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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)自動(dòng)調(diào)諧裝置的研究與設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 數(shù)理
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)是對(duì)單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)的諧振系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的電子線(xiàn)路和軟件程序，選用適當(dāng)?shù)碾娮釉?duì)聲場(chǎng)空間溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)采集聲場(chǎng)空間溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)聲發(fā)射端產(chǎn)生的聲波頻率。將聲場(chǎng)空間諧振系統(tǒng)手動(dòng)機(jī)械的調(diào)諧方式變?yōu)樽詣?dòng)控制調(diào)諧方式。在聲場(chǎng)空間溫度等條件發(fā)生變化時(shí)，保持聲場(chǎng)空間始終處于穩(wěn)定的諧振狀態(tài)，有效提高聲懸浮實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。
- 詳細(xì)介紹：
- 聲懸浮技術(shù)可以在地球環(huán)境中模擬外層空間環(huán)境，為研究和制備各種高質(zhì)量材料以及探索發(fā)現(xiàn)新材料等提供了理想的實(shí)驗(yàn)條件。由于聲懸浮對(duì)被懸浮物體的物理性質(zhì)，如電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)等沒(méi)有特別的限制，且沒(méi)有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)。因此，聲懸浮技術(shù)具有十分重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。 聲懸浮的調(diào)諧系統(tǒng)是影響聲懸浮穩(wěn)定性的重要因素之一，目前單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)中的諧振系統(tǒng)采用手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)方式，其可靠性、實(shí)時(shí)性差，容易導(dǎo)致懸浮失敗。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)溫度變化、自動(dòng)調(diào)節(jié)聲波頻率的調(diào)諧系統(tǒng)，將手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)諧振系統(tǒng)的方式變?yōu)樽詣?dòng)控制調(diào)諧，有效的提高了聲懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 主要技術(shù)原理： 1. 自動(dòng)采集聲場(chǎng)空間溫度數(shù)據(jù)。將溫度傳感器AD590置于聲懸浮實(shí)驗(yàn)裝置的聲場(chǎng)空間，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集聲場(chǎng)空間溫度信息，并將采集到的溫度信息轉(zhuǎn)變換為電壓信號(hào)。 2. 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX187將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)，傳輸給ATMega16單片機(jī)進(jìn)行處理。 3. 對(duì)數(shù)據(jù)做開(kāi)平方運(yùn)算。ATMega16單片機(jī)按預(yù)定程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)做開(kāi)平方運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果傳輸給AD9833波形發(fā)生器。 4. ATMega16單片機(jī)控制波形發(fā)生器AD9833產(chǎn)生符合諧振頻率條件的高精度正弦波信號(hào)。 5 .經(jīng)過(guò)D類(lèi)高效大功率放大器推動(dòng)換能器發(fā)射滿(mǎn)足諧振頻率條件的高精度聲波，保證聲場(chǎng)空間始終處于諧振狀態(tài)，滿(mǎn)足懸浮樣品穩(wěn)定懸浮時(shí)所需要的諧振條件。 系統(tǒng)性能指標(biāo) 采用12位AD轉(zhuǎn)換芯片,其誤差<0.024%；單片機(jī)采用單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，其精度可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后7位；AD9833采用8M時(shí)鐘，具有28位的精度，頻率誤差不超過(guò)0.03Hz。這樣系統(tǒng)主要誤差由12位AD轉(zhuǎn)換芯片決定，即系統(tǒng)誤差<0.024%。 頻率誤差為19038×0.024%=4.57Hz。在266K至373K之間，頻率和波長(zhǎng)的比值在800到900之間，頻率控制精度小于8 Hz，波長(zhǎng)精度在0.01mm以下,符合系統(tǒng)要求。 系統(tǒng)的控制速度主要由浮點(diǎn)開(kāi)方運(yùn)算決定，一次開(kāi)方運(yùn)算需要9700個(gè)時(shí)鐘周期，在8MHz晶振下為1.2ms，整體系統(tǒng)每2ms完成一次溫度采樣和頻率控制，這是手工控制無(wú)法比擬的。
