專利名稱：超聲波生物處理的頻率搜索控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲波生物處理方法。
背景技術：
現(xiàn)有的超聲波生物處理方法是通過事先設定或選擇超聲波發(fā)生設備的某一工作 頻率，然后以該頻率的超聲波作用于處理對象。但超聲波對對象的處理速率與超聲波頻率 高度相關，超聲波頻率不同，處理效率大不相同；而且，處理對象的生物細胞種類更與超聲 波頻率高度相關，不同的生物細胞，對不同頻率超聲波的敏感性大不相同。這就造成了現(xiàn)有 超聲波生物處理方法的初次超聲波頻率確定的盲目性，進而，對額外進行超聲波頻率分析、 確定形成依賴性。實際工作過程是利用某生物細胞在不同頻率下的處理情況，進行分組對 照、分析確定，得到有關數(shù)據(jù)；在以后的工作中，沿用該特定對象的數(shù)據(jù)，經驗地確定適合的 超聲波頻率。這已是習慣做法。本質上，這樣的方法并不能保證所工作的超聲波頻率就是 對對象高效的最佳頻率，也不能對不同的對象進行精確的精細頻率調整，積累的經驗也就 不是最佳工藝的；加之，該方法不僅在初期大量耗費人力、財力、物力，而且在沿用期也經常 地要求觀察、調整和維護。鑒于此，有必要研發(fā)一種新的高效策略，使超聲波生物處理工作 不再沿用先經分組對照、分析確定超聲波頻率，再經驗地確定所需頻率的低效做法，而是將 確定所需頻率的過程最大限度地高效、自動化進行。

發(fā)明內容
為彌補現(xiàn)有單一頻率超聲波在生物處理應用中的不足，本發(fā)明利用寬頻域超聲波 電源裝置，采用多頻帶處理順序搜索、捕捉、控制鎖定最佳處理頻率的運行策略，運行中，在 超聲波電源裝置工作頻域內，按頻帶頻率搜索方向依次配置與頻帶中心頻率匹配的換能 器-變幅桿(-工具頭)振子，通過操控(總控、顯示及運行參數(shù)設置功能和掃頻模式與功 率給定功能)終端協(xié)調、控制，在上、下限頻率界定頻帶上進行同步掃頻；參考換能器的固 有頻率，各頻帶上、下限頻率與掃描形式均可人工設定，也可自動連續(xù)續(xù)接。以此，使各種不 同的生物細胞、物品表面污漬、污染、污垢均能接受到適合頻率的超聲波作用，并鎖定在該 頻率上，從而成倍提高處理效率。 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是通過對處理液處理作用區(qū)域的濃度 監(jiān)測，利用程序計算，依次在各個頻帶上，在設定模式下得到濃度變化的動態(tài)，依據(jù)該動態(tài)， 確定最佳工藝頻率點。其運行控制的過程為 根據(jù)換能器可高效耦合帶寬，人工設置各處理頻帶的上、下限頻率，并配置與相應 頻帶中心頻率匹配的換能器_變幅桿(_工具頭)振子； ——通過操控終端，人工統(tǒng)一設置包括超聲波處理脈沖間歇比、脈沖寬度、頻率搜 索速率等的處理模式，以及超聲波電源輸出功率； ——依次從各頻帶下限開始自下而上(或從其上限開始自上而下)掃頻運行，即 處理槽罐中的處理液在換能器振子端面下，受超聲波空化作用而產生不同濃度的處理產
5物；同時，利用蛋白質對200nM 400nM光譜的吸收特性，在處理槽罐裝設紫外線檢測裝置， 利用其紫外線接收器，接收到受不同濃度處理產物吸收后而不同的紫外線光通量信號，使 之以相應變化幅度的電信號反饋給操控終端；在操控終端內，加設具有模數(shù)轉換、處理和數(shù) 據(jù)通訊功能的A/D板作為反饋信號處理單元，將濃度反饋電信號轉化為反映處理效率的數(shù) 字信號，再通過數(shù)據(jù)總線傳輸，由CPU進行數(shù)據(jù)處理與控制使用；—當處理槽罐紫外線檢測裝置檢測到高效處理頻帶時，保持該處理頻帶各運行 參數(shù)；否則，在原已運行的處理頻帶組合外，人工重新設置各處理頻帶上、下限頻率，并配置 與相應頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(-工具頭)振子； ——如果高效處理頻帶為上端頻帶(或下端頻帶)，保持該處理頻帶各運行參數(shù)， 并在原已運行的處理頻帶組合上端(或下端)以外，人工重新設置擴展的各處理頻帶的上、
下限頻率，并配置與相應頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(-工具頭)振子；否則，接下
