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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 新型精密超聲波溫度計
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 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)計了一種同時兼有低成本與高精度的新型精密超聲波溫度計。采用特殊的軟件細(xì)分算法對采集數(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)，使對超聲波的測量達(dá)到了ns級。從而使超聲波溫度計的溫度測量分辨率優(yōu)于0.001℃。同時，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)，并針對接觸式溫度傳感器在一個較寬的測量范圍內(nèi)不能保證一個穩(wěn)定的高精度的難點(diǎn)問題，提出了一種新型精密超聲波溫度計。本作品主要有兩個創(chuàng)新點(diǎn)，第一，是利用了超聲波的頻率高、抗干擾能力強(qiáng)、對溫度變化敏感的的特點(diǎn)，使溫度測量能夠快速而穩(wěn)定，其最低測量溫度可達(dá)到-200℃，最高溫度可以達(dá)到2000℃。第二，是采用FPGA芯片來對信號進(jìn)行高速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集與控制，并使用細(xì)分算法來對信號進(jìn)行處理，使作品能夠精確地對信號進(jìn)行激勵與采集，并實(shí)現(xiàn)納秒級的超聲波傳播時間的測量。作品通過測量超聲波在特定距離上的傳播時間，間接測得其環(huán)境溫度。因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化會較敏感地影響到超聲波傳播速度的變化，利用納秒級的超聲波傳播時間的測量硬件便可以測得溫度分辨率優(yōu)于0.001℃的溫度測量。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、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)的場合，在許多高科技領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。目前各國都在針對性地競爭開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊適用的測量技術(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)計一種能夠在傳統(tǒng)場合和一些特定環(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。設(shè)計的基本思路是：通過測量超聲波在特定距離上的傳播時間，間接測得其環(huán)境溫度。因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化會影響超聲波傳播速度的變化，通過研究得到超聲波的傳播時間與被測溫度之間的關(guān)系，測得超聲波傳播時間，即可測測量對應(yīng)環(huán)境溫度。 本作品主要有兩個創(chuàng)新點(diǎn)，第一，是利用了超聲波的頻率高、抗干擾能力強(qiáng)、對溫度變化敏感的的特點(diǎn)，使溫度測量達(dá)到快速、穩(wěn)定的寬量程測量，其最低測量溫度可以高達(dá)到-200℃，最高溫度可以達(dá)到2000℃。第二，是采用FPGA芯片來對信號進(jìn)行控制并結(jié)合了細(xì)分插值算法來對信號進(jìn)行處理，能夠精確地對信號進(jìn)行激勵與采集，與此同時通過細(xì)分插值算法可以使測量的超聲波傳播時間達(dá)到納秒級。 作品的技術(shù)關(guān)鍵主要是：高頻超聲波信號激勵、高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和納秒級的超聲波傳播時間的測量方法。 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)測量超聲波傳播時間，其時間測量值波動不超過1納秒，從而保證了測量的穩(wěn)定性。 技術(shù)指標(biāo)之二為分辨率，它是溫度計能夠測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量成為可能。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 溫度計按與介質(zhì)的接觸方式可分為非接觸式溫度計和接觸式溫度計。非接觸式溫度計是通過接收被測物體發(fā)出來的輻射來得知物體溫度，其優(yōu)點(diǎn)是：測溫時不與被測物體進(jìn)行導(dǎo)熱交換，不對溫度場產(chǎn)生影響，速度快，可動態(tài)測量，測溫上限不受元件限制；缺點(diǎn)是誤差較大。接觸式溫度計是通過元件與被測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，測量簡單，精度高；缺點(diǎn)是測溫范圍小，對測溫度場有影響。 作品使用超聲波的傳播速度來測量溫度，是通過速度來感知溫度輻射，其測溫上限不受感溫元件影響，具有非接觸式溫度計的特點(diǎn)。同時超聲波在介質(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溫度變化比較敏感，在測量超聲波傳播時間達(dá)到ns級時，便可以使測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，就能夠同時使超聲波溫度計具有接觸式溫度計與非接觸式溫度計的雙重優(yōu)點(diǎn)，足顯其科學(xué)先進(jìn)性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 暫無
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
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 超聲波測溫技術(shù)利用其傳播速度對溫度進(jìn)行測量，其抗干擾能力強(qiáng)且快速而穩(wěn)定，可用在計量領(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的雙重特點(diǎn)，使其能夠在傳統(tǒng)場合和一些特定環(huán)境下正常、穩(wěn)定工作。它所測量的溫度作為一個基本的物理量，與人們的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，已涉及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。 傳感器技術(shù)水平的高低，已經(jīng)成為衡量一個國家工業(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，1998年的銷售額為325億美元，2003年已達(dá)到422億美元，到2009年時全球傳感器市場容量約為530億美元，統(tǒng)計2010年世界傳感器市場規(guī)模約達(dá)660億美元以上，而未來5年將是中國傳感器市場穩(wěn)步快速發(fā)展的5年，在持續(xù)30%以上的年度增長動力之下，2014年中國傳感器市場規(guī)模有望達(dá)到1200億元以上。因溫度測量占總的傳感器需求量的50%，同時新型精密超聲波溫度計又有比傳統(tǒng)溫度計有更多的優(yōu)點(diǎn)，因此可以預(yù)見作品將會有一個非常樂觀的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 溫度是一個基本的物理量，自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過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)行測量和控制的一個重要物理量。溫度的測量是在最為常見的一種測量，無論在任何應(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。就以測量為例，在力的測量、壓力、流量、位置及電平高低等測量的過程中，為了提高測量精度，通常都會要求對溫度進(jìn)行監(jiān)視，如壓力或力的測量，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，往往會大大超過待測力引起的電阻值變化，如不對溫度進(jìn)行監(jiān)控并據(jù)此校正測量結(jié)果，則測量完全不可能進(jìn)行或者毫無效果。對于其他參數(shù)測量也有同樣類似的問題，可以說，各種的物理量都是溫度的函數(shù)，要得到精確的測定結(jié)果，必須針對溫度的變化，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：熱電偶的可測溫度范圍最寬，而熱電阻的測量線性度最優(yōu)，熱敏電阻的性價比最高。 雖然這些傳感器技術(shù)已經(jīng)成熟，但是只能在傳統(tǒng)的場合應(yīng)用，不能應(yīng)用于許多高科技領(lǐng)域。因此，各國專家都在針對性的競爭開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊的實(shí)用測量技術(shù)。這些新型溫度傳感器有：光纖溫度傳感器、特種測溫?zé)崦綦娎|、石英溫度計、超聲波溫度計、核四級共振溫度計(NQR溫度計)、熱噪聲溫度計、半導(dǎo)體集成電路溫度計等。 超聲波溫度計作為新型溫度傳感器的一種，早在120年以前，當(dāng)時著名的聲學(xué)專家Mayer就測量出了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。但超聲波測溫技術(shù)的研究和應(yīng)用在近40年來才逐步展開的。超聲測溫經(jīng)過這四、五十年的發(fā)展過程，已經(jīng)成為一種新的有前景的測溫方法。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。但是超聲波測溫技術(shù)的研究在我國尚屬開始階段，相關(guān)技術(shù)的研究在國內(nèi)較少，國內(nèi)整體的超聲測溫水平不高，并且還明顯存在著自動化程度低、在線檢測困難以及測量精度差等缺點(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溫技術(shù)的研發(fā)顯得很有必要。
