一种压电激励的模态切换型微操控测量系统及其方法

摘要

本发明公开了一种压电激励的模态切换型微操控测量系统及其方法，测量系统包括微操控装置、显微检测装置和计算装置；微操控装置包括容器、基板、四个换能器、四个固定螺栓和四个固定圆筒；换能器包含连接圆台、连接柱、压电陶瓷模块、预紧柱和预紧螺栓；容器固定在四个换能器的顶部，四个固定圆筒分别将四个换能器的底部固定在基板上。工作时，显微检测装置观测其载物台上微操控装置容器中微球的图像并将其传递给计算装置；计算装置分析图像并通过机器学习得到微球的运动轨迹和其形貌参数。本发明设备简单、价格便宜，采用压电激励的微操控装置实现对微球的无损、无接触操控，能够快速得到微球的运动轨迹和其形貌参数。

权利要求

1.一种压电激励的模态切换型微操控测量系统，其特征在于，包括微操控装置、显微检测装置和计算装置；

所述微操控装置包括容器、基板、第一至第四换能器、第一至第四固定螺栓、以及第一至第四固定圆筒；

所述容器为上端开口下端封闭的空心圆柱体，其侧壁上周向均匀设有第一至第四夹持片；所述第一至第四夹持片均和容器轴线垂直、中心均设有通孔；

所述第一至第四换能器结构相同，均包含连接圆台、连接柱、压电陶瓷模块、预紧柱和预紧螺栓；其中，所述压电陶瓷模块包含2n片呈圆环状的压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数；所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；所述连接柱呈圆柱状，其下端面沿轴线设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；所述连接圆台呈圆台状，其面积较大的一端和所述连接柱的上端面同轴固连、面积较小的一端中心设有螺纹孔；所述预紧柱为圆柱体，其沿轴线设有供所述预紧螺栓的螺柱穿过的沉头通孔；所述预紧螺栓的螺帽位于预紧柱沉头通孔的沉孔中，螺柱依次穿过预紧柱上的沉头通孔、2n片压电陶瓷片中心的通孔后和所述连接柱的螺纹孔螺纹相连，用于将所述2n片压电陶瓷片夹在连接柱、预紧柱之间并调节2n片压电陶瓷片两端的预压力；所述2n片压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，且相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述预紧柱的侧壁两侧设有对称的连接耳；

所述第一至第四固定螺栓一一对应穿过第一至第四夹持片中心的通孔后，再和第一至第四换能器连接圆台的螺纹孔一一对应螺纹相连，将所述容器固定在所述第一至第四换能器之间；

所述第一至第四固定圆筒结构相同，均为两端开口的通孔圆柱体；所述第一至第四固定圆筒一一对应套在所述第一至第四换能器的预紧柱外，上端和其对应预紧柱两侧的连接耳固连，下端均和所述基板上端面固连；

所述容器用于盛放液体承载介质以及液体承载介质中待测量形貌参数的微球；

所述显微检测装置采用商用工业显微镜，所述微操控装置的基板放置在显微检测装置的载物台上，使得容器水平放置；所述显微检测装置用于观测容器中微球的图像并将其传递给所述计算装置；

所述计算装置用于接收显微检测装置采集到的图像并对其进行分析，通过机器学习得到微球的运动轨迹和其形貌参数。

2.根据权利要求1所述的压电激励的模态切换型微操控测量系统，其特征在于，所述第一至第四换能器连接柱的侧壁上均设有一对平键，以配合其预紧螺栓调节其压电陶瓷模块两端的预压力。

3.根据权利要求1所述的压电激励的模态切换型微操控测量系统，其特征在于，所述n取2。

4.基于权利要求1所述的压电激励的模态切换型微操控测量系统的微操控方法，其特征在于，包含以下步骤：

令第一至第四换能器在基板上按顺时针依次排列，对第一至第四换能器分别施加第一至第四简谐电压信号，所述第一至第四简谐电压信号均为交流谐波信号且电压幅值相等、角频率相等；

