基本信息
- 項目名稱：
- 基于超聲波速度、衰減的液體性能自動測量儀
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品采用中心頻率為5MHZ的水浸超聲直探頭來產(chǎn)生超聲波，通過測得超聲波通過樣品室的速度和衰減得出測量結果。 本作品的測量系統(tǒng)是由超聲探頭驅動部分、信號處理部分、信號采集部分、信號控制部分、馬達控制部分和樣品加熱部分組成。其中，超聲包絡峰值的檢測電路的設計解決接收探頭端超聲包絡峰值的快速準確測量，實現(xiàn)對超聲波衰減的計算；聲速測量電路的設計是將時間測量問題轉化為距離的測量。
- 詳細介紹：
- 基于超聲波速度、衰減的液體性能自動測量儀 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產(chǎn)生超聲波，通過測得超聲波通過樣品室的速度和衰減得出測量結果。 本作品的測量系統(tǒng)是由超聲探頭驅動部分、信號處理部分、信號采集部分、信號控制部分、馬達控制部分和樣品加熱部分組成，主控制器采用ADuC831單片機。其中，超聲包絡峰值的檢測電路的設計主要解決接收探頭端超聲包絡峰值的快速準確測量，實現(xiàn)對超聲波衰減的計算；聲速測量電路的設計是將時間測量問題轉化為距離的測量，從而實現(xiàn)超聲波傳播速度的測量；馬達控制部分實現(xiàn)樣品的吸收、吐出和清洗工作。 二 應用前景 本作品可以解決衰減系數(shù)較小的液體在線分析問題，如液體食品組成成分及分散特性的測量、果汁含糖量的測量、汽油密度及含水量的測量以及牛奶變質的檢測應用等。經(jīng)過集成化工業(yè)化可進入市場，并且本作品的硬件集成度較高，程序可移植性好，操作簡單方便，功能齊全，實用性強。 三 設計方案 本作品由8大部分組成： 信號濾波和放大部分 本部分采用AD8561作為信號濾波的放大器，濾波器具有良好的幅頻和相頻特性(見附件) 超聲波發(fā)射部分 超聲波發(fā)射部分采用脈沖激勵，通過多諧振蕩器74HCT123和高速雙通MOSFET驅動器MC34152組成。只需測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量 對于超聲波振幅的測量，采用比較法。 超聲波速度的測量部分 作品采用測量一定時間內，超聲波通過樣品室的次數(shù)來確定超聲波在液體中的速度。這種方法測量時間固定，即使計算通過的次數(shù)產(chǎn)生了偏差，那么對結果的影響也不會很大，相對于傳統(tǒng)的計算方法，準確性大大提高。 dv=n×l/(t-n*г)≈l/tdn n是計數(shù)器的計數(shù)值，l是樣品室的長度，t是測試時間，為器件的延遲，由于很小，可以忽略， 加熱和溫度測量檢測部分 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°，加熱部分的電路見附件。單片機通過控制74HCT00來決定是否加熱。作品不僅對樣品加熱，還對樣品池所處環(huán)境加熱，溫度補償能力加大，提高了測量精度。 步進電機及電機驅動部分 這一部分由直流電機、電機驅動、氣囊、光電開關組成，實現(xiàn)自動抽取樣品、吐出樣品以及自動清洗的功能。 顯示部分 與PC機通信及下載操作部分 四、創(chuàng)新點 創(chuàng)新點： 1、許多材料的聲學特征是高衰減和頻散的,這對傳統(tǒng)的聲速測量方法就遇到了困難，而本作品不受限于媒質，應用廣泛。 2、本作品根據(jù)使用需求由單片機控制超聲波隨時發(fā)送隨時停止的，而傳統(tǒng)的測超聲波速度和衰減時利用脈沖回波重合法，其基本原理是用一個連續(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,比較復雜，精度不高。本作品的方法則使超聲波速度測量簡單，精度提高。 3、本作品加熱部分采用溫度補償?shù)姆椒?，傳統(tǒng)只考慮樣品溫度，而我們不但對樣品進行加熱，而且對樣品所在環(huán)境加熱，使樣品保持恒溫，精確測量超聲波速度和衰減。 使用說明： 可實現(xiàn)液體樣品的性能分析以及檢測樣品的濃度、密度和粘度。使用時，通過單片機控制超聲波的發(fā)送和接收以及樣品的吸入與突出，可以直接測量超聲波在樣品中的速度和衰減值，對比正常液體樣品中超聲波速度衰減值即可進行液體的性能分析技術特點和優(yōu)勢：1作品根據(jù)需求由單片機控制超聲波隨時發(fā)送隨時停止的，使得超聲波速度測量簡單，減小誤差。2、本實驗用直接由兩個探頭完成工作，一個發(fā)送一個接收，v=s/t，不考慮反射，低損耗，效率和精度提高。3、本實驗所用的方法中采用較短的樣品室實現(xiàn)測量，大大提高了對于測量媒質的適應性，具有較大的應用前景。 應用前景：本作品可以應用在物質性能分析和食品檢測的領域，如液體食品組成成分及分散特性的測量、果汁含糖量的測量、汽油密度及含水量的測量、一級牛奶變質的檢測等等，經(jīng)過集成化工業(yè)化可進入市場，并且本作品的硬件集成度較高，程序可移植性好，操作簡單方便，功能齊全，實用性強。 市場分析和經(jīng)濟效益預測：我們的作品的硬件成本很低廉，我們的作品快速、準確，能實現(xiàn)在線監(jiān)測，在經(jīng)濟效益上，我們的項目所產(chǎn)生的價值是遠遠大于此的。作品可以測量低衰減及非頻散的液體媒質，應用領域很廣泛。