超声微纳操控系统的设计与应用

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1、中图分类号：TN384论文编号：102870515-S119学科分类号：080202硕士学位论文超声微/纳操控系统的设计与应用研究生姓名代廷振学科、专业机械电子工程研究方向系统设计与应用指导教师胡俊辉教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectronicEngineeringTheDesignandApplicationofaSystemforUltrasonicMicro/Na

2、noManipulatorAThesisinMechanicalandElectronicEngineeringByTing-zhenDaiAdvisedbyProf.Jun-huiHuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作

3、做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要超声微/纳操控是利用超声引起的声辐射力、声学流实现对微纳米物体的驱动、吸附、旋转、移动以及释放等操控。利用超声进行微纳米物体的操控作为一个新兴领域，其具有结构简单、对不同物体的操控没有局限性、没有热损害等优点。其通过压电超声换能器将电能转换成机械振动（超声

4、波）实现了对微纳米物体的操控。本课题是基于胡俊辉教授团队对微纳米物体操控的研究基础之上，目的在于设计一款超声微/纳操控系统。其主要包括各个器件之间的整合，将现有器件集成为一个系统，同时解决现有系统位置精度低以及位置调节时的抖动问题，提高微纳米物体操控的成功率，使的超声微/纳操控更加有效。本课题的主要研究内容包括：超声微/纳操控系统的机械结构和硬件电路的设计。其中机械结构的设计主要包括三自由度直线平台的搭建、电机及驱动器的选择、超声换能器及夹具的设计。硬件电路的设计主要包括微控制器的选择、最小应用电路的设计。其中最小应用电路的设计包含供电电路的设计、复位电路的设

5、计、时钟信号电路的设计、程序下载电路的设计、存储电路的设计以及按键及显示灯电路的设计。超声微/纳操控系统的软件设计。其主要包括上位机软件界面的设计和STM32的程序代码的编程。上位机软件界面是使用LabVIEW软件的VISA模块通过串行通信实现的。对于下位机的程序代码的设计是采用KEIL编程软件设计的，其主要包括串行数据的收发、脉冲的精确发送以及步进电机的位置控制。通过对系统整体精度的测试以及微纳米物体的操控实验的验证，本系统有效的解决了超声微/纳操控的抖动问题，并提高了超声微/纳操控的位置精度，使得超声微/纳物体操控更加稳定、有效。关键词：超声微/纳操控，压

6、电超声换能器，LabVIEW，STM32，步进电机本课题得到了国家自然科学基金项目(项目编号：No.91123020和No.51075212)，南京航空航天大学(S0986-013和56XZA12044),江苏省创新创业计划基金以及机械结构力学及控制国家重点实验室(0314G0和0313G01)的支持。本学位论文在机械结构力学及控制国家重点实验室(南航)完成。I超声微/纳操控系统的设计与应用ABSTRACTUltrasonicmicro/nanomanipulationtechnologymakesuseofphysicaleffectsofultrasoun

7、dtoimplementthemanipulationfunctionssuchastrapping,transferring,rotating,andreleasingformicro/nanoobjects.Ultrasonicfieldforthemanipulationsisusuallygeneratedbyapiezoelectrictransducer,whichconvertselectricenergyintoamechanicalvibration.Acousticmanipulationtechnologyhastheadvantages

8、suchassimpledevices