如果需要对微球进行旋转操控：

调整第一至第四简谐电压信号使其相位依次相差π/2且角频率均等于预设的第一频率阈值ω1，同时激发出容器上的在空间上相差π/2相位差的模态，此时，液体承载介质中的声场分布与模态一致，即声压节点对应模态节点、声压波腹对应模态振幅最大处，放置在容器液体承载介质内的微球在声辐射力和液体粘滞力的作用下会朝着声压节点运动；而相差π/

2相位差的模态同时激发耦合出行波模态，在行波模态的声压条件下微球绕着容器中心做旋转运动；

如果需要对微球进行移动操控：

调整第一至第四简谐电压信号使其相位差为零且角频率均等于预设的第二频率阈值ω2，激发出容器的分离模态，此时容器中心处为振幅最大处和声压波腹区域，声压节点位置则分布在容器中心与其侧壁之间；在声辐射力和液体粘滞力的作用下放置在容器中心处的微球沿着半径方向朝圆周上的声压节点运动，从而实现对微球的移动操控；

如果需要对微球进行聚集操控：

调整第一至第四简谐电压信号使得第一简谐电压信号和第三简谐电压信号的相位差为零、第二简谐电压信号和第四简谐电压信号的相位差为零、第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差为π/2，且第一至第四简谐电压信号的角频率均为预设的第三频率阈值ω3，激发出容器的聚集模态；在聚集模态下容器中心处为模态节点位置和声压节点位置，而振幅最大处和声压波腹则在容器中心与其侧壁之间；在声辐射力和液体粘滞力的作用下放置在容器内的微球沿着半径方向朝中心的声压节点运动，从而实现对微球的聚集操控。

说明书

一种压电激励的模态切换型微操控测量系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微操控和微颗粒快速筛选领域，尤其涉及一种压电激励的模态切换型微操控测量系统及其方法。

背景技术

[0002] 激光约束核聚变ICF是以高功率、高能量密度激光为驱动源，采用球形内爆增压技术使球形靶丸内的核燃料达到点火条件，从而形成自持的热核反应。ICF有望为人类提供清
洁、无污染的能源。ICF实验对于作为核燃料容器的空心微球(靶丸)的品质在几何参数、表
面缺陷等方面有着严格的要求，靶丸的品质直接影响ICF打靶实验的成败。目前，对于测量
微球的几何参数所采用的检测设备，有X光射线仪、白光干涉仪、原子力显微镜等。这些仪器
的测量精度很高(可以达到微米级甚至纳米级)。然而这些设备存在检测效率低的缺点，且
微球均采用人工检测的方式，人员主观因素对微球筛选的影响较大。目前，单批次靶丸的制
备量巨大，现有设备的检测效率低，所以不可能全部采用高精度的筛选方法，急需要一种微
球快速测量进而进行筛选的装置，提高微球的筛选效率。

[0003] 由于靶丸具有尺寸微小(直径100 1000μm)、结构脆弱、粘性强等特点，所以操控微~
球的设备不能对微球造成二次损伤。而采用声波为驱动源的微操控技术具有高生物相容
性、微尺度操控稳定等优点，意味着微操控技术可以应用于微球的无损操控和测量中。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电激励的模态切换型微操控测量系统及其方法。

[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0006] 一种压电激励的模态切换型微操控测量系统，包括微操控装置、显微检测装置和计算装置；