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計： 此設計是由超聲探頭驅動部分、信號處理部分、信號采集部分、信號控制部分、馬達控制部分和樣品加熱部分組成。 目的： 設計和提出能夠快速準確測量液體中超聲波速度和衰減的可行方案，通過測定超聲波的速度和衰減，實現(xiàn)對媒質非聲特性參數(shù)的測量，除此之外，還能對液體媒質進行缺陷檢測和物性評價，例如牛奶性能的檢測。 基本思路： 本作品采用中心頻率為5MHZ的水浸超聲直探頭來產(chǎn)生超聲波，通過測得超聲波通過樣品室的速度和衰減得出測量結果。 超聲波速度的測量采用dv=n×l/(t-n*г)≈l/tdn，該作品用74HCT00控制MOSFET，不僅能實現(xiàn)對樣品和環(huán)境溫度的控制能夠保證溫度的恒定，還可以減少單片機的內部功耗，達到快速準確的實現(xiàn)液體在線檢測。 創(chuàng)新點： 1、傳統(tǒng)的聲速測量方法受媒質限制，而本作品不受限于媒質，應用廣泛。 2、傳統(tǒng)的測超聲波速度和衰減時利用脈沖回波重合法，比較復雜，精度不高。本作品的方法則使超聲波速度測量簡單，精度提高。 3、本作品加熱部分采用溫度補償?shù)姆椒?，使樣品保持恒溫，精確測量超聲波速度和衰減。 技術關鍵： 1、超聲波速度測量：采用測量一次時間內超聲波通過樣品室的次數(shù)計算速度。 2、接收端超聲波振幅的測量：通過比較法采集振幅 主要技術指標： t時間內超聲波通過樣品室的次數(shù)n；測量振幅時是階梯波和超聲波的相對大小
科學性、先進性
- 1、就溫度控制方面來講，以前同類型實驗只考慮了超聲波傳播媒質的溫度對波速的影響；而本實驗不僅考慮上述問題，而且考慮到介質所處的環(huán)境溫度對介質溫度的影響，并使用單片機控制加熱絲對環(huán)境溫度進行控制，實現(xiàn)恒溫。 2、就測試方法而言，以前試驗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，用頻率計測出振蕩器在此時的振蕩周期T, 再通過衍射修正和耦合層修正計算出媒質的絕對聲速，十分繁瑣；而本實驗用直接由兩個探頭完成工作，一個發(fā)送一個接收，單片機控制自動測量所用時間，用簡單且易于實現(xiàn)的v=s/t公式測量，不用考慮反射，減少了損耗，提高了效率和精度。 3、就實驗對象看來，脈沖回波重合法，脈沖回波計數(shù)法等聲速測量方法都要求被測介質是低衰減及非頻散的，而隨著科學技術的進步, 各種新型材料不斷涌現(xiàn), 其中許多材料的聲學特征是高衰減和頻散的, 這對傳統(tǒng)的聲速測量方法就遇到了困難；本實驗所用的方法不受限于傳播媒質，應用更加廣泛。
獲獎情況及鑒定結果
- 作品成果已轉化，獲得第九屆河南省挑戰(zhàn)杯最具創(chuàng)意投資價值獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 專利
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明： 可實現(xiàn)液體樣品的性能分析如濃度、密度和粘度。使用時，通過單片機控制超聲波的發(fā)送和接收以及樣品的吸入與吐出，可以直接測量超聲波在樣品中的速度和衰減值，對比正常液體樣品中超聲波速度衰減值即可進行液體的性能分析技術特點和優(yōu)勢：1、超聲波速度測量簡單，減小誤差。2、實驗直接由兩個探頭完成工作，一個發(fā)送一個接收，v=s/t，不考慮反射，低損耗，效率和精度提高。3、本實驗所用的方法中采用較短的樣品室實現(xiàn)測量，大大提高了對于測量媒質的適應性，具有較大的應用前景。 應用前景：本作品可以應用在物質性能分析和食品檢測的領域，如液體食品組成成分及分散特性的測量、果汁含糖量的測量、汽油密度及含水量的測量等等，經(jīng)過集成化工業(yè)化可進入市場，并且本作品的硬件集成度較高，操作簡單方便，功能齊全，實用性強。 市場分析和經(jīng)濟效益預測：我們的作品的硬件成本很低廉，我們的作品快速、準確，能實現(xiàn)在線監(jiān)測，在經(jīng)濟效益上，我們的項目所產(chǎn)生的價值是遠遠大于此的。作品可以測量低衰減及非頻散的液體媒質，應用領域很廣泛。
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,可自動地連續(xù)測量聲時的微小變化,精度達2×10~(-7);可手動地測量聲波渡越時間的絕對值,精度達2×10~(-4);可自動地連續(xù)測量超聲波在煤質內振幅的衰減量及其隨外界(如溫度,應力等)的變化,在30dB的范圍內精度達到1×10~(-2)。聲速和衰減的測量值由數(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，超聲波濃度儀通過測定這些參數(shù)，并進行精確計算，即可直觀顯示相應液體及單元漿體溶液的濃度變化，并可根據(jù)工藝精度要求在遠程儀表上預置報警點或閉環(huán)控制，可廣泛應用于造紙、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、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、實用油、奶制品）等行業(yè)中。