止 少； ——從同頻帶下限開始自下而上(或從其上限開始自上而下)依次掃頻運行；
——當處理槽罐紫外線檢測裝置檢測到高效處理頻率時，保持該處理頻率各運行 參數(shù)；否則，在同頻帶繼續(xù)掃頻運行； ——處理頻帶上下限頻率匯聚到檢測到的高效頻率點，并控制、鎖定到該高效頻
量信號幅度趨于飽和時，說明液體液位已低于換能器振子端面；否則，在同頻帶繼續(xù)掃頻運 行。 其控制功能結構配置的技術方案為通過上位機PC，操控終端行使控制整個系統(tǒng) 的運行過程、參數(shù)設置，并換能器參數(shù)設置其頻帶上下頻率的功能；通過超聲波電力產生、 換能執(zhí)行、處理槽罐紫外線檢測和檢測信號轉換功能的系統(tǒng)配置，系統(tǒng)行使所在頻帶上掃 描頻率超聲波處理并檢測產生物光吸收量、反饋處理效率信號的功能；通過操作終端的掃
頻模式與功率給定環(huán)節(jié)，行使掃頻模式與功率給定模塊行使超聲波處理脈沖間歇比、處理 模式與電源輸出功率給定的功能；通過寬頻域超聲波電力產生裝置，行使將市電電力轉換 為超聲波電力的功能；通過換能器-變幅桿(-工具頭)振子結構，換能執(zhí)行環(huán)節(jié)實現(xiàn)將超 聲波電能轉換為超聲波機械能的功能；通過紫外線發(fā)射、接收對管在處理槽罐上的配置，處 理槽罐紫外線檢測環(huán)節(jié)利用被處理液中不同濃度產生物的不同光吸收作用，實現(xiàn)對紫外線 光通量變化的檢測，反映處理液中產生物的濃度變化；利用紫外線接收器將接收到的紫外 線光通量變化信號同步換為相應的濃度變化電信號，檢測信號轉換環(huán)節(jié)通過低噪聲、高輸 入阻抗運放的比較、放大等電路結構，將發(fā)射器得到的驅動信號與接收器送出的濃度變化 電信號加以比較、放大，按所設定的處理脈沖間歇比、模式，形成處理效率變化檢測電信號， 作為超聲波處理效率的反饋信號，送給操控能終端。 本發(fā)明的有益效果是通過多頻帶依次搜索、捕捉、控制鎖定最佳處理頻率，和紫 外線通量檢測、電腦功能設定等功能的技術提升，在以下幾方面表現(xiàn)出了其有益效果便于 通過程序軟件的改變，方便地調整控制方案和實現(xiàn)多種新型控制策略，可以實現(xiàn)運行數(shù)據(jù) 的自動儲存，有助于實現(xiàn)超聲波生物處理的智能化；可連續(xù)監(jiān)控、調節(jié)換能器、變幅桿、工具
率；
在高效頻率點鎖定運行； -當處理槽罐紫外線檢測裝置檢3
到處理效率處于漸近趨于零的過程，即光通頭的頻率以提供最佳的超聲輸出；其利用顯示器的過程監(jiān)控、參數(shù)圖示功能不僅可對所有 處理運行參數(shù)進行專門編程，還可以用圖形表達超聲頻率、功率、處理速度和處理過程理化 參數(shù)的變化；通過其操控終端的人機對話方式，可對處理程序進行調整，操作人員可按提示 輸入有關數(shù)據(jù)，操作直觀明了 ；免去了分組對照、分析確定最佳頻率的漫長時間消耗，容易 找到各種生物細胞處理的合適頻率，從而成倍提高處理效率；有利于建立其最佳工藝條件， 積累第一手資料。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明的一個實施例系統(tǒng)配置示意圖。
圖2是本實施例的系統(tǒng)控制功能結構框圖。
圖3是本實施例的處理槽罐配置示意圖。 圖4是本實施例系統(tǒng)控制功能結構的檢測信號轉換環(huán)節(jié)電路圖。 圖5是本實施例的運行流程圖。 圖6是本實施例的處理效率反饋數(shù)據(jù)處理流程圖。 在圖1、圖2、圖3和圖4中1.操控終端，ll.總控、顯示及運行參數(shù)設置功能(環(huán)
節(jié))，12.掃頻模式與功率給定環(huán)節(jié)，2.超聲波電力產生(環(huán)節(jié))，3.換能執(zhí)行(環(huán)節(jié))，4.處
理槽罐紫外線檢測(環(huán)節(jié))，5.檢測信號轉換(環(huán)節(jié))，a.超聲波信號發(fā)生環(huán)節(jié)，b.隔離驅
動環(huán)節(jié)，c.功率放大環(huán)節(jié)，d.功率、頻率匹配環(huán)節(jié)，e.功率、頻率控制環(huán)節(jié)。 在圖3和圖4中31.換能器振子端面，32.超聲波電力輸出線，41.處理槽罐，