[0007] 所述微操控装置包括容器、基板、第一至第四换能器、第一至第四固定螺栓、以及第一至第四固定圆筒；

[0008] 所述容器为上端开口下端封闭的空心圆柱体，其侧壁上周向均匀设有第一至第四夹持片；所述第一至第四夹持片均和容器轴线垂直、中心均设有通孔；

[0009] 所述第一至第四换能器结构相同，均包含连接圆台、连接柱、压电陶瓷模块、预紧柱和预紧螺栓；其中，所述压电陶瓷模块包含2n片呈圆环状的压电陶瓷片，n为大于等于1的
自然数；所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；所述连接柱呈圆柱状，其下端面沿轴线设有和所述
预紧螺栓相配合的螺纹孔；所述连接圆台呈圆台状，其面积较大的一端和所述连接柱的上
端面同轴固连、面积较小的一端中心设有螺纹孔；所述预紧柱为圆柱体，其沿轴线设有供所
述预紧螺栓的螺柱穿过的沉头通孔；所述预紧螺栓的螺帽位于预紧柱沉头通孔的沉孔中，
螺柱依次穿过预紧柱上的沉头通孔、2n片压电陶瓷片中心的通孔后和所述连接柱的螺纹孔
螺纹相连，用于将所述2n片压电陶瓷片夹在连接柱、预紧柱之间并调节2n片压电陶瓷片两
端的预压力；所述2n片压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，且相邻压电陶瓷片的极化方向相
反；所述预紧柱的侧壁两侧设有对称的连接耳；

[0010] 所述第一至第四固定螺栓一一对应穿过第一至第四夹持片中心的通孔后，再和第一至第四换能器连接圆台的螺纹孔一一对应螺纹相连，将所述容器固定在所述第一至第四
换能器之间；

[0011] 所述第一至第四固定圆筒结构相同，均为两端开口的通孔圆柱体；所述第一至第四固定圆筒一一对应套在所述第一至第四换能器的预紧柱外，上端和其对应预紧柱两侧的
连接耳固连，下端均和所述基板上端面固连；

[0012] 所述容器用于盛放液体承载介质以及液体承载介质中待测量形貌参数的微球；

[0013] 所述显微检测装置采用商用工业显微镜，所述微操控装置的基板放置在显微检测装置的载物台上，使得容器水平放置；所述显微检测装置用于观测容器中微球的图像并将
其传递给所述计算装置；

[0014] 所述计算装置用于接收显微检测装置采集到的图像并对其进行分析，通过机器学习得到微球的运动轨迹和其形貌参数。

[0015] 作为本发明一种压电激励的模态切换型微操控测量系统进一步的优化方案，所述第一至第四换能器连接柱的侧壁上均设有一对平键，以配合其预紧螺栓调节其压电陶瓷模
块两端的预压力。

[0016] 作为本发明一种压电激励的模态切换型微操控测量系统进一步的优化方案，所述n取2。

[0017] 本发明还公开了一种该压电激励的模态切换型微操控测量系统的微操控方法，包含以下步骤：

[0018] 令第一至第四换能器在基板上按顺时针依次排列，对第一至第四换能器分别施加第一至第四简谐电压信号，所述第一至第四简谐电压信号均为交流谐波信号且电压幅值相
等、角频率相等；

[0019] 如果需要对微球进行旋转操控：

[0020] 调整第一至第四简谐电压信号使其相位依次相差π/2且角频率均等于预设的第一频率阈值ω1，同时激发出容器上的在空间上相差π/2相位差的模态，此时，液体承载介质中
的声场分布与模态一致，即声压节点对应模态节点、声压波腹对应模态振幅最大处，放置在
容器液体承载介质内的微球在声辐射力和液体粘滞力的作用下会朝着声压节点运动；而相
差π/2相位差的模态的同时激发耦合出行波模态，在行波模态的声压条件下微球绕着容器
中心做旋转运动；

[0021] 如果需要对微球进行移动操控：

[0022] 调整第一至第四简谐电压信号使其相位差为零且角频率均等于预设的第二频率阈值ω2，激发出容器的分离模态，此时容器中心处为振幅最大处和声压波腹区域，声压节
点位置则分布在容器中心与其侧壁之间；在声辐射力和液体粘滞力的作用下放置在容器中
心处的微球沿着半径方向朝圆周上的声压节点运动，从而实现对微球的移动操控；

