CN113063858A - 一种超声悬浮测试箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声悬浮测试箱，包括封闭的箱体，箱体内置有三维导轨单元，三维导轨单元上设有悬浮器单元；三维导轨单元包括与箱体底部接触的Y轴支架和沿Y轴支架来回移动的Z轴支架，Z轴支架上设有上下升降的X轴支架，X轴支架上设置有悬浮器单元；悬浮器单元包括两相互对称的半球状壳体，两半球状壳体内设有若干超声波换能器，超声波换能器可以通过手动控制或无线传输协议由移动终端进行控制。本发明的超声悬浮测试箱具有稳定性高和安全性好的特点。

Description

一种超声悬浮测试箱

技术领域

本发明涉及超声波悬浮测试设备仪器技术领域，具体是指一种超声悬浮测试箱。

背景技术

现有的声悬浮设备主要为开放式设备，开放条件下介质媒质的密度不变;密闭条件下介质媒质的密度会随温度变化而改变，影响测试的精度与准确性。同时，开放式条件下进行声悬浮测试，也具有一定的安全隐患，不利于实验的开展。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声悬浮测试箱，具有稳定性高和安全性好的特点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种超声悬浮测试箱，包括封闭的箱体，箱体内置有三维导轨单元，三维导轨单元设有悬浮器单元；三维导轨单元包括与箱体底部接触的Y轴支架和沿Y轴支架来回移动的Z轴支架，Z轴支架上设有上下升降的X轴支架，X轴支架移动悬浮式设置有悬浮器单元；悬浮器单元包括两相互嵌合的半球状壳体，两半球状壳体之间通设有若干作为测试探头的超声波换能器，超声波换能器通过无线传输协议由移动终端进行控制。

进一步地，Y轴支架包括两平行设置与箱体底部接触的Y轴支撑杆，Y轴支撑杆之间设有Y轴移动电机，Y轴移动电机的输出端驱动Z轴支架来回移动。

进一步地，Z轴支架包括两平行设置的Z轴支撑杆，Z轴支撑杆的顶部设有Z轴升降电机，Z轴升降电机的输出端驱动X轴支架上下移动。

进一步地，X轴支架包括设置在两Z轴支撑杆之间的X轴支撑杆和X轴旋转步进电机，X轴旋转步进电机的输出端连接有悬浮器固定板，悬浮器单元通过悬浮器固定板旋转式设置在X轴支撑杆上。

进一步地，在悬浮器单元中，两半球状壳体通过支撑柱上下嵌合有间隙式连接成型，超声波换能器设置在两半球状壳体相对空间内部。

进一步地，超声波换能器通过驱动单元接收无线传输信号驱动控制，驱动单元包括接收按键和无线传输信号的单片机，单片机通过驱动器与超声波换能器电连接，控制非常简单便捷。

进一步地，箱体上设有若干用于外接电源的导向孔和进行箱体内部操作控制的手套孔。

进一步地，箱体上还设有透明的箱门，箱体与箱门之间设有水封槽。通过透明的箱门设置，有效提升可视化操作的视野；采用水封槽，既方便箱体开启的操作，又有效避免对其密封性造成影响。

进一步地，箱体内部还设有数据采集单元和温控单元，有效拓展温度环境模拟和实时数据采集。

本发明一种超声悬浮测试箱，具有如下的有益效果：

第一、稳定性高，通过把三维导轨单元和悬浮器单元设置在密封的箱体内部形成密封的测试空间，可以有效避免外界环境如温度等干扰到悬浮物从而影响其测试稳定性；

第二、安全性好，通过把三维导轨单元和悬浮器单元设置在密封的箱体内部形成密封的测试空间，测试过程中操作者与箱体内部的测试环境相互隔离，避免内部悬浮测试的安全隐患和对操作者造成的伤害；

第三、悬浮力好，本发明的悬浮器单元是基于超声波发射头的衰减情况模拟得出最佳的聚焦式模型，采用两半球状壳体内置超声波换能器的方式，达到最佳的超声悬浮稳定性和超声悬浮力；

