓取悬浮，对材料没有导电导磁要求、固液态的限制，而且对于非透明材料也能加热，使得运用领域更加的广泛，对于凝聚态物理学以及对研究液滴表面的流体动力学和液态材料物理化性质的高精度测量提供了良好的实验条件。
[0005]为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种微粒悬浮动态聚焦加热系统，包括计算机控制模块、温度反馈模块、位置反馈模块、超声驻波悬浮模块、超声动态聚焦加热模块，所述计算机控制模块通讯连接所述位置反馈模块、温度反馈模块、超声驻波悬浮模块、超声动态聚焦加热模块；
[0007]所述超声驻波悬浮模块包括超声发生器、超声换能器和反射端，所述超声发生器电连接超声换能器，所述超声换能器的辐射端和反射端构成谐振腔；
[0008]所述超声动态聚焦加热模块包括多道信号超声发生器和超声换能器阵列，所述多道信号超声发生器电连接超声换能器阵列。
[0009]进一步的，所述计算机控制模块包括输入单元、数据存储单元、数据处理单元、输出单元、控制器和显示器，所述输入单元与数据存储单元采用接口连接，所述数据存储单元与数据处理单元、输出单元、控制器、显示器采用接口连接。
[0010]进一步的，所述输出单元采用USB连接所述超声发生器。
[0011]进一步的，所述输出单元采用采用CAN总线连接所述多道信号超声发生器。
[0012]进一步的，所述温度反馈模块包括红外温度传感器、第一模数转换单元和第一单片机80C51，所述第一单片机80C51采用USB连接所述输入单元。
[0013]进一步的，所述位置反馈模块包括超声波位置传感器、第二模数转换单元和第二单片机80C51，所述第二单片机80C51采用USB连接所述输入单元。
[0014]进一步的，所述反射端的端面是平面或凹球面。
[0015]本发明还公开了一种基于微粒悬浮动态聚焦加热系统的加热方法，包括以下步骤:
[0016] (1)利用计算机控制模块启动超声驻波悬浮模块，所述超声发生器与超声换能器调谐匹配后发射的第一超声波在谐振腔内形成驻波，将微粒置于谐振腔内，使微粒悬浮；
[0017] (2)待微粒稳定悬浮后，所述位置反馈模块和温度反馈模块对微粒的位置和温度进行实时监测，然后将位置和温度信号传输至计算机控制模块；
[0018] (3)利用计算机控制模块启动超声动态聚焦加热模块，根据所述微粒的位置和温度，基于相控延时聚焦技术，将多道信号超声发生器与超声换能器阵列发射的第二超声波聚焦于所述微粒，从而对所述微粒进行动态聚焦加热；[〇〇19] (4)当温度反馈模块监测到微粒被加热至所需温度时，所述计算机控制模块控制超声动态聚焦加热模块停止运行。
[0020]本发明与现有技术相比，有益效果是:
[0021] (1)本发明的微粒悬浮动态聚焦加热系统将超声驻波悬浮技术与超声相控聚焦技术复合形成超声复合场技术对微粒进行悬浮加热，对微粒无污染，对微粒没有导电导磁的要求、没有固液态的限制、没有透明性的要求，应用领域更广泛。
[0022] (2)本发明的微粒悬浮动态聚焦加热系统通过调节谐振腔辐射面与反射面位置可以控制一个或多个对象在驻波节点悬浮，利用超声相控动态聚焦加热技术可以同时对多个对象进行加热。
[0023] (3)本发明基于微粒悬浮动态聚焦加热系统的加热方法，运用优化的相控聚焦技术，可对直径小于半个波长的材料进行整体加热，也可对材料内部区域动态扫描式加热，形成加热轨迹。【附图说明】
[0024]图1为本发明微粒悬浮动态聚焦加热系统框架图。
[0025]图2为本发明实施例一中的单轴式平面驻波悬浮-相控聚焦微粒加热示意图。
[0026]图3为本发明实施例一中计算机控制模块中各部件的连接示意图。
[0027]图4为本发明实施例二中的单轴式凹球面驻波悬浮-相控聚焦多微粒加热示意图。
