一种微粒悬浮动态聚焦加热系统及其加热方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料加工
，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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的不足，本专利技术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。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：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，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。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。进一步的，所述输出单元采用USB连接所述超声发生器。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。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。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。进一步的，所述反射端的端面是平面或凹球面。本专利技术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：(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。本专利技术与现有技术相比，有益效果是：(1)本专利技术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。(2)本专利技术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。(3)本专利技术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。附图说明图1为本专利技术微粒悬浮动态聚焦加热系统框架图。图2为本专利技术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。图3为本专利技术实施例一中计算机控制模块中各部件的连接示意图。图4为本专利技术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。图5为本专利技术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。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例一：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。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。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。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口与计算机控制模本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33