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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于超聲波速度、衰減的液體性能自動(dòng)測(cè)量?jī)x
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品采用中心頻率為5MHZ的水浸超聲直探頭來(lái)產(chǎn)生超聲波，通過(guò)測(cè)得超聲波通過(guò)樣品室的速度和衰減得出測(cè)量結(jié)果。 本作品的測(cè)量系統(tǒng)是由超聲探頭驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)處理部分、信號(hào)采集部分、信號(hào)控制部分、馬達(dá)控制部分和樣品加熱部分組成。其中，超聲包絡(luò)峰值的檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)解決接收探頭端超聲包絡(luò)峰值的快速準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波衰減的計(jì)算；聲速測(cè)量電路的設(shè)計(jì)是將時(shí)間測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為距離的測(cè)量。
- 詳細(xì)介紹：
- 基于超聲波速度、衰減的液體性能自動(dòng)測(cè)量?jī)x 一 作品概述 本作品采用中心頻率為5MHZ的水浸超聲直探頭來(lái)產(chǎn)生超聲波，通過(guò)測(cè)得超聲波通過(guò)樣品室的速度和衰減得出測(cè)量結(jié)果。 本作品的測(cè)量系統(tǒng)是由超聲探頭驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)處理部分、信號(hào)采集部分、信號(hào)控制部分、馬達(dá)控制部分和樣品加熱部分組成，主控制器采用ADuC831單片機(jī)。其中，超聲包絡(luò)峰值的檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)主要解決接收探頭端超聲包絡(luò)峰值的快速準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波衰減的計(jì)算；聲速測(cè)量電路的設(shè)計(jì)是將時(shí)間測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為距離的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)超聲波傳播速度的測(cè)量；馬達(dá)控制部分實(shí)現(xiàn)樣品的吸收、吐出和清洗工作。 二 應(yīng)用前景 本作品可以解決衰減系數(shù)較小的液體在線分析問(wèn)題，如液體食品組成成分及分散特性的測(cè)量、果汁含糖量的測(cè)量、汽油密度及含水量的測(cè)量以及牛奶變質(zhì)的檢測(cè)應(yīng)用等。經(jīng)過(guò)集成化工業(yè)化可進(jìn)入市場(chǎng)，并且本作品的硬件集成度較高，程序可移植性好，操作簡(jiǎn)單方便，功能齊全，實(shí)用性強(qiáng)。 三 設(shè)計(jì)方案 本作品由8大部分組成： 信號(hào)濾波和放大部分 本部分采用AD8561作為信號(hào)濾波的放大器，濾波器具有良好的幅頻和相頻特性(見(jiàn)附件) 超聲波發(fā)射部分 超聲波發(fā)射部分采用脈沖激勵(lì)，通過(guò)多諧振蕩器74HCT123和高速雙通MOSFET驅(qū)動(dòng)器MC34152組成。只需測(cè)量出接收探頭輸出的波形的峰值就能反映超聲波在樣品中的衰減。 接收端超聲波振幅的測(cè)量 對(duì)于超聲波振幅的測(cè)量，采用比較法。 超聲波速度的測(cè)量部分 作品采用測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)，超聲波通過(guò)樣品室的次數(shù)來(lái)確定超聲波在液體中的速度。這種方法測(cè)量時(shí)間固定，即使計(jì)算通過(guò)的次數(shù)產(chǎn)生了偏差，那么對(duì)結(jié)果的影響也不會(huì)很大，相對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算方法，準(zhǔn)確性大大提高。 dv=n×l/(t-n*г)≈l/tdn n是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，l是樣品室的長(zhǎng)度，t是測(cè)試時(shí)間，為器件的延遲，由于很小，可以忽略， 加熱和溫度測(cè)量檢測(cè)部分 在不同的溫度的樣品中，超聲波的速度和衰減是不同的。本操作中要求樣品溫度是40°，加熱部分的電路見(jiàn)附件。單片機(jī)通過(guò)控制74HCT00來(lái)決定是否加熱。作品不僅對(duì)樣品加熱，還對(duì)樣品池所處環(huán)境加熱，溫度補(bǔ)償能力加大，提高了測(cè)量精度。 步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分 這一部分由直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣囊、光電開(kāi)關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽取樣品、吐出樣品以及自動(dòng)清洗的功能。 顯示部分 與PC機(jī)通信及下載操作部分 四、創(chuàng)新點(diǎn) 創(chuàng)新點(diǎn)： 1、許多材料的聲學(xué)特征是高衰減和頻散的,這對(duì)傳統(tǒng)的聲速測(cè)量方法就遇到了困難，而本作品不受限于媒質(zhì)，應(yīng)用廣泛。 