42.處理液，43.紫外線發(fā)射器，44.紫外線發(fā)射驅動線，45.紫外線接收器，51.檢測信號反饋線。 在圖4中LED為紫外線發(fā)射管，Re為紫外線發(fā)射管限流保護電阻，Dri、Dr2為紫外 線接收管，&、 R2為紫外線接收器橋臂平衡電阻，R為運算放大器靜態(tài)偏流電阻，A為運算放 大器，Rf為運算放大器反饋電阻，E為電路工作電源；AD為A/D板，CPU為中央處理單元。
具體實施例方式
利用寬頻域超聲波電源裝置，考慮到換能器的諧振性能，在超聲波電源裝置工作 頻域內，采用多頻帶組合搜索、捕捉、控制鎖定最佳處理頻率的運行策略，在各個由上、下限 頻率界定的頻帶上順次進行掃頻，其中上、下限頻率與掃描形式均可人工定義，也可自動連 續(xù)續(xù)接。在各個頻帶上，通過對處理液作用區(qū)域的濃度監(jiān)測，利用程序計算，在設定模式下 依次得到濃度變化的動態(tài)，依據(jù)該動態(tài)，確定最佳工藝頻率點。 在圖l的系統(tǒng)配置示意圖中操控終端1通過控制、反饋信號線路連接到寬頻帶超 聲波電力產生2電源裝置。其中，超聲波電力產生2裝置通過電力電纜連接到處理槽罐中的 換能執(zhí)行3器件；處理槽罐紫外線檢測環(huán)節(jié)4配置處的檢測信號轉換5裝置，通過前述電力 電纜的附帶屏蔽芯線，連接到超聲波電力產生2電源裝置的轉接端子，以與送向操控終端l 的反饋信號線連接。處理槽罐作為生物處理流程的核心環(huán)節(jié)，其原處理液從其下底中心的 管路入口流入，生成處理液經其側壁上部的出口管路流出。
在圖2所示的系統(tǒng)控制功能結構框圖中總控、顯示及運行參數(shù)設置功能環(huán)節(jié)11，通過上位機PC，在控制整個系統(tǒng)的運行過程、參數(shù)設置，并根據(jù)各頻帶及其換能器參數(shù)設 置其頻帶上、下限頻率；超聲波電力產生環(huán)節(jié)2、換能執(zhí)行環(huán)節(jié)3、處理槽罐紫外線檢測環(huán)節(jié) 4和檢測信號轉換環(huán)節(jié)5的系統(tǒng)配置，行使掃描頻率超聲波處理并檢測產生物光吸收量、 反饋處理效率信號的功能；掃頻模式與功率給定環(huán)節(jié)12，通過配置在超聲波電力產生2設 備上的操作執(zhí)行單元，行使執(zhí)行功能，實現(xiàn)總控、顯示及運行參數(shù)設置功能環(huán)節(jié)11所做的 超聲波處理脈沖間歇比、模式與電源輸出功率給定；超聲波電力產生環(huán)節(jié)2，通過超聲波電 源裝置，行使將市電電力轉換為超聲波電力的功能；換能執(zhí)行環(huán)節(jié)3，通過換能器-變幅桿 (-工具頭)振子結構，實現(xiàn)將超聲波電能轉換為超聲波機械能的功能；處理槽罐紫外線檢 測環(huán)節(jié)4，通過紫外線發(fā)射、接收對管在處理槽罐上的配置，利用處理液中不同濃度產生物 的不同光吸收作用，實現(xiàn)對紫外線光通量變化的檢測，反映處理液中產生物的濃度變化；檢 測信號轉換環(huán)節(jié)5，利用紫外線接收器將接收到的紫外線光通量變化信號同步換為相應的 濃度變化電信號，通過低噪聲、高輸入阻抗運放的比較、放大電路結構，將發(fā)射器得到的驅 動信號與接收器送出的濃度變化電信號加以比較、放大，送給總控、顯示及運行參數(shù)設置功 能環(huán)節(jié)ll。 在圖2所示系統(tǒng)控制功能結構框圖的超聲波電力產生環(huán)節(jié)2的功能配置中超聲 波信號發(fā)生環(huán)節(jié)a，通過單片機MCU及其外圍電路結構，產生所需頻率正弦波信號；隔離驅 動環(huán)節(jié)b，通過專用IGBT或MOSFEET驅動芯片及其外圍電路結構，實現(xiàn)所需頻率正弦波包絡 及相應于所需功率占空比的P麗功率驅動信號；功率放大環(huán)節(jié)c，通過IGBT或M0SFEET器 件及其電路結構，實現(xiàn)P麗驅動下的直流_交流電力逆變；功率、頻率匹配環(huán)節(jié)d，通過電感 耦合及其電路結構，實現(xiàn)將P麗交流電力與換能器的諧振匹配，同時取得功率、頻率反饋信 號；功率、頻率控制環(huán)節(jié)e，通過反饋信號處理電路、鎖相環(huán)路等，實現(xiàn)對設定功率、頻率的 跟蹤、鎖定和控制。超聲波電力產生環(huán)節(jié)2的功能已有許多成熟的實現(xiàn)技術。
