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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 新型精密超聲波溫度計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 作品利用超聲波在介質(zhì)中傳播速度隨溫度變化而變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)兼有低成本與高精度的新型精密超聲波溫度計(jì)。采用特殊的軟件細(xì)分算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，使對(duì)超聲波的測(cè)量達(dá)到了ns級(jí)。從而使超聲波溫度計(jì)的溫度測(cè)量分辨率優(yōu)于0.001℃。同時(shí)，因超聲波是一種高頻的機(jī)械波，具有快速、準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其測(cè)量最低溫度可以達(dá)到-200℃，最高溫度可達(dá)2000℃
- 詳細(xì)介紹：
- 超聲波溫度計(jì)作為當(dāng)今新型溫度傳感器的一種，已經(jīng)成為一種新的有前景的測(cè)溫方法。隨著超聲傳感器的發(fā)展，人們開始探索把這種新型的超聲波測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)中，并在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中取得了一系列成果，并已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域中。 本作品根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播速度隨溫度變化而變化的特點(diǎn)，利用了超聲波自身具有的快速、抗干擾的特點(diǎn)，并針對(duì)接觸式溫度傳感器在一個(gè)較寬的測(cè)量范圍內(nèi)不能保證一個(gè)穩(wěn)定的高精度的難點(diǎn)問(wèn)題，提出了一種新型精密超聲波溫度計(jì)。本作品主要有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，第一，是利用了超聲波的頻率高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)溫度變化敏感的的特點(diǎn)，使溫度測(cè)量能夠快速而穩(wěn)定，其最低測(cè)量溫度可達(dá)到-200℃，最高溫度可以達(dá)到2000℃。第二，是采用FPGA芯片來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集與控制，并使用細(xì)分算法來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，使作品能夠精確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)與采集，并實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量。作品通過(guò)測(cè)量超聲波在特定距離上的傳播時(shí)間，間接測(cè)得其環(huán)境溫度。因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化會(huì)較敏感地影響到超聲波傳播速度的變化，利用納秒級(jí)的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量硬件便可以測(cè)得溫度分辨率優(yōu)于0.001℃的溫度測(cè)量。
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)
- 當(dāng)前主要的溫度傳感器，如熱電偶等技術(shù)已經(jīng)成熟，但只能用在傳統(tǒng)的場(chǎng)合，在許多高科技領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。目前各國(guó)都在針對(duì)性地競(jìng)爭(zhēng)開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊適用的測(cè)量技術(shù)，而超聲波溫度傳感器為其重要的一種。 作品的目的是設(shè)計(jì)一種能夠在傳統(tǒng)場(chǎng)合和一些特定環(huán)境下能夠正常、穩(wěn)定工作的高精度、高穩(wěn)定性工業(yè)用超聲波溫度計(jì)。設(shè)計(jì)的基本思路是：通過(guò)測(cè)量超聲波在特定距離上的傳播時(shí)間，間接測(cè)得其環(huán)境溫度。因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化會(huì)影響超聲波傳播速度的變化，通過(guò)研究得到超聲波的傳播時(shí)間與被測(cè)溫度之間的關(guān)系，測(cè)得超聲波傳播時(shí)間，即可測(cè)測(cè)量對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度。 本作品主要有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，第一，是利用了超聲波的頻率高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)溫度變化敏感的的特點(diǎn)，使溫度測(cè)量達(dá)到快速、穩(wěn)定的寬量程測(cè)量，其最低測(cè)量溫度可以高達(dá)到-200℃，最高溫度可以達(dá)到2000℃。第二，是采用FPGA芯片來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制并結(jié)合了細(xì)分插值算法來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，能夠精確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)與采集，與此同時(shí)通過(guò)細(xì)分插值算法可以使測(cè)量的超聲波傳播時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)。 作品的技術(shù)關(guān)鍵主要是：高頻超聲波信號(hào)激勵(lì)、高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和納秒級(jí)的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量方法。 技術(shù)指標(biāo)之一為重復(fù)性，在特定溫度的試驗(yàn)中，反復(fù)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，其時(shí)間測(cè)量值波動(dòng)不超過(guò)1納秒，從而保證了測(cè)量的穩(wěn)定性。 技術(shù)指標(biāo)之二為分辨率，它是溫度計(jì)能夠測(cè)量的最小溫度變化量，理論分辨率能夠達(dá)到0.001℃，從而使高精度的溫度測(cè)量成為可能。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 溫度計(jì)按與介質(zhì)的接觸方式可分為非接觸式溫度計(jì)和接觸式溫度計(jì)。