2、本作品根據(jù)使用需求由單片機(jī)控制超聲波隨時(shí)發(fā)送隨時(shí)停止的，而傳統(tǒng)的測(cè)超聲波速度和衰減時(shí)利用脈沖回波重合法，其基本原理是用一個(gè)連續(xù)波音頻振蕩器去控制超聲脈沖的發(fā)射和示波器的水平的掃描,比較復(fù)雜，精度不高。本作品的方法則使超聲波速度測(cè)量簡(jiǎn)單，精度提高。 3、本作品加熱部分采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，傳統(tǒng)只考慮樣品溫度，而我們不但對(duì)樣品進(jìn)行加熱，而且對(duì)樣品所在環(huán)境加熱，使樣品保持恒溫，精確測(cè)量超聲波速度和衰減。 使用說(shuō)明： 可實(shí)現(xiàn)液體樣品的性能分析以及檢測(cè)樣品的濃度、密度和粘度。使用時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制超聲波的發(fā)送和接收以及樣品的吸入與突出，可以直接測(cè)量超聲波在樣品中的速度和衰減值，對(duì)比正常液體樣品中超聲波速度衰減值即可進(jìn)行液體的性能分析技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1作品根據(jù)需求由單片機(jī)控制超聲波隨時(shí)發(fā)送隨時(shí)停止的，使得超聲波速度測(cè)量簡(jiǎn)單，減小誤差。2、本實(shí)驗(yàn)用直接由兩個(gè)探頭完成工作，一個(gè)發(fā)送一個(gè)接收，v=s/t，不考慮反射，低損耗，效率和精度提高。3、本實(shí)驗(yàn)所用的方法中采用較短的樣品室實(shí)現(xiàn)測(cè)量，大大提高了對(duì)于測(cè)量媒質(zhì)的適應(yīng)性，具有較大的應(yīng)用前景。 應(yīng)用前景：本作品可以應(yīng)用在物質(zhì)性能分析和食品檢測(cè)的領(lǐng)域，如液體食品組成成分及分散特性的測(cè)量、果汁含糖量的測(cè)量、汽油密度及含水量的測(cè)量、一級(jí)牛奶變質(zhì)的檢測(cè)等等，經(jīng)過(guò)集成化工業(yè)化可進(jìn)入市場(chǎng)，并且本作品的硬件集成度較高，程序可移植性好，操作簡(jiǎn)單方便，功能齊全，實(shí)用性強(qiáng)。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：我們的作品的硬件成本很低廉，我們的作品快速、準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，在經(jīng)濟(jì)效益上，我們的項(xiàng)目所產(chǎn)生的價(jià)值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此的。作品可以測(cè)量低衰減及非頻散的液體媒質(zhì)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)： 此設(shè)計(jì)是由超聲探頭驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)處理部分、信號(hào)采集部分、信號(hào)控制部分、馬達(dá)控制部分和樣品加熱部分組成。 目的： 設(shè)計(jì)和提出能夠快速準(zhǔn)確測(cè)量液體中超聲波速度和衰減的可行方案，通過(guò)測(cè)定超聲波的速度和衰減，實(shí)現(xiàn)對(duì)媒質(zhì)非聲特性參數(shù)的測(cè)量，除此之外，還能對(duì)液體媒質(zhì)進(jìn)行缺陷檢測(cè)和物性評(píng)價(jià)，例如牛奶性能的檢測(cè)。 基本思路： 本作品采用中心頻率為5MHZ的水浸超聲直探頭來(lái)產(chǎn)生超聲波，通過(guò)測(cè)得超聲波通過(guò)樣品室的速度和衰減得出測(cè)量結(jié)果。 超聲波速度的測(cè)量采用dv=n×l/(t-n*г)≈l/tdn，該作品用74HCT00控制MOSFET，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品和環(huán)境溫度的控制能夠保證溫度的恒定，還可以減少單片機(jī)的內(nèi)部功耗，達(dá)到快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)液體在線檢測(cè)。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1、傳統(tǒng)的聲速測(cè)量方法受媒質(zhì)限制，而本作品不受限于媒質(zhì)，應(yīng)用廣泛。 2、傳統(tǒng)的測(cè)超聲波速度和衰減時(shí)利用脈沖回波重合法，比較復(fù)雜，精度不高。本作品的方法則使超聲波速度測(cè)量簡(jiǎn)單，精度提高。 3、本作品加熱部分采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，使樣品保持恒溫，精確測(cè)量超聲波速度和衰減。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、超聲波速度測(cè)量：采用測(cè)量一次時(shí)間內(nèi)超聲波通過(guò)樣品室的次數(shù)計(jì)算速度。 2、接收端超聲波振幅的測(cè)量：通過(guò)比較法采集振幅 主要技術(shù)指標(biāo)： t時(shí)間內(nèi)超聲波通過(guò)樣品室的次數(shù)n；測(cè)量振幅時(shí)是階梯波和超聲波的相對(duì)大小