[0028]图5为本发明实施例三中的单轴式平面驻波悬浮-相控聚焦微粒内部区域动态曲线加热示意图。【具体实施方式】[〇〇29]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
[0030]实施例一:
[0031]如图1-3所示，本实施例的微粒悬浮动态聚焦加热系统，包括计算机控制模块、位置反馈模块、温度反馈模块、超声驻波悬浮模块和超声动态聚焦加热模块。[0〇32]计算机控制模块，包括输入单元、数据存储单元、数据处理单元、输出单元、控制器和显示器，输入单元与数据存储单元采用接口连接，输入单元完成信号的输入并存储于数据存储单元，数据存储单元与控制器、数据处理单元、输出单元、显示器采用接口连接，控制器控制数据存储单元完成对输出单元、显示器、数据处理单元的信号传输，数据存储单元与数据处理单元完成信号的双向传输，数据存储单元将信号传输至输出单元，数据存储单元将信号传输至显示器，从而完成对信号的输入、存储、处理、输出并通过转换为数字或者图形显示于显示器中。
[0033]温度反馈模块41包括红外温度传感器、第一单片机80C51和第一模数转换单元，通过红外温度传感器对温度的模拟信号进行采集，再通过第一模数转换单元对采集的模拟信号进行模数转换，把转换得到的数字信号输送至第一单片机80C51，并通过第一单片机 80C51的USB 口与计算机控制模块的输入单元连接，通过计算机控制模块对信号的处理，最终将温度信息显示于显示器上，实时监控微粒31的温度变化。[〇〇34]位置反馈模块21包括超声波位置传感器、第二单片机80C51和第二模数转换单元， 通过超声波位置传感器对位置的模拟信号进行采集，再通过第二模数转换单元对采集的模拟信号进行模数转换，把转换得到的数字信号输送至第二单片机80C51，并通过第二单片机 80C51的USB 口与计算机控制模块的输入单元连接，通过计算机控制模块对信号的处理，最终将位置信息显示于显示器上，对微粒31进行实时定位。
[0035]超声驻波悬浮模块包括超声发生器、超声换能器和反射端，超声换能器的辐射端与反射端构成谐振腔，超声发生器通过USB连接于计算机控制模块的输出单元，超声发生器与超声换能器电连接，利用超声换能器的辐射端产生高频的活塞式振动，在介质中形成声场，并在声波传输路径上放置反射端，使声波反射回来与入射波相互叠加，调节辐射端面与反射端面之间的距离，使之为超声波半波长的整数倍，入射波与反射波在谐振腔内反复多次叠加形成高强驻波声场，并形成辐射声场，置于驻波声场中的物体在辐射声压的作用下， 达到悬浮状态。本实施例的谐振腔为超声换能器辐射端面11和反射端51构成的空间。超声发生器与超声换能器进行调谐匹配，匹配后发射出的超声波在辐射端面11与反射端面51形成的谐振腔内形成驻波，根据驻波悬浮技术将直径小于半个波长的微粒稳定悬浮。其中超声发生器功率为1000W，频率为45KHz，换能器辐射端11与反射端51均为平面。
[0036]超声动态聚焦加热模块由多道信号超声发生器和超声换能器阵列61组成，多道信号超声发生器通过CAN总线与计算机控制模块的输出单元实现通讯连接，多道信号超声发生器电连接超声换能器阵列，多道信号超声换能器阵列61的压电阵元分布为16 X 16平面矩形分布，单个阵元为尺寸3 X 3mm矩形，阵元间距2mm，单个阵元功率为2W，频率1.5MHz。根据微粒的位置和温度，基于相控延时聚焦技术，控制多道信号超声发生器和超声换能器阵列发射出的超声波将能量聚焦至微粒所在的区域进行加热。
[0037]基于本实施例的微粒悬浮动态聚焦加热系统的加热方法，加热微粒31为球径3mm 的常温固体锡铋合金，熔点为58度，具体步骤如下:
[0038] (1)计算机控制模块控制超声发生器和超声换能器，超声发生器和超声换能器调谐匹配后辐射出第一超声波，通过调整换能器辐射端面11和反射端面51的距离为超声波半个波长的整数倍，第一超声波在谐振腔内形成驻波，将锡铋合金微粒31放置谐振腔内，通过谐振腔内的垂直辐射力和水平回复力将锡铋合金微粒悬浮在驻波点位置；[〇〇39] (2)温度测量模块21和位置测量模块41实时扫描锡铋合金微粒31的温度和位置信息传送给计算机控制模块；
[0040] (3)计算机控制模块根据锡铋合金微粒31的温度和位置信息控制多道信号换能器阵列61发出第二超声波，对锡铋合金微粒31进行聚焦加热，当温度达到60度时，计算机控制模块切断多道信号换能器阵列61控制信号，加热停止，当需要悬浮停止时，通过计算机控制模块切断超声换能器的控制信号，微粒将停止悬浮。
[0041]实施例二:
[0042]如图4所示，本实施例的微粒悬浮动态聚焦加热系统与实施例一的不同之处在于: 换能器辐射端12为平面，而反射端52为凹球面，辐射端面12与反射端面52的距离增大;多道信号超声换能器阵列62的压电阵元分布为32 X 32平面矩形分布，单个阵元为尺寸3 X 3_矩形，阵元间距2mm，单个阵元功率为2W，频率1.5MHz，其它结构参照实施例一。
[0043]基于本实施例的微粒悬浮动态聚焦加热系统的加热方法，两个加热微粒32为球径 3_的常温固体锡铋合金，熔点为58度，具体步骤如下:
[0044] (1)计算机控制模块控制超声发生器和超声换能器，超声发生器和超声换能器调谐匹配后辐射出第一超声波，通过调整换能器辐射端12和反射端面62的距离为超声波半个波长的整数倍，第一超声波在谐振腔内形成驻波，将两个锡铋合金微粒32分别放置谐振腔内，通过谐振腔内的垂直辐射力和水平回复力将锡铋合金微粒32分别悬浮在不同的驻波点位置；[〇〇45] (2)温度测量模块22和位置测量模块42实时扫描锡铋合金微粒32的温度和位置信息传送给计算机控制模块；
[0046] (3)计算机控制模块根据锡铋合金微粒32的温度和位置信息控制多道信号换能器阵列62发出第二超声波，分别对锡铋合金微粒32进行聚焦加热，当温度达到60度，计算机控制模块切断多道信号换能器阵列62控制信号，加热停止，当需要悬浮停止时，通过计算机控制模块切断超声换能器的控制信号，微粒将停止悬浮。[〇〇47] 实施例三:
[0048]如图5所示，本实施例的微粒悬浮动态聚焦加热系统与实施例一的不同之处在于: 超声发生器功率为2000W，频率为45KHz，换能器辐射端13与反射端53均为平面;多道信号超声换能器阵列63的压电阵元分布为64 X 64平面矩形分布，单个阵元为尺寸3 X 3mm矩形，阵元间距2mm，单个阵元功率为3W，频率5MHz，其它结构参照实施例一。
[0049]基于本实施例的微粒悬浮动态聚焦加热系统的加热方法，加热微粒32为球径8mm 的常温固体锡铋合金，熔点为58度，具体步骤如下:
[0050] (1)计算机控制模块控制超声发生器和超声换能器，超声发生器和超声换能器调谐匹配后辐射出第一超声波，通过调整换能器辐射端13和反射端面53的距离为超声波半个波长的整数倍，第一超声波在谐振腔内形成驻波，将锡铋合金微粒33放置于谐振腔内，通过谐振腔内的垂直辐射力和水平回复力将锡铋合金微粒悬浮在驻波点位置，[〇〇51] (2)温度测量模块23和位置测量模块43实时扫描锡铋合金微粒33的温度和位置信息传送给计算机控制模块，[〇〇52] (3)计算机控制模块根据锡铋合金微粒33的温度和位置信息控制多端信号换能器阵列63发出扫描式正弦曲线信号，第二超声波聚焦分别经过？1、？2、？3、？4、？