基本信息
- 项目名称：
- 基于超声波速度、衰减的液体性能自动测量仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品采用中心频率为5MHZ的水浸超声直探头来产生超声波，通过测得超声波通过样品室的速度和衰减得出测量结果。 本作品的测量系统是由超声探头驱动部分、信号处理部分、信号采集部分、信号控制部分、马达控制部分和样品加热部分组成。其中，超声包络峰值的检测电路的设计解决接收探头端超声包络峰值的快速准确测量，实现对超声波衰减的计算；声速测量电路的设计是将时间测量问题转化为距离的测量。
- 详细介绍：
- 基于超声波速度、衰减的液体性能自动测量仪 一 作品概述 本作品采用中心频率为5MHZ的水浸超声直探头来产生超声波，通过测得超声波通过样品室的速度和衰减得出测量结果。 本作品的测量系统是由超声探头驱动部分、信号处理部分、信号采集部分、信号控制部分、马达控制部分和样品加热部分组成，主控制器采用ADuC831单片机。其中，超声包络峰值的检测电路的设计主要解决接收探头端超声包络峰值的快速准确测量，实现对超声波衰减的计算；声速测量电路的设计是将时间测量问题转化为距离的测量，从而实现超声波传播速度的测量；马达控制部分实现样品的吸收、吐出和清洗工作。 二 应用前景 本作品可以解决衰减系数较小的液体在线分析问题，如液体食品组成成分及分散特性的测量、果汁含糖量的测量、汽油密度及含水量的测量以及牛奶变质的检测应用等。经过集成化工业化可进入市场，并且本作品的硬件集成度较高，程序可移植性好，操作简单方便，功能齐全，实用性强。 三 设计方案 本作品由8大部分组成： 信号滤波和放大部分 本部分采用AD8561作为信号滤波的放大器，滤波器具有良好的幅频和相频特性(见附件) 超声波发射部分 超声波发射部分采用脉冲激励，通过多谐振荡器74HCT123和高速双通MOSFET驱动器MC34152组成。只需测量出接收探头输出的波形的峰值就能反映超声波在样品中的衰减。 接收端超声波振幅的测量 对于超声波振幅的测量，采用比较法。 超声波速度的测量部分 作品采用测量一定时间内，超声波通过样品室的次数来确定超声波在液体中的速度。这种方法测量时间固定，即使计算通过的次数产生了偏差，那么对结果的影响也不会很大，相对于传统的计算方法，准确性大大提高。 dv=n×l/(t-n*г)≈l/tdn n是计数器的计数值，l是样品室的长度，t是测试时间，为器件的延迟，由于很小，可以忽略， 加热和温度测量检测部分 在不同的温度的样品中，超声波的速度和衰减是不同的。本操作中要求样品温度是40°，加热部分的电路见附件。单片机通过控制74HCT00来决定是否加热。作品不仅对样品加热，还对样品池所处环境加热，温度补偿能力加大，提高了测量精度。 步进电机及电机驱动部分 这一部分由直流电机、电机驱动、气囊、光电开关组成，实现自动抽取样品、吐出样品以及自动清洗的功能。 显示部分 与PC机通信及下载操作部分 四、创新点 创新点： 1、许多材料的声学特征是高衰减和频散的,这对传统的声速测量方法就遇到了困难，而本作品不受限于媒质，应用广泛。 2、本作品根据使用需求由单片机控制超声波随时发送随时停止的，而传统的测超声波速度和衰减时利用脉冲回波重合法，其基本原理是用一个连续波音频振荡器去控制超声脉冲的发射和示波器的水平的扫描,比较复杂，精度不高。本作品的方法则使超声波速度测量简单，精度提高。 3、本作品加热部分采用温度补偿的方法，传统只考虑样品温度，而我们不但对样品进行加热，而且对样品所在环境加热，使样品保持恒温，精确测量超声波速度和衰减。 使用说明： 可实现液体样品的性能分析以及检测样品的浓度、密度和粘度。使用时，通过单片机控制超声波的发送和接收以及样品的吸入与突出，可以直接测量超声波在样品中的速度和衰减值，对比正常液体样品中超声波速度衰减值即可进行液体的性能分析技术特点和优势：1作品根据需求由单片机控制超声波随时发送随时停止的，使得超声波速度测量简单，减小误差。2、本实验用直接由两个探头完成工作，一个发送一个接收，v=s/t，不考虑反射，低损耗，效率和精度提高。3、本实验所用的方法中采用较短的样品室实现测量，大大提高了对于测量媒质的适应性，具有较大的应用前景。 应用前景：本作品可以应用在物质性能分析和食品检测的领域，如液体食品组成成分及分散特性的测量、果汁含糖量的测量、汽油密度及含水量的测量、一级牛奶变质的检测等等，经过集成化工业化可进入市场，并且本作品的硬件集成度较高，程序可移植性好，操作简单方便，功能齐全，实用性强。 市场分析和经济效益预测：我们的作品的硬件成本很低廉，我们的作品快速、准确，能实现在线监测，在经济效益上，我们的项目所产生的价值是远远大于此的。作品可以测量低衰减及非频散的液体媒质，应用领域很广泛。