第四、应用性广，本发明的测试箱可以进行无接触物料运输的实验，测试过程实现物体无接触空间运输，可应用在航空航天领域、高纯度材料加工、硅晶片生产线以及微机电***（MEMS）装配操作等领域；

第五、操作便捷，通过设置温控单元和数据采集单元，可以有效地对箱体内部的环境进行温度模拟和进行可视化数据采集，操作非常方便。

附图说明

附图1为本发明一种超声悬浮测试箱的箱体结构示意图；

附图2为本发明一种超声悬浮测试箱的三维导轨单元结构示意图；

附图3为本发明一种超声悬浮测试箱的悬浮器单元结构示意图；

附图4为本发明一种超声悬浮测试箱的超声波换能器结构示意图；

附图5为本发明一种超声悬浮测试箱的驱动单元PWM信号相位示意图；

附图中的标记包括：100、箱体； 101、导向孔； 102、手套孔；103、水封槽；200、三维导轨单元；201、Y轴支撑杆；202、Y轴移动电机；203、Z轴支撑杆；204、Z轴升降电机；205、X轴支撑杆；300、悬浮器单元；301、半球状壳体；302、超声波换能器；303、悬浮器固定板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

如图1～4所示，本发明公开了一种超声悬浮测试箱，包括封闭的箱体100，箱体100内置有三维导轨单元200，三维导轨单元200设有悬浮器单元300；三维导轨单元200包括与箱体100底部接触的Y轴支架和沿Y轴支架来回移动的Z轴支架，Z轴支架上设有上下升降的X轴支架，X轴支架移动悬浮式设置有悬浮器单元300；悬浮器单元300包括两相互嵌合的半球状壳体301，两半球状壳体301之间通设有若干作为测试探头的超声波换能器302，超声波换能器302通过无线传输协议由移动终端进行控制。

如图2所示，Y轴支架包括两平行设置与箱体100底部接触的Y轴支撑杆201，Y轴支撑杆201之间设有Y轴移动电机202，Y轴移动电机202的输出端驱动Z轴支架来回移动。Z轴支架包括两平行设置的Z轴支撑杆203，Z轴支撑杆203的顶部设有Z轴升降电机204，Z轴升降电机204的输出端驱动X轴支架上下移动。X轴支架包括设置在两Z轴支撑杆203之间的X轴支撑杆205和X轴旋转步进电机206，X轴旋转步进电机206的输出端连接有悬浮器固定板303，悬浮器单元300通过悬浮器固定板303旋转式设置在X轴支撑杆205上。在具体实现上，旋转步进电机206为常规的步进电机和旋转电机的组合方式，使之同时具有直线移动和角度旋转的功能。

如图3所示，在悬浮器单元300中，两半球状壳体301通过支撑柱上下嵌合有间隙式连接成型，超声波换能器302设置在两半球状壳体301相对空间内部。在本发明中，为了方便制作，使用3D打印技术制作两半球状壳，然后将一定数量的超声换能器302装入其中。

在本发明中，超声波换能器302通过驱动单元接收无线传输信号驱动控制，驱动单元包括接收按键和无线传输信号的单片机，单片机通过驱动器与超声波换能器302电连接。

如图1所示，箱体100上设有若干用于外接电源的导向孔101和进行箱体100内部操作控制的手套孔102。箱体100上还设有透明的箱门，箱体100与箱门之间设有水封槽103。

在本发明中，箱体内部还设有数据采集单元和温控单元。在本发明中，温控单元主要为温控器和加热器，温控器和加热器控制测试箱内部的温度，探究温度对谐振距离的影响，有效拓展测试环境的应用。在本发明中，数据采集单元主要为CCD，采用CCD进行数据的采集，实时监测悬浮物体的状态和移动距离，安全性高，数据采集便捷。

在本发明中，三维导轨单元采用的是坐标轴的方式，通过XYZ三个轴系构建成三维的运动方式。三个轴均通过对应的步进进电机提供输出动力。具体上可以采用42步电机，传动件采用大小为8mm、导程为2mm的丝杆，通过铝合金联轴器与42步进电机相连。