在圖3所示的處理槽罐配置示意圖中換能器-變幅桿(-工具頭)振子結構的換 能器振子端面31，置于處理槽罐的中心偏上部位，是最終實現(xiàn)超聲波換能執(zhí)行3的工作面。 在其下面附近空間區(qū)域，處理液42中的生物細胞由于超聲波的空化作用而產生游離產物， 從而使處理液42的濃度上升，上升的速度與超聲波頻率相關。超聲波電力輸出線32，將超 聲波電力產生2電源裝置的電力輸出端子與超聲波換能執(zhí)行3換能器的電力輸入端子連 接，將超聲波電力產生2電源裝置產生的超聲波電力送給換能器。處理槽罐41作為處理液 42承載容器，可以是封閉式盒槽罐，也可以通過下底和側壁分別裝配入液管和出液管，使其 中的處理液42勻速流動；處理槽罐41的左側和右側，分別安裝紫外線發(fā)射器43和裝有紫 外線接收器45的檢測信號轉換5裝置，并使紫外線發(fā)射器43和紫外線接收器45頭面相對， 兩器件的光軸心線穿過換能器振子端面31中心線下方，距離換能器振子端面31約一個端 面半徑長度；紫外線發(fā)射器43通過紫外線發(fā)射驅動線44連接到檢測信號轉換5裝置；檢測 信號反饋線51連接檢測信號轉換5裝置與操控終端1的上位機PC，將檢測信號轉換5裝置 輸出的超聲波處理效率反饋信號送給總控、顯示及運行參數(shù)設置功能環(huán)節(jié)11。
在圖4所示的系統(tǒng)控制功能結構的檢測信號轉換環(huán)節(jié)電路圖中紫外線發(fā)射管 LED與紫外線發(fā)射管限流保護電阻Re串聯(lián)，按正向跨接在電路工作電源E正極與地之間。 紫外線接收管Dri與紫外線接收器橋臂平衡電阻R2串連，紫外線接收管 與紫外線接收器 橋臂平衡電阻Ri串連，以此構成的紫外線接收器的兩橋臂；在兩橋臂的一端，紫外線接收管Dri與紫外線接收器橋臂平衡電阻&連接；在兩橋臂的另一端，紫外線接收管Drt與紫外線 接收器橋臂平衡電阻R2連接；兩端連接點按正向跨接在電路工作電源E正極與地之間；兩 橋臂兩側的x點和y點分別連接到運算放大器A的同相輸入端和反相輸入端。運算放大器 靜態(tài)偏流電阻R跨接在電路工作電源E正極與運算放大器A的反相輸入端之間，運算放大 器反饋Rf電阻跨接在運算放大器A的輸出端與反相輸入端之間。在操控終端1內PC機的 總線擴展槽中，插入具有模數(shù)轉換、處理和數(shù)據(jù)通訊功能的A/D板AD，作為反饋信號處理單 元，將濃度反饋電信號轉化為反映處理效率的數(shù)字信號，再通過數(shù)據(jù)總線傳輸，由中央處理 單元CPU進行數(shù)據(jù)處理與控制使用；運算放大器A的輸出端，通過檢測信號反饋線51，以雙 端輸入方式，連接到操控終端1內A/D板AD的模擬輸入端子。
在圖5中，本發(fā)明的控制運行過程為
Stl.開始，控制系統(tǒng)和處理配置參數(shù)初始化； St2.根據(jù)換能器可高效耦合帶寬，人工設置各處理組頻帶的上、下限頻率，并配置 與相應頻帶中心頻率匹配的換能器_變幅桿(_工具頭)振子； St3.通過操控終端1的上位機PC，人工統(tǒng)一設置包括超聲波處理脈沖間歇比、脈 沖寬度、頻率搜索速率等的處理模式、超聲波電源輸出功率； St4.在前步設定下，各頻帶從其頻帶下限開始自下而上(或從其上限開始自上而 下)順次掃頻運行，即處理槽罐41中的處理液42在換能器振子端面31下，受超聲波空化 作用而產生不同濃度的處理產物；同時，處理槽罐紫外線檢測4裝置的紫外線接收器45，接 收受到不同濃度的處理產物吸收的紫外線不同光通量信號，并以相應變化幅度的檢測電信 號送給檢測信號轉換5單元，檢測信號轉換5單元將該檢測電信號轉化為反映處理效率的 反饋信號，反饋給操控終端1 ;在操控終端1內，具有模數(shù)轉換、處理和數(shù)據(jù)通訊功能的A/D 板AD，將處理效率反饋模擬電信號轉化為反映處理效率的數(shù)字信號，再通過數(shù)據(jù)總線傳輸， 由中央處理單元CPU進行數(shù)據(jù)處理與控制使用； St5.當處理槽罐紫外線檢測4裝置檢測到高效處理頻帶時，保持該頻帶各運行參 數(shù)；否則，返回到St2，即在原已運行的處理頻帶組合以外，人工重新設置擴展的頻帶上、下 限頻率，并配置與相應頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(-工具頭)振子；