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计： 此设计是由超声探头驱动部分、信号处理部分、信号采集部分、信号控制部分、马达控制部分和样品加热部分组成。 目的： 设计和提出能够快速准确测量液体中超声波速度和衰减的可行方案，通过测定超声波的速度和衰减，实现对媒质非声特性参数的测量，除此之外，还能对液体媒质进行缺陷检测和物性评价，例如牛奶性能的检测。 基本思路： 本作品采用中心频率为5MHZ的水浸超声直探头来产生超声波，通过测得超声波通过样品室的速度和衰减得出测量结果。 超声波速度的测量采用dv=n×l/(t-n*г)≈l/tdn，该作品用74HCT00控制MOSFET，不仅能实现对样品和环境温度的控制能够保证温度的恒定，还可以减少单片机的内部功耗，达到快速准确的实现液体在线检测。 创新点： 1、传统的声速测量方法受媒质限制，而本作品不受限于媒质，应用广泛。 2、传统的测超声波速度和衰减时利用脉冲回波重合法，比较复杂，精度不高。本作品的方法则使超声波速度测量简单，精度提高。 3、本作品加热部分采用温度补偿的方法，使样品保持恒温，精确测量超声波速度和衰减。 技术关键： 1、超声波速度测量：采用测量一次时间内超声波通过样品室的次数计算速度。 2、接收端超声波振幅的测量：通过比较法采集振幅 主要技术指标： t时间内超声波通过样品室的次数n；测量振幅时是阶梯波和超声波的相对大小
科学性、先进性
- 1、就温度控制方面来讲，以前同类型实验只考虑了超声波传播媒质的温度对波速的影响；而本实验不仅考虑上述问题，而且考虑到介质所处的环境温度对介质温度的影响，并使用单片机控制加热丝对环境温度进行控制，实现恒温。 2、就测试方法而言，以前试验采用的方法是接收放大器将换能器收到的多次反射回波显示在示波器上，用频率计测出振荡器在此时的振荡周期T, 再通过衍射修正和耦合层修正计算出媒质的绝对声速，十分繁琐；而本实验用直接由两个探头完成工作，一个发送一个接收，单片机控制自动测量所用时间，用简单且易于实现的v=s/t公式测量，不用考虑反射，减少了损耗，提高了效率和精度。 3、就实验对象看来，脉冲回波重合法，脉冲回波计数法等声速测量方法都要求被测介质是低衰减及非频散的，而随着科学技术的进步, 各种新型材料不断涌现, 其中许多材料的声学特征是高衰减和频散的, 这对传统的声速测量方法就遇到了困难；本实验所用的方法不受限于传播媒质，应用更加广泛。
获奖情况及鉴定结果
- 作品成果已转化，获得第九届河南省挑战杯最具创意投资价值奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 可实现液体样品的性能分析如浓度、密度和粘度。使用时，通过单片机控制超声波的发送和接收以及样品的吸入与吐出，可以直接测量超声波在样品中的速度和衰减值，对比正常液体样品中超声波速度衰减值即可进行液体的性能分析技术特点和优势：1、超声波速度测量简单，减小误差。2、实验直接由两个探头完成工作，一个发送一个接收，v=s/t，不考虑反射，低损耗，效率和精度提高。3、本实验所用的方法中采用较短的样品室实现测量，大大提高了对于测量媒质的适应性，具有较大的应用前景。 应用前景：本作品可以应用在物质性能分析和食品检测的领域，如液体食品组成成分及分散特性的测量、果汁含糖量的测量、汽油密度及含水量的测量等等，经过集成化工业化可进入市场，并且本作品的硬件集成度较高，操作简单方便，功能齐全，实用性强。 市场分析和经济效益预测：我们的作品的硬件成本很低廉，我们的作品快速、准确，能实现在线监测，在经济效益上，我们的项目所产生的价值是远远大于此的。作品可以测量低衰减及非频散的液体媒质，应用领域很广泛。
同类课题研究水平概述
- 一种高精度的超声波速度和衰减综合测量装置,它将脉冲叠加法,脉冲回波重合法和回波选通比较法都组合在一套仪器内,可自动地连续测量声时的微小变化,精度达2×10~(-7);可手动地测量声波渡越时间的绝对值,精度达2×10~(-4);可自动地连续测量超声波在煤质内振幅的衰减量及其随外界(如温度,应力等)的变化,在30dB的范围内精度达到1×10~(-2)。声速和衰减的测量值由数字显示。 超声波浓度仪：超声波在各种液体中的传播状态随温度、压力、和介质混合单元数、单元比浓度的不同而变化，多普勒参数是上述因素的有限元多次方程，在不同工艺精度要求下，可简化为N元三次～四次方程。超声波的多普勒参数在各种液体中及不同的温度、压力、混合元数、单元浓度条件下将随液体的浓度不同而改变，超声波浓度仪通过测定这些参数，并进行精确计算，即可直观显示相应液体及单元浆体溶液的浓度变化，并可根据工艺精度要求在远程仪表上预置报警点或闭环控制，可广泛应用于造纸、矿浆分析、化工业、制药厂、石油、水处理、废水监控、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、实用油、奶制品）等行业中。
