基本信息
- 项目名称：
- 单轴式声悬浮实验自动调谐装置的研究与设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目主要实现技术是对单轴式声悬浮实验的谐振系统进行改进，通过自行设计的电子线路和软件程序，选用适当的电子元件对声场空间温度变化进行实时监测，自动采集声场空间温度数据，自动控制调节声发射端产生的声波频率。将声场空间谐振系统手动机械的调谐方式变为自动控制调谐方式。在声场空间温度等条件发生变化时，保持声场空间始终处于稳定的谐振状态，有效提高声悬浮实验的稳定性。
- 详细介绍：
- 声悬浮技术可以在地球环境中模拟外层空间环境，为研究和制备各种高质量材料以及探索发现新材料等提供了理想的实验条件。由于声悬浮对被悬浮物体的物理性质，如电学性质、磁学性质等没有特别的限制，且没有强烈的热效应。因此，声悬浮技术具有十分重要的科学意义和广泛的应用价值。 声悬浮的调谐系统是影响声悬浮稳定性的重要因素之一，目前单轴式声悬浮实验中的谐振系统采用手动机械调节方式，其可靠性、实时性差，容易导致悬浮失败。本项目设计了一套可以实时自动监测温度变化、自动调节声波频率的调谐系统，将手动机械调节谐振系统的方式变为自动控制调谐，有效的提高了声悬浮系统的稳定性。 主要技术原理： 1. 自动采集声场空间温度数据。将温度传感器AD590置于声悬浮实验装置的声场空间，实时自动采集声场空间温度信息，并将采集到的温度信息转变换为电压信号。 2. 将电压信号转换为数字信号。由A/D转换芯片MAX187将电压信号转换为12位数字信号，传输给ATMega16单片机进行处理。 3. 对数据做开平方运算。ATMega16单片机按预定程序对采集到的数据做开平方运算，并将运算结果传输给AD9833波形发生器。 4. ATMega16单片机控制波形发生器AD9833产生符合谐振频率条件的高精度正弦波信号。 5 .经过D类高效大功率放大器推动换能器发射满足谐振频率条件的高精度声波，保证声场空间始终处于谐振状态，满足悬浮样品稳定悬浮时所需要的谐振条件。 系统性能指标 采用12位AD转换芯片,其误差<0.024%；单片机采用单精度浮点运算，其精度可以达到小数点后7位；AD9833采用8M时钟，具有28位的精度，频率误差不超过0.03Hz。这样系统主要误差由12位AD转换芯片决定，即系统误差<0.024%。 频率误差为19038×0.024%=4.57Hz。在266K至373K之间，频率和波长的比值在800到900之间，频率控制精度小于8 Hz，波长精度在0.01mm以下,符合系统要求。 系统的控制速度主要由浮点开方运算决定，一次开方运算需要9700个时钟周期，在8MHz晶振下为1.2ms，整体系统每2ms完成一次温度采样和频率控制，这是手工控制无法比拟的。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 但是太空实验成本昂贵，迄今为止人们所能利用的空间资源也十分有限。因此，人们开始积极探索在地球环境中模拟外层空间环境的各种方法，声悬浮技术就是其中之一。 声悬浮的调谐系统是影响声悬浮稳定性的重要因素之一，本项目设计了一套可以实时自动监测温度变化、自动调节声波频率的调谐系统，将手动机械调节谐振系统的方式变为自动控制调谐，有效的提高了声悬浮系统的稳定性。
科学性、先进性及独特之处
- 本项目在单轴式声悬浮实验调谐系统中加入了自动调谐装置，采用实时自动采集温度信息、自动控制调节声波频率的方式，确保声场空间始终处于精确的谐振状态，使声悬浮的稳定性得到了有效提高。改变了以往采用的手动机械调节声场空间距离的调谐方式。它的优势是不需要复杂的机械调节装置，实时性强，调节速度快，精度高，实现了谐振系统的自动控制。后续扩展能力强，可以加入对其他物理量的检测以及闭环自控器件等。
应用价值和现实意义
- 本项目在单轴式声悬浮实验调谐系统中加入了自动调谐装置，采用实时自动采集温度信息、自动控制调节声波频率的方式，确保声场空间始终处于精确的谐振状态，使声悬浮的稳定性得到了有效提高。改变了以往采用的手动机械调节声场空间距离的调谐方式。它的优势是不需要复杂的机械调节装置，实时性强，调节速度快，精度高，实现了谐振系统的自动控制。后续扩展能力强，可以加入对其他物理量的检测以及闭环自控器件等。
学术论文摘要