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、就溫度控制方面來(lái)講，以前同類型實(shí)驗(yàn)只考慮了超聲波傳播媒質(zhì)的溫度對(duì)波速的影響；而本實(shí)驗(yàn)不僅考慮上述問(wèn)題，而且考慮到介質(zhì)所處的環(huán)境溫度對(duì)介質(zhì)溫度的影響，并使用單片機(jī)控制加熱絲對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒溫。 2、就測(cè)試方法而言，以前試驗(yàn)采用的方法是接收放大器將換能器收到的多次反射回波顯示在示波器上，用頻率計(jì)測(cè)出振蕩器在此時(shí)的振蕩周期T, 再通過(guò)衍射修正和耦合層修正計(jì)算出媒質(zhì)的絕對(duì)聲速，十分繁瑣；而本實(shí)驗(yàn)用直接由兩個(gè)探頭完成工作，一個(gè)發(fā)送一個(gè)接收，單片機(jī)控制自動(dòng)測(cè)量所用時(shí)間，用簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的v=s/t公式測(cè)量，不用考慮反射，減少了損耗，提高了效率和精度。 3、就實(shí)驗(yàn)對(duì)象看來(lái)，脈沖回波重合法，脈沖回波計(jì)數(shù)法等聲速測(cè)量方法都要求被測(cè)介質(zhì)是低衰減及非頻散的，而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 各種新型材料不斷涌現(xiàn), 其中許多材料的聲學(xué)特征是高衰減和頻散的, 這對(duì)傳統(tǒng)的聲速測(cè)量方法就遇到了困難；本實(shí)驗(yàn)所用的方法不受限于傳播媒質(zhì)，應(yīng)用更加廣泛。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 作品成果已轉(zhuǎn)化，獲得第九屆河南省挑戰(zhàn)杯最具創(chuàng)意投資價(jià)值獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利
作品可展示的形式
- 實(shí)物
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 可實(shí)現(xiàn)液體樣品的性能分析如濃度、密度和粘度。使用時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制超聲波的發(fā)送和接收以及樣品的吸入與吐出，可以直接測(cè)量超聲波在樣品中的速度和衰減值，對(duì)比正常液體樣品中超聲波速度衰減值即可進(jìn)行液體的性能分析技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1、超聲波速度測(cè)量簡(jiǎn)單，減小誤差。2、實(shí)驗(yàn)直接由兩個(gè)探頭完成工作，一個(gè)發(fā)送一個(gè)接收，v=s/t，不考慮反射，低損耗，效率和精度提高。3、本實(shí)驗(yàn)所用的方法中采用較短的樣品室實(shí)現(xiàn)測(cè)量，大大提高了對(duì)于測(cè)量媒質(zhì)的適應(yīng)性，具有較大的應(yīng)用前景。 應(yīng)用前景：本作品可以應(yīng)用在物質(zhì)性能分析和食品檢測(cè)的領(lǐng)域，如液體食品組成成分及分散特性的測(cè)量、果汁含糖量的測(cè)量、汽油密度及含水量的測(cè)量等等，經(jīng)過(guò)集成化工業(yè)化可進(jìn)入市場(chǎng)，并且本作品的硬件集成度較高，操作簡(jiǎn)單方便，功能齊全，實(shí)用性強(qiáng)。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：我們的作品的硬件成本很低廉，我們的作品快速、準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，在經(jīng)濟(jì)效益上，我們的項(xiàng)目所產(chǎn)生的價(jià)值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此的。作品可以測(cè)量低衰減及非頻散的液體媒質(zhì)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛。
同類課題研究水平概述
- 一種高精度的超聲波速度和衰減綜合測(cè)量裝置,它將脈沖疊加法,脈沖回波重合法和回波選通比較法都組合在一套儀器內(nèi),可自動(dòng)地連續(xù)測(cè)量聲時(shí)的微小變化,精度達(dá)2×10~(-7);可手動(dòng)地測(cè)量聲波渡越時(shí)間的絕對(duì)值,精度達(dá)2×10~(-4);可自動(dòng)地連續(xù)測(cè)量超聲波在煤質(zhì)內(nèi)振幅的衰減量及其隨外界(如溫度,應(yīng)力等)的變化,在30dB的范圍內(nèi)精度達(dá)到1×10~(-2)。聲速和衰減的測(cè)量值由數(shù)字顯示。 超聲波濃度儀：超聲波在各種液體中的傳播狀態(tài)隨溫度、壓力、和介質(zhì)混合單元數(shù)、單元比濃度的不同而變化，多普勒參數(shù)是上述因素的有限元多次方程，在不同工藝精度要求下，可簡(jiǎn)化為N元三次～四次方程。超聲波的多普勒參數(shù)在各種液體中及不同的溫度、壓力、混合元數(shù)、單元濃度條件下將隨液體的濃度不同而改變，超聲波濃度儀通過(guò)測(cè)定這些參數(shù)，并進(jìn)行精確計(jì)算，即可直觀顯示相應(yīng)液體及單元漿體溶液的濃度變化，并可根據(jù)工藝精度要求在遠(yuǎn)程儀表上預(yù)置報(bào)警點(diǎn)或閉環(huán)控制，可廣泛應(yīng)用于造紙、礦漿分析、化工業(yè)、制藥廠、石油、水處理、廢水監(jiān)控、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、實(shí)用油、奶制品）等行業(yè)中。