St6.如果高效處理頻帶為上端頻帶(或下端頻帶)，保持該頻帶各運行參數(shù)，返回 到St2，即在原已運行的處理頻帶組合上端(或下端)以外，人工重新設置其擴展的頻帶上、
下限頻率，并配置與相應頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(-工具頭)振子；否則，接下
止 少； St7.在前步設定下，從同頻帶下限開始自下而上(或從其上限開始自上而下)掃 頻運行，即處理槽罐41中的處理液42在換能器振子端面31下，受超聲波空化作用而產生 隨頻率變化而濃度變化的處理產物；同時，處理槽罐紫外線檢測4裝置的紫外線接收器45， 接收受到濃度變化的處理產物吸收的紫外線光通量變化信號，并以相應變化幅度的檢測電 信號送給檢測信號轉換5單元，檢測信號轉換5單元再將該檢測電信號轉化為反映處理效 率的反饋信號，反饋操控終端1 ; St8.當處理槽罐紫外線檢測4裝置檢測到高效處理頻率時，保持該頻率下各運行 參數(shù)；否則，返回到St7，即同頻帶繼續(xù)掃頻運行； St9.頻帶上下限頻率匯聚到檢測到的高效頻率點，并控制、鎖定到該高效頻率；
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StlO.在前步設定下，在高效頻率點鎖定運行，即處理槽罐41中的處理液42在換 能器振子端面31下，受超聲波空化作用而產生隨頻率漂移而濃度變化的處理產物；同時， 處理槽罐紫外線檢測4裝置的紫外線接收器45，接收受到濃度變化的處理產物吸收的紫外 線光通量變化信號，并以相應變化幅度的檢測電信號送給檢測信號轉換5單元，檢測信號 轉換5單元再將該檢測信號電信號轉化為反映處理效率的反饋信號，反饋給操控終端1 ;
Stll.當處理槽罐紫外線檢測4裝置檢測到處理效率處于趨近零的過程，即光通 量信號幅度趨于飽和時，說明液體液位已低于換能器振子端面31 ;否則，返回到StlO，即同 頻帶繼續(xù)掃頻運行；
St 12.結束。 在圖6中，本實施例的處理效率反饋數(shù)據(jù)處理流程為
St(l).開始，數(shù)據(jù)處理參數(shù)初始化； St (2).讀入一次運行時間L、頻帶總數(shù)N、間歇(脈沖)周期T、每頻帶頻率點數(shù)F 和控制精度e ;計算L/T送到一次運行間歇次數(shù)(脈沖個數(shù))M，計算L/F送到掃頻切換的 兩頻率點間隔時間P ;設置掃頻頻率循環(huán)起點k = l，設置數(shù)據(jù)采樣序列循環(huán)起點j = l，設 置處理頻帶i巡回循環(huán)起點i = 1 ; St(3).對應每一頻帶i，設置兩個字段Ai和Bi，并輸入前兩條數(shù)據(jù)記錄Ai。 = 0、An =0禾口 Bi(l = 0、禾口 Bn = 0 ; St (4).對于每一數(shù)據(jù)采樣序列j，用頻帶i的效率反饋數(shù)據(jù)采樣值Di，對所有頻帶 i的最后一條數(shù)據(jù)記錄A".予以累加更新，即以Aij+Di替換A".; St (5).對于每一頻率點k，對每一頻帶i字段&的全部記錄，相對于一次運行間
歇次數(shù)(脈沖個數(shù))M，予以平均并作為第k條記錄Aik，即以Aij/M更新Aik ; St (6).從第三頻率點k(k > 2)起，逐點對每一頻帶i，以掃頻切換的兩頻率點間
隔時間P，依次做兩點差分，即計算(Adk—》/P送Aik，計算(Ai, k—「Ai, k—2) /P送Bik ;然后做
該點的差Aik-Bik，存入Cik; St (7).如果某頻帶i的Cik以給定精度e趨于O，說明處理效率隨頻率變化的動 態(tài)趨于恒值，即頻率點k所代表的超聲波處理頻率為高效頻率，故鎖定該頻率點k ;否則，到 下一處理頻帶(i+l)，返回St(6)，繼續(xù)巡回計算；或者(當全部頻帶已遍歷時)，到下一頻 率點(k+1)，返回St (4)，繼續(xù)掃頻處理； St (8).如果所有頻帶均無高效頻率顯示，則呼叫提示操作者，決定是否在原已運 行的處理頻帶組合以外，重新配設、掃頻處理；
St (13).結束。
權利要求