[0023] 如果需要对微球进行聚集操控：

[0024] 调整第一至第四简谐电压信号使得第一简谐电压信号和第三简谐电压信号的相位差为零、第二简谐电压信号和第四简谐电压信号的相位差为零、第一简谐电压信号和第
二简谐电压信号的相位差为π/2，且第一至第四简谐电压信号的角频率均为预设的第三频
率阈值ω3，激发出容器的聚集模态；在聚集模态下容器中心处为模态节点位置和声压节点
位置，而振幅最大处和声压波腹则在容器中心与其侧壁之间；在声辐射力和液体粘滞力的
作用下放置在容器内的微球沿着半径方向朝中心的声压节点运动，从而实现对微球的聚集
操控。

[0025] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0026] 1. 设备简单、价格便宜，可以降低微球测量的成本；

[0027] 2. 采用压电激励的微操控装置可以实现对微球的无损操控，操控手段包括：旋转操控、移动操控、聚集操控；

[0028] 3. 计算装置通过机器学习能够快速得到微球的运动轨迹和其形貌参数。

附图说明

[0029] 图1是本发明的结构示意图；

[0030] 图2是本发明中微操控装置的结构示意图；

[0031] 图3是本发明中第一换能器的结构示意图；

[0032] 图4是本发明中显微检测装置的结构示意图；

[0033] 图5是本发明微操控装置中第一至第四换能器电信号施加方式的示意图；

[0034] 图6是本发明中微操控装置B13模态的仿真示意图；

[0035] 图7是本发明中微球在行波模态下运动示意以及其对应B13模态仿真的对比示意图；

[0036] 图8是本发明中一个应用于微球移动操控的容器模态仿真示意图；

[0037] 图9是本发明中微球在移动操控状态下运动以及其对应分离模态仿真的对比示意图；

[0038] 图10是本发明中一个应用于微球聚集操控的模态(容器面外B12模态)仿真示意图；

[0039] 图11是本发明中微球在聚集操控状态下运动以及其对应聚集模态仿真的对比示意图。

[0040] 图中，1‑微操控装置，2‑显微检测装置，3‑计算机智能装置，1.1‑容器，1.2‑第四换能器，1.3‑第四固定圆筒，1.4‑基板，1.2.1‑连接圆台，1.2.2‑连接柱，1.2.3‑压电陶瓷模
块，1.2.4‑预紧柱，1.2.5‑预紧螺栓，2.1‑CCD相机，2.2‑显微镜头，2.3‑显微镜支架，2.4‑载
物台，2.5‑显示屏。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

[0042] 本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范
围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

[0043] 如图1所示，本发明公开了一种压电激励的模态切换型微操控测量系统，包括微操控装置、显微检测装置和计算装置。

[0044] 如图2所示，所述微操控装置包括容器、基板、第一至第四换能器、第一至第四固定螺栓、以及第一至第四固定圆筒。

[0045] 所述容器为上端开口下端封闭的空心圆柱体，其侧壁上周向均匀设有第一至第四夹持片；所述第一至第四夹持片均和容器轴线垂直、中心均设有通孔。

[0046] 如图3所示，所述第一至第四换能器结构相同，均包含连接圆台、连接柱、压电陶瓷模块、预紧柱和预紧螺栓；其中，所述压电陶瓷模块包含2n片呈圆环状的压电陶瓷片，n为大
于等于1的自然数；所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；所述连接柱呈圆柱状，其下端面沿轴线
设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；所述连接圆台呈圆台状，其面积较大的一端和所述
连接柱的上端面同轴固连、面积较小的一端中心设有螺纹孔；所述预紧柱为圆柱体，其沿轴
线设有供所述预紧螺栓的螺柱穿过的沉头通孔；所述预紧螺栓的螺帽位于预紧柱沉头通孔
的沉孔中，螺柱依次穿过预紧柱上的沉头通孔、2n片压电陶瓷片中心的通孔后和所述连接
柱的螺纹孔螺纹相连，用于将所述2n片压电陶瓷片夹在连接柱、预紧柱之间并调节2n片压
电陶瓷片两端的预压力；所述2n片压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，且相邻压电陶瓷片的
极化方向相反；所述预紧柱的侧壁两侧设有对称的连接耳。