- 项目主要研究内容是对单轴式声悬浮实验中的谐振系统进行改进，将手动机械的调谐方式变为自动控制调谐方式。 主要内容： 1. 自动采集声场空间温度数据。将温度传感器AD590置于声悬浮实验装置的声场空间，实时自动采集声场空间温度信息，并将采集到的温度信息转变换为电压信号。 2. 将电压信号转换为数字信号。由A/D转换芯片MAX187将电压信号转换为12位数字信号，传输给ATMega16单片机进行处理。 3. 对数据做开平方运算。ATMega16单片机按预定程序对采集到的数据做开平方运算，并将运算结果传输给AD9833波形发生器。 4. ATMega16单片机控制波形发生器AD9833产生符合谐振频率条件的高精度正弦波信号。 5 .经过D类高效大功率放大器推动换能器发射满足谐振频率条件的高精度声波，保证声场空间始终处于谐振状态，满足悬浮样品稳定悬浮时所需要的谐振条件。
获奖情况
- 河南省科学技术厅科学技术成果鉴定 豫科鉴委字［ 2010 ］第275号 《提高单轴式声悬浮稳定性研究》 《南阳师范学院学报》2007.9 发表 安阳市科技成果二等奖
鉴定结果
- 该项目研究成果可以应用到单轴式声悬浮实验中实现对谐振系统进行自动控制，使声悬浮的稳定性得到提高。具有广阔的推广应用价值，在温度-频率的自动控制方面达到了国内领先水平。
参考文献
- 主要参考文献 [1]解文军．声悬浮优化设计理论及其应用研究[学位论文]．西安：西北工业大学．2002． [2]解文军，魏炳波．声悬浮研究新进展[J]．物理.2002．31(9)：551-554． [3]解文军，曹崇德，魏炳波．声悬浮的实验研究和数值模拟分析[J] ．物理学报.1999.48.（2） [4]解文军，魏炳波．单轴式声悬浮的物理特性[J]．声学技术.2001.20（2） [5]国家自然科学基金委员会简报．我国声悬浮研究取得重要进展．2001:321 [6]杜宝玉，赵波，刘传绍，闫艳燕．声悬浮无容器处理的实验研究及数值模拟分析[J] ．新技术新工艺•新材料开发与研究．2005．（12）：41-43. [7]冯大圣，焦锋，陈娟，王应彪，杜宝玉．单轴式声悬浮的实验研究及数值模拟分析[J].材料导报.2007.（5）:152-154 [8]吴洁，张立志，张平．提高单轴式声悬浮稳定性研究[J] ．南阳师范学院学报．2007.（9）:38-40 [9]潘祥生，邢立华，李 勋，张德远．聚焦式超声悬浮[J] ．北京航空航天大学学报 2006．32．（1）：79-82
同类课题研究水平概述
- 在人们积极探索在地球环境中模拟外层空间环境的各种方法中，声悬浮技术就是其中之一。在制备高纯净度材料时，必须尽一切可能避免杂质的混入。外层空间的微重力、高真空环境，可以无容器的将物体悬浮在空中，实现材料的无容器处理。而在地球环境中实现材料的无容器处理，必须通过各种悬浮技术。声悬浮技术依靠声波的辐射压力克服地球重力，可以使物体在地球环境中悬浮在空中，达到模拟外层空间环境的效果。由于声悬浮对被悬浮物体的物理性质，如电学性质、磁学性质等没有特别的限制，且没有强烈的热效应，成为在地球环境中模拟外层空间环境的理想方法。为研究和制备各种高质量材料以及探索发现新材料等提供了理想的实验条件，具有十分重要的科学意义和广泛的应用价值。 声悬浮实验能否成功悬浮起物体的关键是悬浮力的大小和悬浮稳定性。实现物体的稳定悬浮必须满足两个条件，一是要有足够的声场强度提供平衡重力所必须的悬浮力，二是要保持声场空间始终处于谐振状态以保证悬浮样品的稳定性。声悬浮的稳定性一直是人们研究关注的焦点问题。声悬浮的稳定性易受温度等外界环境变化的影响。只有较好的解决声悬浮的稳定性问题，才能更好的实现其广阔的应用前景。 国际上声悬浮技术有两种基本结构，一种是单轴式，另一种是三轴式。单轴式声悬浮装置由一个声发射端和一个声反射的构成，其发射端-声反射端轴线和重力方向平行。将三组发射端-声反射端在空间以正交方式进行组合，则构成三轴式声悬浮器。显然，单轴式结构不但造价低廉而且操作简单。 我国国家重点实验室西北工业大学空间材料地面模拟实验室的单轴式声悬浮实验，成功的悬浮起了自然界中密度最大的固体铱（Ir，密度22.6g/cm3）和液体汞（Hg，密度13.6g/cm3），达到了国际领先水平。 单轴式声悬浮实验中的谐振系统采用手动机械调节方式，其可靠性、实时性差，精确度低容易导致悬浮失败。本项目设计了一套可以实时自动监测温度变化、自动调节声波频率的电子系统，在单轴式声悬浮实验中加入了自动调谐系统，采用实时自动采集温度信息、自动控制调节声波频率的方式，确保声场空间始终处于精确的谐振状态，使声悬浮的稳定性得到了有效提高。改变了以往采用的手动机械调节声场空间距离的调谐方式。它的优势是不需要复杂的机械调节装置，实时性强，调节速度快，精度高，实现了谐振系统的自动控制。有效的提高了声悬浮系统的稳定性。