一種超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征是利用寬頻域超聲波電源裝置，采用多頻帶組合搜索、捕捉、控制鎖定最佳處理頻率的運行策略，在各個由上、下限頻率界定的頻帶上進行同步掃頻；在各個頻帶上，通過對處理液作用區(qū)域的濃度監(jiān)測，利用程序計算，在設定模式下同步地得到濃度變化的動態(tài)，依據(jù)該動態(tài)，確定最佳工藝頻率點。
2. 根據(jù)權利要求1所述的超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征是操控終端 (1)通過控制、反饋信號線路連接到寬頻域超聲波電力產生(2)裝置，超聲波電力產生(2) 裝置通過電力電纜，連接到處理槽罐內的換能執(zhí)行(3)器件；處理槽罐紫外線檢測環(huán)節(jié)(4) 配置處的檢測信號轉換(5)裝置，通過前述電力電纜的附帶屏蔽芯線，連接到超聲波電力 產生(2)裝置的對應轉接端子，以與送向操控終端(1)的反饋信號線連接；處理槽罐作為生 物處理流程的核心環(huán)節(jié)，其原處理液從其下底中心的管路入口流入，生成處理液經其側壁 上部的出口管路流出。
3. 根據(jù)權利要求1所述的超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征是總控、顯 示及運行參數(shù)設置功能環(huán)節(jié)(11)，通過上位機PC，控制整個系統(tǒng)的運行過程、參數(shù)設置，并 根據(jù)各頻帶及其換能器參數(shù)設置其頻帶上、下限頻率；通過超聲波電力產生環(huán)節(jié)(2)、換能 執(zhí)行環(huán)節(jié)(3)、處理槽罐紫外線檢測環(huán)節(jié)(4)和檢測信號轉換環(huán)節(jié)(5)的系統(tǒng)配置，系統(tǒng)行 使掃描頻率超聲波處理并檢測產生物光吸收量、反饋處理效率信號的功能；掃頻模式與功 率給定環(huán)節(jié)(12)，通過配置在超聲波電力產生(2)設備上的操作執(zhí)行單元，行使執(zhí)行功能， 實現(xiàn)總控、顯示及運行參數(shù)設置功能環(huán)節(jié)(11)所做的超聲波處理脈沖間歇比、模式與電源 輸出功率給定；超聲波電力產生環(huán)節(jié)(2)，通過超聲波電源裝置，行使將市電電力轉換為超 聲波電力的功能；換能執(zhí)行環(huán)節(jié)(3)，通過換能器-變幅桿(-工具頭)振子結構，實現(xiàn)將超 聲波電能轉換為超聲波機械能的功能；處理槽罐紫外線檢測環(huán)節(jié)(4)，通過紫外線發(fā)射、接 收對管在處理槽罐上的配置，利用處理液中不同濃度產生物的不同光吸收作用，實現(xiàn)對紫 外線光通量變化的檢測，反映處理液中產生物的濃度變化；檢測信號轉換環(huán)節(jié)(5)，利用紫 外線接收器將接收到的紫外線光通量變化信號同步換為相應的濃度變化電信號，通過低噪 聲、高輸入阻抗運放的比較、放大電路結構，將發(fā)射器得到的驅動信號與接收器送出的濃度 變化電信號加以比較、放大，送給總控、顯示及運行參數(shù)設置功能環(huán)節(jié)(11)。
4. 根據(jù)權利要求1或權利要求3所述的超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征 是超聲波信號發(fā)生環(huán)節(jié)(a)，通過單片機MCU及其外圍電路結構，產生所需頻率正弦波信 號；隔離驅動環(huán)節(jié)(b)，通過專用IGBT或MOSFEET驅動芯片及其外圍電路結構，實現(xiàn)所需頻 率正弦波包絡及相應于所需功率占空比的P麗功率驅動信號；功率放大環(huán)節(jié)(c)，通過IGBT 或M0SFEET器件及其電路結構，實現(xiàn)P麗驅動下的直流_交流電力逆變；功率、頻率匹配環(huán) 節(jié)(d)，通過電感耦合及其電路結構，實現(xiàn)將P麗交流電力與換能器的諧振匹配，同時取得 功率、頻率反饋信號；功率、頻率控制環(huán)節(jié)(e)，通過反饋信號處理電路、鎖相環(huán)路等，實現(xiàn) 對設定功率、頻率的跟蹤、鎖定和控制。