在本发明中，三维导轨单元与悬浮器单元相连，通过电机控制悬浮器单元的三维平移和旋转从而实现无接触物料运输。三维导轨单元的主控使用STM32F103单片机，电机驱动为L298N，使用42步步进电机。通过铝管搭建一个方体框架，用单片机输出时序控制步进电机运动，实现悬浮器单元在方体铝架范围内方向和速度可控的三维移动，及声悬浮器X轴方向可控360度旋转。

在实际加工过程中，Y轴支撑杆（与地面接触一侧）采用两根欧标2020L，三根欧标2040L的铝材，大小均为8mm，导程为2mm的丝杆。并分别用2根8mm的光轴通过光轴固定座以及轴承底座进行固定。用3d打印的三角件连接欧标2020L铝材带动整个龙门架的移动。两端光轴通过两个大小为8mm的光轴滑块与龙门架连接。X轴支撑杆包括一根大小为8mm，导程为2mm的丝杆和一根大小为8mm的光轴。并用2个轴承座，2个光轴底座，一根欧标2040L铝材进行固定。两个大小为8mm法兰轴承在光轴上并与悬浮器单元固定板连接。丝杆上配一个丝杆螺母与悬浮器固定板连接。一个42步进电机与悬浮器固定板连接，不仅是主体X轴方向移动的动力输出，而且是实现悬浮器单元360°旋转的控制电机。Z轴支撑杆采用双轴双电机结构。两端均用42步进电机通过铝合金联轴器连接大小为8mm，导程为2mm的丝杆。

在驱动单元方面，采用STM32F103单片机为主控，使用L298N作为超声波换能器的驱动板，STM32定时器产生40KHZ的PWM波输出到L298N驱动板，声波换能器与L298N驱动板连接，从而使声波换能器输出能量波，实现物体悬浮。为了实现悬浮物体移动的可操作性，添加了控制电路，使用按键或无线控制单片机改变输出PWM波的相位，从而实现了悬浮物体在悬浮区间的上下左右移动。通过改变PWM波相位的速度进而控制悬浮物在悬浮区间的移动速度，PWM波的相位移动见附图5。在电源功率方面，使用可调节功率电源，功率可在一定范围变动，当物体较重时，加大电源输出功率，提高换能器的功率，使物体顺利悬浮；当悬浮物体较轻时，可以降低电源功率，在顺利悬浮物体时节省能源消耗。

在本发明的温控单元中，加热器采用功率为40w的硅橡胶加热线，其采用合金电阻丝外包耐高温绝缘硅橡胶制作，由电阻丝通电经外包绝缘塑料散发加温，其软态加温性能具有极高的稳定性。在测试箱中可由精度为0.1℃的智能温控器对测试箱内部进行升温并可检测容器内的温度变化。

在本发明中，为保证密闭性，箱体采用耐高温的PC板制成。在密闭加热条件下，超声悬浮的声辐射力会发生变化。因此，为了达到密闭效果，箱体由高性能的PC板围成的密闭容器，其密封部分主要由顶部密封水槽、立方体容器、连接紧固件组成。将三维导轨单元及悬浮器单元放置在密闭容器里，避免外部环境干扰到悬浮物，影响其稳定性。

在本发明的悬浮器单元中，超声波换能器采用了AT40-10PM超声波换能器。通过MATLAB、COMSOL等软件进行模拟仿真以及实际测量AT40-10PM超声波发射头的衰减情况，得出了最佳的聚焦式模型，具体如附图3所示。使用3D打印技术打出两个半球状壳体，两个凹球面的间距为48.3mm，球半径为48.3mm，把AT40-10PM超声波换能器以最密排布方式固定在凹球面上，上下换能器个数均为36个并围绕成3圈，由里往外每一圈的超声换能器个数分别为6、12、18，每一圈与竖直方向的夹角分别为19°、41°、79。