5位置实现锡铋合金微粒33内部区域的正弦曲线式聚焦加热，当温度达到60度，计算机控制模块切断多道信号换能器阵列63控制信号，加热停止。[〇〇53]上述输入单元、数据存储单元、数据处理单元、输出单元、控制器、显示器、相控延时聚焦技术和第二单片机80C51属于现有技术。[〇〇54]以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在【具体实施方式】上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种微粒悬浮动态聚焦加热系统，其特征在于，包括计算机控制模块、温度反馈模 块、位置反馈模块、超声驻波悬浮模块、超声动态聚焦加热模块，所述计算机控制模块通讯 连接所述位置反馈模块、温度反馈模块、超声驻波悬浮模块、超声动态聚焦加热模块；所述超声驻波悬浮模块包括超声发生器、超声换能器和反射端，所述超声发生器电连 接超声换能器，所述超声换能器的辐射端和反射端构成谐振腔；所述超声动态聚焦加热模块包括多道信号超声发生器和超声换能器阵列，所述多道信 号超声发生器电连接超声换能器阵列。2.根据权利要求1所述的微粒悬浮动态聚焦加热系统，其特征在于，所述计算机控制模 块包括输入单元、数据存储单元、数据处理单元、输出单元、控制器和显示器，所述输入单元 与数据存储单元采用接口连接，所述数据存储单元与数据处理单元、输出单元、控制器、显 示器采用接口连接。3.根据权利要求2所述的微粒悬浮动态聚焦加热系统，其特征在于，所述输出单元采用 USB连接所述超声发生器。4.根据权利要求2所述的微粒悬浮动态聚焦加热系统，其特征在于，所述输出单元采用 采用CAN总线连接所述多道信号超声发生器。5.根据权利要求2所述的微粒悬浮动态聚焦加热系统，其特征在于，所述温度反馈模块 包括红外温度传感器、第一模数转换单元和第一单片机80C51，所述第一单片机80C51采用 USB连接所述输入单元。6.根据权利要求2所述的微粒悬浮动态聚焦加热系统，其特征在于，所述位置反馈模块 包括超声波位置传感器、第二模数转换单元和第二单片机80C51，所述第二单片机80C51采 用USB连接所述输入单元。7.根据权利要求1-6中任一项所述的微粒悬浮动态聚焦加热系统，其特征在于，所述反 射端的端面是平面或凹球面。8.基于权利要求7所述的微粒悬浮动态聚焦加热系统的加热方法，其特征在于，包括以 下步骤:(1)利用计算机控制模块启动超声驻波悬浮模块，所述超声发生器与超声换能器调谐 匹配后发射的第一超声波在谐振腔内形成驻波，将微粒置于谐振腔内，使微粒悬浮；(2)待微粒稳定悬浮后，所述位置反馈模块和温度反馈模块对微粒的位置和温度进行 实时监测，然后将位置和温度信号传输至计算机控制模块；(3)利用计算机控制模块启动超声动态聚焦加热模块，根据所述微粒的位置和温度，基 于相控延时聚焦技术，将多道信号超声发生器与超声换能器阵列发射的第二超声波聚焦于 所述微粒，从而对所述微粒进行动态聚焦加热；(4)当温度反馈模块监测到微粒被加热至所需温度时，所述计算机控制模块控制超声 动态聚焦加热模块停止运行。
【文档编号】G01N1/44GK106076450SQ201610391971
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610391971.2, CN 106076450 A, CN 106076450A, CN 201610391971, CN-A-106076450, CN106076450 A, CN106076450A, CN201610391971, CN201610391971.2
【发明人】樊冰, 庄龙, 张俐楠, 王洪成, 翟壮, 郭亚杰, 郑伟, 郭佳伟, 吴立群
【申请人】杭州电子科技大学