5. 根據(jù)權利要求1或權利要求3所述的超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征 是換能器-變幅桿(-工具頭)振子結構的換能器振子端面(31)，置于處理槽罐的中心 偏上部位，是最終實現(xiàn)超聲波換能執(zhí)行(3)的工作面；超聲波電力輸出線(32)，將超聲波電 力產生(2)電源裝置的電力輸出端子與超聲波換能執(zhí)行(3)換能器的電力輸入端子連接， 將超聲波電力產生(2)電源裝置產生的超聲波電力送給換能器；處理槽罐(41)作為處理液(42)的承載容器，可以是封閉式盒槽罐，也可以通過下底和側壁分別裝配入液管和出液 管，使其中的處理液(42)勻速流動；處理槽罐(41)的左側和右側，分別安裝紫外線發(fā)射器 (43)和裝有紫外線接收器(45)的檢測信號轉換(5)裝置，并使紫外線發(fā)射器(43)和紫外 線接收器(45)頭面相對，兩器件的光軸心線穿過換能器振子端面(31)中心線下方，距離換 能器振子端面(31)約一個端面半徑長度；紫外線發(fā)射器(43)通過紫外線發(fā)射驅動線(44) 連接到檢測信號轉換(5)裝置；檢測信號反饋線(51)連接檢測信號轉換(5)裝置與操控終 端(1)的上位機PC，將檢測信號轉換(5)裝置輸出的超聲波處理效率反饋信號送給總控、顯 示及運行參數(shù)設置功能環(huán)節(jié)(11)。
6. 根據(jù)權利要求1或權利要求3所述的超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征 是紫外線發(fā)射管(LED)與紫外線發(fā)射管限流保護電阻0O串聯(lián)，按正向跨接在電路工作 電源(E)正極與地之間；紫外線接收管(Dn)與紫外線接收器橋臂平衡電阻(R2)串連，紫外 線接收管(DJ與紫外線接收器橋臂平衡電阻(R》串連，以此構成的紫外線接收器的兩橋 臂；在兩橋臂的一端，紫外線接收管(Dn)與紫外線接收器橋臂平衡電阻(R》連接；在兩橋 臂的另一端，紫外線接收管(DJ與紫外線接收器橋臂平衡電阻(R2)連接；兩端連接點按正 向跨接在電路工作電源E正極與地之間；兩橋臂兩側的x點和y點分別連接到運算放大器 (A)的同相輸入端和反相輸入端；運算放大器靜態(tài)偏流電阻(R)跨接在電路工作電源(E) 正極與運算放大器A的反相輸入端之間，運算放大器反饋(Rf)電阻跨接在運算放大器(A) 的輸出端與反相輸入端之間；在操控終端(1)內PC機的總線擴展槽中，插入具有模數(shù)轉換、 處理和數(shù)據(jù)通訊功能的A/D板(AD);運算放大器(A)的輸出端，通過檢測信號反饋線(51)， 以雙端輸入方式，連接到操控終端(1)內A/D板(AD)的模擬輸入端子。
7. 根據(jù)權利要求1所述的超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征是系統(tǒng)的控制 運行過程為Stl.開始，控制系統(tǒng)和處理配置參數(shù)初始化；St2.根據(jù)換能器可高效耦合帶寬，人工設置各處理組頻帶的上、下限頻率，并配置與相 應頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(_工具頭)振子；St3.通過操控終端(1)的上位機PC，人工統(tǒng)一設置包括超聲波處理脈沖間歇比、脈沖 寬度、頻率搜索速率等的處理模式、超聲波電源輸出功率；St4.在前步設定下，各頻帶從其頻帶下限開始自下而上(或從其上限開始自上而下) 順次掃頻運行；同時，處理槽罐紫外線檢測(4)裝置的紫外線接收器(45)，接收受到不同 濃度的處理產物吸收的紫外線不同光通量信號，并以相應變化幅度的檢測電信號送給檢測 信號轉換(5)單元，檢測信號轉換(5)單元將該檢測電信號轉化為反映處理效率的反饋信 號，反饋給操控終端(1);在操控終端(1)內，具有模數(shù)轉換、處理和數(shù)據(jù)通訊功能的A/D板 (AD)，將處理效率反饋模擬電信號轉化為反映處理效率的數(shù)字信號，再通過數(shù)據(jù)總線傳輸， 由中央處理單元(CPU)進行數(shù)據(jù)處理與控制使用；St5.當處理槽罐紫外線檢測(4)裝置檢測到高效處理頻帶時，保持該頻帶各運行參 數(shù)；否則，返回到St2，即在原已運行的處理頻帶組合以外，人工重新設置擴展的頻帶上、下 限頻率，并配置與相應頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(-工具頭)振子；St6.