[0047] 所述第一至第四固定螺栓一一对应穿过第一至第四夹持片中心的通孔后，再和第一至第四换能器连接圆台的螺纹孔一一对应螺纹相连，将所述容器固定在所述第一至第四
换能器之间。

[0048] 所述第一至第四固定圆筒结构相同，均为两端开口的通孔圆柱体；所述第一至第四固定圆筒一一对应套在所述第一至第四换能器的预紧柱外，上端和其对应预紧柱两侧的
连接耳固连，下端均和所述基板上端面固连。

[0049] 所述容器用于盛放液体承载介质以及液体承载介质中待测量形貌参数的微球；本发明中待分离的微球包括微颗粒、细胞及生物体等，其尺度在纳米到毫米之间；根据微球的
不同，容器中需加入不同的液体承载介质，如去离子水、无水乙醇、培养液、组织液等。

[0050] 如图4所示，所述显微检测装置采用商用工业显微镜，包括CCD相机、显微镜头、显微镜支架、载物台和显示屏；所述微操控装置固定圆筒的下端放置在显微检测装置的载物
台上，使得容器水平放置；微操控装置容器内的微球通过显微镜头和CCD相机的组合来观
测，观测到的微球图像在显示屏上实时显示并传递给所述计算装置。

[0051] 所述计算装置用于接收显微检测装置采集到的图像并对其进行分析，通过机器学习得到微球的运动轨迹和其形貌参数。

[0052] 所述计算装置可以采用计算机，也可以才用计算芯片。

[0053] 所述第一至第四换能器连接柱的侧壁上均设有一对平键，以配合其预紧螺栓调节其压电陶瓷模块两端的预压力；所述n优先取2。

[0054] 本发明还公开了一种该压电激励的模态切换型微操控测量系统的微操控方法，包含以下步骤：

[0055] 如图5所示，令第一至第四换能器在基板上按顺时针依次排列，对第一至第四换能器分别施加第一至第四简谐电压信号U1、U2、U3、U4，所述第一至第四简谐电压信号均为交
流谐波信号且电压幅值相等、角频率相等；

[0056] 如果需要对微球进行旋转操控：

[0057] 调整第一至第四简谐电压信号使其相位依次相差π/2且角频率均等于预设的第一频率阈值ω1，同时激发出容器上的在空间上相差π/2相位差的模态(例如容器面外B13模
态，B13模态如图6所示)，此时，液体承载介质中的声场分布与模态一致，即声压节点对应模
态节点、声压波腹对应模态振幅最大处，放置在容器液体承载介质内的微球在声辐射力和
液体粘滞力的作用下会朝着声压节点运动，如图7所示；而相差π/2相位差的模态同时激发
耦合出行波模态，在行波模态的声压条件下微球绕着容器中心做旋转运动；

[0058] 如果需要对微球进行移动操控：

[0059] 调整第一至第四简谐电压信号使其相位差为零且角频率均等于预设的第二频率阈值ω2，激发出容器的分离模态，如图8所示，此时容器中心处为振幅最大处和声压波腹区
域，声压节点位置则分布容器中心与其侧壁之间；在声辐射力和液体粘滞力的作用下放置
在容器中心处的微球沿着半径方向朝圆周上的声压节点运动，从而实现对微球的移动操
控，如图9所示；

[0060] 如果需要对微球进行聚集操控：

[0061] 调整第一至第四简谐电压信号使得第一简谐电压信号和第三简谐电压信号的相位差为零、第二简谐电压信号和第四简谐电压信号的相位差为零、第一简谐电压信号和第
二简谐电压信号的相位差为π/2，且第一至第四简谐电压信号的角频率均为预设的第三频
率阈值ω3，激发出容器的聚集模态(例如容器面外B12模态，如图10所示)；在聚集模态下容
器中心处为模态节点位置和声压节点位置，而振幅最大处和声压波腹则在容器中心与其侧
壁之间；在声辐射力和液体粘滞力的作用下放置在容器内的微球沿着半径方向朝中心的声
压节点运动，从而实现对微球的聚集操控，如图11所示。

[0062] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还
应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0063] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发
明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。