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作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 但是太空實(shí)驗(yàn)成本昂貴，迄今為止人們所能利用的空間資源也十分有限。因此，人們開(kāi)始積極探索在地球環(huán)境中模擬外層空間環(huán)境的各種方法，聲懸浮技術(shù)就是其中之一。 聲懸浮的調(diào)諧系統(tǒng)是影響聲懸浮穩(wěn)定性的重要因素之一，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)溫度變化、自動(dòng)調(diào)節(jié)聲波頻率的調(diào)諧系統(tǒng)，將手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)諧振系統(tǒng)的方式變?yōu)樽詣?dòng)控制調(diào)諧，有效的提高了聲懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本項(xiàng)目在單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)調(diào)諧系統(tǒng)中加入了自動(dòng)調(diào)諧裝置，采用實(shí)時(shí)自動(dòng)采集溫度信息、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)聲波頻率的方式，確保聲場(chǎng)空間始終處于精確的諧振狀態(tài)，使聲懸浮的穩(wěn)定性得到了有效提高。改變了以往采用的手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)聲場(chǎng)空間距離的調(diào)諧方式。它的優(yōu)勢(shì)是不需要復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快，精度高，實(shí)現(xiàn)了諧振系統(tǒng)的自動(dòng)控制。后續(xù)擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以加入對(duì)其他物理量的檢測(cè)以及閉環(huán)自控器件等。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 本項(xiàng)目在單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)調(diào)諧系統(tǒng)中加入了自動(dòng)調(diào)諧裝置，采用實(shí)時(shí)自動(dòng)采集溫度信息、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)聲波頻率的方式，確保聲場(chǎng)空間始終處于精確的諧振狀態(tài)，使聲懸浮的穩(wěn)定性得到了有效提高。改變了以往采用的手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)聲場(chǎng)空間距離的調(diào)諧方式。它的優(yōu)勢(shì)是不需要復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快，精度高，實(shí)現(xiàn)了諧振系統(tǒng)的自動(dòng)控制。后續(xù)擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以加入對(duì)其他物理量的檢測(cè)以及閉環(huán)自控器件等。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)中的諧振系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將手動(dòng)機(jī)械的調(diào)諧方式變?yōu)樽詣?dòng)控制調(diào)諧方式。 主要內(nèi)容： 1. 自動(dòng)采集聲場(chǎng)空間溫度數(shù)據(jù)。將溫度傳感器AD590置于聲懸浮實(shí)驗(yàn)裝置的聲場(chǎng)空間，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集聲場(chǎng)空間溫度信息，并將采集到的溫度信息轉(zhuǎn)變換為電壓信號(hào)。 2. 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX187將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)，傳輸給ATMega16單片機(jī)進(jìn)行處理。 3. 對(duì)數(shù)據(jù)做開(kāi)平方運(yùn)算。ATMega16單片機(jī)按預(yù)定程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)做開(kāi)平方運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果傳輸給AD9833波形發(fā)生器。 4. ATMega16單片機(jī)控制波形發(fā)生器AD9833產(chǎn)生符合諧振頻率條件的高精度正弦波信號(hào)。 5 .經(jīng)過(guò)D類(lèi)高效大功率放大器推動(dòng)換能器發(fā)射滿(mǎn)足諧振頻率條件的高精度聲波，保證聲場(chǎng)空間始終處于諧振狀態(tài)，滿(mǎn)足懸浮樣品穩(wěn)定懸浮時(shí)所需要的諧振條件。
獲獎(jiǎng)情況
- 河南省科學(xué)技術(shù)廳科學(xué)技術(shù)成果鑒定 豫科鑒委字［ 2010 ］第275號(hào) 《提高單軸式聲懸浮穩(wěn)定性研究》 《南陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)》2007.9 發(fā)表 安陽(yáng)市科技成果二等獎(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 該項(xiàng)目研究成果可以應(yīng)用到單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，使聲懸浮的穩(wěn)定性得到提高。具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值，在溫度-頻率的自動(dòng)控制方面達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
參考文獻(xiàn)