如果高效處理頻帶為上端頻帶(或下端頻帶)，保持該頻帶各運行參數(shù)，返回到 St2，即在原已運行的處理頻帶組合上端(或下端)以外，人工重新設置其擴展的頻帶上、下限頻率，并配置與相應頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(-工具頭)振子；否則，接下止 少；St7.在前步設定下，從同頻帶下限開始自下而上(或從其上限開始自上而下)掃頻運行；St8.當處理槽罐紫外線檢測(4)裝置檢測到高效處理頻率時，保持該頻率下各運行參 數(shù)；否則，返回到St7，即同頻帶繼續(xù)掃頻運行；St9.頻帶上下限頻率匯聚到檢測到的高效頻率點，并控制、鎖定到該高效頻率； StlO.在前步設定下，在高效頻率點鎖定運行；Stll.當處理槽罐紫外線檢測(4)裝置檢測到處理效率處于趨近零的過程，即光通量 信號幅度趨于飽和，說明液體液位已低于換能器振子端面(31);否則，返回到StlO，即同頻 帶繼續(xù)掃頻運行；Stl2.結束。
8.根據(jù)權利要求1所述的超聲波生物處理的頻率搜索控制方法，其特征是處理效率反 饋數(shù)據(jù)處理流程為St(l).開始，數(shù)據(jù)處理參數(shù)初始化；St (2).讀入一次運行時間L、頻帶總數(shù)N、間歇(脈沖)周期T、每頻帶頻率點數(shù)F和控 制精度e ;計算L/T送到一次運行間歇次數(shù)(脈沖個數(shù))M，計算L/F送到掃頻切換的兩頻 率點間隔時間P ;設置掃頻頻率循環(huán)起點k = l，設置數(shù)據(jù)采樣序列循環(huán)起點j = l，設置處 理頻帶i巡回循環(huán)起點i = 1 ;St (3).對應每一頻帶i，設置兩個字段&和Bi，并輸入前兩條數(shù)據(jù)記錄AiQ = 0、 Au = 0禾口 Bi(l = 0、禾口 = 0 ;St (4).對于每一數(shù)據(jù)采樣序列j，用頻帶i的效率反饋數(shù)據(jù)采樣值Di，對所有頻帶i的 最后一條數(shù)據(jù)記錄A".予以累加更新，即以Aij+Di替換A".;St (5).對于每一頻率點k，對每一頻帶i字段&的全部記錄，相對于一次運行間歇次 數(shù)(脈沖個數(shù))M，予以平均并作為第k條記錄Aik，即以Aij/M更新Aik ;St(6).從第三頻率點k(k > 2)起，逐點對每一頻帶i，以掃頻切換的兩頻率點間隔時 間P，依次做兩點差分，即計算(Aik-Ai,k—》/P送Aik，計算(Ai, k—「Ai, k—2) /P送Bik ;然后做該點 的差Aik-Bik，存入Cik;St(7).如果某頻帶i的Cik以給定精度e趨于O，說明處理效率隨頻率變化的動態(tài)趨于 恒值，即頻率點k所代表的超聲波處理頻率為高效頻率，故鎖定該頻率點k ;否則，到下一處 理頻帶i+l，返回St(6)，繼續(xù)巡回計算；或者(當全部頻帶已遍歷時)，到下一頻率點k+l，返回St(4)，繼續(xù)掃頻處理；St (8).如果所有頻帶均無高效頻率顯示，則呼叫提示操作者，決定是否在原已運行的 處理頻帶組合以外，重新配設、掃頻處理； St (13).結束。
全文摘要
一種超聲波生物處理的頻率搜索控制方法。利用寬頻域超聲波電源裝置，采用多頻帶處理順序搜索、捕捉、控制鎖定最佳處理頻率的運行策略，運行中，在超聲波電源裝置工作頻域內，按頻帶頻率搜索方向依次配置與頻帶中心頻率匹配的換能器-變幅桿(-工具頭)振子，通過操控(總控、顯示及運行參數(shù)設置功能和掃頻模式與功率給定功能)終端協(xié)調、控制，在上、下限頻率界定頻帶上進行同步掃頻；參考換能器的固有頻率，各頻帶上、下限頻率與掃描形式均可人工設定，也可自動連續(xù)續(xù)接。以此，使各種不同的生物細胞、物品表面污漬、污染、污垢均能接受到適合頻率的超聲波作用，并鎖定在該頻率上，從而成倍提高處理效率。
文檔編號C02F3/00GK101774679SQ20091021525
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權日2009年12月28日
發(fā)明者屈百達 申請人:江南大學