本发明的测试箱可以进行无接触物料运输的实验，其具体测试过程为：在确保测试箱完封闭整的情况下，接通电源，调节电源到合适功率（11-20v）,先观察悬浮器单元的位置，确保悬浮器单元能正常移动的情况下，通过操纵板的按键或移动终端如手机端APP使悬浮器单元移动，待移动到与被悬浮物体有一定距离时停下，改变移动速度，使悬浮器单元缓慢移动至被悬浮物体上方，再缓慢上升悬浮器单元，使被悬浮物体悬浮，或者通过改变单片机输出的PWM波相位，使PWM波相位相对之前向上移动，从而使被悬浮物体悬浮。再通过操纵机械结构进行三维空间移动，把悬浮物体运输到指定位置，再使其缓慢下移，完成物体无接触空间运输。

在应用层面，无接触空间传输在航空航天领域、高纯度材料加工、硅晶片生产线以及微机电***（MEMS）装配操作等方面都对传送方式和环境提出了更高的要求，如在操作环境要求更高、产品零件特别小的工作环境中。 使用声波悬浮技术，使物料实现悬浮，并通过改变输出PWM波相位或者通过机械三维空间移动的方法，可以实现无接触物料的空间运输。

在本发明中，为了达到密封气体的目的，可在箱体顶部涂抹真空脂或注水封闭后盖上顶板，当箱体内部充满二氧化碳气体后，通过温控器改变容器内部的温度，可以精准研究温度、空气密度等因素对声悬浮能力的影响。在现有的基础理论上对声波特性进行可视化的研究，开展此研究旨在提升声悬浮器的性能。

在本发明中，无线传输控制的方式可以为蓝牙、红外、zeebee、NFC等。以蓝牙为例，可以通过蓝牙通讯，使手机APP与建立通讯，手机APP可以直接对声波悬浮器进行无线操作，例如声波换能器的启动，空间三维移动。无线操作通过APP界面可以明了地操作设备，不再需要多人配合，减少了应用的人工成本。并且蓝牙通讯拥有快捷的信号更改能力，随时随地通过计算机更改主控与APP间的自定义指令。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语诸如 “上”、“下”、“前”、“后”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声悬浮测试箱，包括封闭的箱体，其特征在于：所述箱体内置有三维导轨单元，所述三维导轨单元上设有悬浮器单元；

所述三维导轨单元包括与箱体底部接触的Y轴支架和沿Y轴支架来回移动的Z轴支架，所述Z轴支架上设有上下升降的X轴支架，所述X轴支架上设置有悬浮器单元；

所述悬浮器单元包括两相互对称的半球状壳体，所述两半球状壳体内设有若干超声波换能器，所述超声波换能器通过手动控制或无线传输协议由移动终端进行控制。

2.根据权利要求1所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：所述Y轴支架包括两平行设置与箱体底部接触的Y轴支撑杆，所述Y轴支撑杆之间设有Y轴移动电机，所述Y轴移动电机的输出端驱动Z轴支架来回移动。

3.根据权利要求2所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：所述Z轴支架包括两平行设置的Z轴支撑杆，所述Z轴支撑杆的顶部设有Z轴升降电机，所述Z轴升降电机的输出端驱动X轴支架上下移动。

4.根据权利要求3所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：所述X轴支架包括设置在两Z轴支撑杆之间的X轴支撑杆和X轴旋转步进电机，X轴支撑杆连接有悬浮器固定板，悬浮器固定板上连接有X轴旋转步进电机，X轴旋转步进电机上固定了所述悬浮器单元。

5.根据权利要求4所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：在所述悬浮器单元中，两半球状壳体通过支撑柱上下对称连接成型，超声波换能器嵌入在两半球状壳体内部。

6.根据权利要求5所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：所述蓝牙芯片接收无线传输信号驱动单片机，单片机将接收到的指令发送给多个步进电机驱动单元和超声波换能器，所述步进电机驱动单元包括发送指令给步进电机。

7.根据权利要求6所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：所述箱体上设有若干用于外接电源的导向孔和进行箱体内部操作控制的手套孔。

8.根据权利要求7所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：所述箱体上还设有透明的箱门，所述箱体与箱门之间设有水封槽。

9.根据权利要求8所述的超声悬浮测试箱，其特征在于：所述箱体内部还设有数据采集单元和温控单元。

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