- 主要參考文獻(xiàn) [1]解文軍．聲懸浮優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用研究[學(xué)位論文]．西安：西北工業(yè)大學(xué)．2002． [2]解文軍，魏炳波．聲懸浮研究新進(jìn)展[J]．物理.2002．31(9)：551-554． [3]解文軍，曹崇德，魏炳波．聲懸浮的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析[J] ．物理學(xué)報(bào).1999.48.（2） [4]解文軍，魏炳波．單軸式聲懸浮的物理特性[J]．聲學(xué)技術(shù).2001.20（2） [5]國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)簡(jiǎn)報(bào)．我國(guó)聲懸浮研究取得重要進(jìn)展．2001:321 [6]杜寶玉，趙波，劉傳紹，閆艷燕．聲懸浮無(wú)容器處理的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬分析[J] ．新技術(shù)新工藝?新材料開(kāi)發(fā)與研究．2005．（12）：41-43. [7]馮大圣，焦鋒，陳娟，王應(yīng)彪，杜寶玉．單軸式聲懸浮的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬分析[J].材料導(dǎo)報(bào).2007.（5）:152-154 [8]吳潔，張立志，張平．提高單軸式聲懸浮穩(wěn)定性研究[J] ．南陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)．2007.（9）:38-40 [9]潘祥生，邢立華，李 勛，張德遠(yuǎn)．聚焦式超聲懸浮[J] ．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) 2006．32．（1）：79-82
同類(lèi)課題研究水平概述
- 在人們積極探索在地球環(huán)境中模擬外層空間環(huán)境的各種方法中，聲懸浮技術(shù)就是其中之一。在制備高純凈度材料時(shí)，必須盡一切可能避免雜質(zhì)的混入。外層空間的微重力、高真空環(huán)境，可以無(wú)容器的將物體懸浮在空中，實(shí)現(xiàn)材料的無(wú)容器處理。而在地球環(huán)境中實(shí)現(xiàn)材料的無(wú)容器處理，必須通過(guò)各種懸浮技術(shù)。聲懸浮技術(shù)依靠聲波的輻射壓力克服地球重力，可以使物體在地球環(huán)境中懸浮在空中，達(dá)到模擬外層空間環(huán)境的效果。由于聲懸浮對(duì)被懸浮物體的物理性質(zhì)，如電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)等沒(méi)有特別的限制，且沒(méi)有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，成為在地球環(huán)境中模擬外層空間環(huán)境的理想方法。為研究和制備各種高質(zhì)量材料以及探索發(fā)現(xiàn)新材料等提供了理想的實(shí)驗(yàn)條件，具有十分重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。 聲懸浮實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒腋∑鹞矬w的關(guān)鍵是懸浮力的大小和懸浮穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)物體的穩(wěn)定懸浮必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件，一是要有足夠的聲場(chǎng)強(qiáng)度提供平衡重力所必須的懸浮力，二是要保持聲場(chǎng)空間始終處于諧振狀態(tài)以保證懸浮樣品的穩(wěn)定性。聲懸浮的穩(wěn)定性一直是人們研究關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。聲懸浮的穩(wěn)定性易受溫度等外界環(huán)境變化的影響。只有較好的解決聲懸浮的穩(wěn)定性問(wèn)題，才能更好的實(shí)現(xiàn)其廣闊的應(yīng)用前景。 國(guó)際上聲懸浮技術(shù)有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是單軸式，另一種是三軸式。單軸式聲懸浮裝置由一個(gè)聲發(fā)射端和一個(gè)聲反射的構(gòu)成，其發(fā)射端-聲反射端軸線(xiàn)和重力方向平行。將三組發(fā)射端-聲反射端在空間以正交方式進(jìn)行組合，則構(gòu)成三軸式聲懸浮器。顯然，單軸式結(jié)構(gòu)不但造價(jià)低廉而且操作簡(jiǎn)單。 我國(guó)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西北工業(yè)大學(xué)空間材料地面模擬實(shí)驗(yàn)室的單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)，成功的懸浮起了自然界中密度最大的固體銥（Ir，密度22.6g/cm3）和液體汞（Hg，密度13.6g/cm3），達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。 單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)中的諧振系統(tǒng)采用手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)方式，其可靠性、實(shí)時(shí)性差，精確度低容易導(dǎo)致懸浮失敗。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)溫度變化、自動(dòng)調(diào)節(jié)聲波頻率的電子系統(tǒng)，在單軸式聲懸浮實(shí)驗(yàn)中加入了自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)自動(dòng)采集溫度信息、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)聲波頻率的方式，確保聲場(chǎng)空間始終處于精確的諧振狀態(tài)，使聲懸浮的穩(wěn)定性得到了有效提高。改變了以往采用的手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)聲場(chǎng)空間距離的調(diào)諧方式。它的優(yōu)勢(shì)是不需要復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快，精度高，實(shí)現(xiàn)了諧振系統(tǒng)的自動(dòng)控制。有效的提高了聲懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