非接觸式溫度計(jì)是通過(guò)接收被測(cè)物體發(fā)出來(lái)的輻射來(lái)得知物體溫度，其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)溫時(shí)不與被測(cè)物體進(jìn)行導(dǎo)熱交換，不對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，速度快，可動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)溫上限不受元件限制；缺點(diǎn)是誤差較大。接觸式溫度計(jì)是通過(guò)元件與被測(cè)物體接觸而感知溫度，其優(yōu)點(diǎn)是：種類多，技術(shù)成熟，選擇余地大，測(cè)量簡(jiǎn)單，精度高；缺點(diǎn)是測(cè)溫范圍小，對(duì)測(cè)溫度場(chǎng)有影響。 作品使用超聲波的傳播速度來(lái)測(cè)量溫度，是通過(guò)速度來(lái)感知溫度輻射，其測(cè)溫上限不受感溫元件影響，具有非接觸式溫度計(jì)的特點(diǎn)。同時(shí)超聲波在介質(zhì)中傳播，本身也是一種接觸形式，因而也具有接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)。由于超聲波的傳播速度對(duì)溫度變化比較敏感，在測(cè)量超聲波傳播時(shí)間達(dá)到ns級(jí)時(shí)，便可以使測(cè)量溫度的分辨率高達(dá)0.001℃，只要建立的系統(tǒng)足夠完善、足夠穩(wěn)定，就能夠同時(shí)使超聲波溫度計(jì)具有接觸式溫度計(jì)與非接觸式溫度計(jì)的雙重優(yōu)點(diǎn)，足顯其科學(xué)先進(jìn)性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 暫無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 模型，PPT講解
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)
- 超聲波測(cè)溫技術(shù)利用其傳播速度對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，其抗干擾能力強(qiáng)且快速而穩(wěn)定，可用在計(jì)量領(lǐng)域的溫度標(biāo)定工作，由于具有接觸式與非接觸式溫度計(jì)的雙重特點(diǎn)，使其能夠在傳統(tǒng)場(chǎng)合和一些特定環(huán)境下正常、穩(wěn)定工作。它所測(cè)量的溫度作為一個(gè)基本的物理量，與人們的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，已涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。 傳感器技術(shù)水平的高低，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)與否的重要標(biāo)志。據(jù)相關(guān)資料介紹，世界非軍用傳感器市場(chǎng)，1998年的銷售額為325億美元，2003年已達(dá)到422億美元，到2009年時(shí)全球傳感器市場(chǎng)容量約為530億美元，統(tǒng)計(jì)2010年世界傳感器市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)660億美元以上，而未來(lái)5年將是中國(guó)傳感器市場(chǎng)穩(wěn)步快速發(fā)展的5年，在持續(xù)30%以上的年度增長(zhǎng)動(dòng)力之下，2014年中國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到1200億元以上。因溫度測(cè)量占總的傳感器需求量的50%，同時(shí)新型精密超聲波溫度計(jì)又有比傳統(tǒng)溫度計(jì)有更多的優(yōu)點(diǎn)，因此可以預(yù)見作品將會(huì)有一個(gè)非常樂觀的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過(guò)程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)重要物理量。溫度的測(cè)量是在最為常見的一種測(cè)量，無(wú)論在任何應(yīng)用領(lǐng)域，掌握溫度的確切數(shù)值，了解溫度與實(shí)際狀態(tài)之間的差異等，都具有極為重要的意義。就以測(cè)量為例，在力的測(cè)量、壓力、流量、位置及電平高低等測(cè)量的過(guò)程中，為了提高測(cè)量精度，通常都會(huì)要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視，如壓力或力的測(cè)量，往往是使用惠斯登電阻電橋，但組成電橋的電阻隨溫度變化引起的誤差，往往會(huì)大大超過(guò)待測(cè)力引起的電阻值變化，如不對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并據(jù)此校正測(cè)量結(jié)果，則測(cè)量完全不可能進(jìn)行或者毫無(wú)效果。對(duì)于其他參數(shù)測(cè)量也有同樣類似的問(wèn)題，可以說(shuō)，各種的物理量都是溫度的函數(shù)，要得到精確的測(cè)定結(jié)果，必須針對(duì)溫度的變化，作出精確的校正。 當(dāng)前工業(yè)上常用的溫度傳感器有三類：即熱電偶、熱電阻RTD、熱敏電阻；每一類溫度傳感器有自己獨(dú)特的溫度測(cè)量范圍，有自己適用的溫度環(huán)境；沒有一種溫度傳感器可以通用于所有的用途：熱電偶的可測(cè)溫度范圍最寬，而熱電阻的測(cè)量線性度最優(yōu)，熱敏電阻的性價(jià)比最高。 雖然這些傳感器技術(shù)已經(jīng)成熟，但是只能在傳統(tǒng)的場(chǎng)合應(yīng)用，不能應(yīng)用于許多高科技領(lǐng)域。因此，各國(guó)專家都在針對(duì)性的競(jìng)爭(zhēng)開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊的實(shí)用測(cè)量技術(shù)。這些新型溫度傳感器有：光纖溫度傳感器、特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|、石英溫度計(jì)、超聲波溫度計(jì)、核四級(jí)共振溫度計(jì)(NQR溫度計(jì))、熱噪聲溫度計(jì)、半導(dǎo)體集成電路溫度計(jì)等。 超聲波溫度計(jì)作為新型溫度傳感器的一種，早在120年以前，當(dāng)時(shí)著名的聲學(xué)專家Mayer就測(cè)量出了1000K以上高溫氣體中的聲速，并發(fā)現(xiàn)了聲速與介質(zhì)溫度的平方根成正比。但超聲波測(cè)溫技術(shù)的研究和應(yīng)用在近40年來(lái)才逐步展開的。超聲測(cè)溫經(jīng)過(guò)這四、五十年的發(fā)展過(guò)程，已經(jīng)成為一種新的有前景的測(cè)溫方法。隨著超聲傳感器的發(fā)展，人們開始探索把這種新型的超聲波測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)中，并在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中取得了一系列成果。但是超聲波測(cè)溫技術(shù)的研究在我國(guó)尚屬開始階段，相關(guān)技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)較少，國(guó)內(nèi)整體的超聲測(cè)溫水平不高，并且還明顯存在著自動(dòng)化程度低、在線檢測(cè)困難以及測(cè)量精度差等缺點(diǎn)，在工業(yè)與科學(xué)應(yīng)用中幾乎是空白，所以開展高精密超聲波測(cè)溫技術(shù)的研發(fā)顯得很有必要。
