基本信息
- 项目名称：
- 新型精密超声波温度计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 作品利用超声波在介质中传播速度随温度变化而变化的特点，设计了一种同时兼有低成本与高精度的新型精密超声波温度计。采用特殊的软件细分算法对采集数据进行处理，结合基于FPGA的高速数据采集控制系统，使对超声波的测量达到了ns级。从而使超声波温度计的温度测量分辨率优于0.001℃。同时，因超声波是一种高频的机械波，具有快速、准确、抗干扰能力强的特点，其测量最低温度可以达到-200℃，最高温度可达2000℃
- 详细介绍：
- 超声波温度计作为当今新型温度传感器的一种，已经成为一种新的有前景的测温方法。随着超声传感器的发展，人们开始探索把这种新型的超声波测温技术应用于工业中，并在理论研究和实际应用中取得了一系列成果，并已经应用于工业及医疗领域中。 本作品根据超声波在介质中传播速度随温度变化而变化的特点，利用了超声波自身具有的快速、抗干扰的特点，并针对接触式温度传感器在一个较宽的测量范围内不能保证一个稳定的高精度的难点问题，提出了一种新型精密超声波温度计。本作品主要有两个创新点，第一，是利用了超声波的频率高、抗干扰能力强、对温度变化敏感的的特点，使温度测量能够快速而稳定，其最低测量温度可达到-200℃，最高温度可以达到2000℃。第二，是采用FPGA芯片来对信号进行高速准确的数据采集与控制，并使用细分算法来对信号进行处理，使作品能够精确地对信号进行激励与采集，并实现纳秒级的超声波传播时间的测量。作品通过测量超声波在特定距离上的传播时间，间接测得其环境温度。因为环境温度的变化会较敏感地影响到超声波传播速度的变化，利用纳秒级的超声波传播时间的测量硬件便可以测得温度分辨率优于0.001℃的温度测量。
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
- 当前主要的温度传感器，如热电偶等技术已经成熟，但只能用在传统的场合，在许多高科技领域的应用受到限制。目前各国都在针对性地竞争开发各种新型温度传感器及特殊适用的测量技术，而超声波温度传感器为其重要的一种。 作品的目的是设计一种能够在传统场合和一些特定环境下能够正常、稳定工作的高精度、高稳定性工业用超声波温度计。设计的基本思路是：通过测量超声波在特定距离上的传播时间，间接测得其环境温度。因为环境温度的变化会影响超声波传播速度的变化，通过研究得到超声波的传播时间与被测温度之间的关系，测得超声波传播时间，即可测测量对应环境温度。 本作品主要有两个创新点，第一，是利用了超声波的频率高、抗干扰能力强、对温度变化敏感的的特点，使温度测量达到快速、稳定的宽量程测量，其最低测量温度可以高达到-200℃，最高温度可以达到2000℃。第二，是采用FPGA芯片来对信号进行控制并结合了细分插值算法来对信号进行处理，能够精确地对信号进行激励与采集，与此同时通过细分插值算法可以使测量的超声波传播时间达到纳秒级。 作品的技术关键主要是：高频超声波信号激励、高速数据采集控制系统和纳秒级的超声波传播时间的测量方法。 技术指标之一为重复性，在特定温度的试验中，反复测量超声波传播时间，其时间测量值波动不超过1纳秒，从而保证了测量的稳定性。 技术指标之二为分辨率，它是温度计能够测量的最小温度变化量，理论分辨率能够达到0.001℃，从而使高精度的温度测量成为可能。
科学性、先进性
- 温度计按与介质的接触方式可分为非接触式温度计和接触式温度计。非接触式温度计是通过接收被测物体发出来的辐射来得知物体温度，其优点是：测温时不与被测物体进行导热交换，不对温度场产生影响，速度快，可动态测量，测温上限不受元件限制；缺点是误差较大。接触式温度计是通过元件与被测物体接触而感知温度，其优点是：种类多，技术成熟，选择余地大，测量简单，精度高；缺点是测温范围小，对测温度场有影响。 作品使用超声波的传播速度来测量温度，是通过速度来感知温度辐射，其测温上限不受感温元件影响，具有非接触式温度计的特点。同时超声波在介质中传播，本身也是一种接触形式，因而也具有接触式温度传感器的特点。由于超声波的传播速度对温度变化比较敏感，在测量超声波传播时间达到ns级时，便可以使测量温度的分辨率高达0.001℃，只要建立的系统足够完善、足够稳定，就能够同时使超声波温度计具有接触式温度计与非接触式温度计的双重优点，足显其科学先进性。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 模型，PPT讲解
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
- 超声波测温技术利用其传播速度对温度进行测量，其抗干扰能力强且快速而稳定，可用在计量领域的温度标定工作，由于具有接触式与非接触式温度计的双重特点，使其能够在传统场合和一些特定环境下正常、稳定工作。它所测量的温度作为一个基本的物理量，与人们的生产、生活密切相关，已涉及国民经济的各个领域。 传感器技术水平的高低，已经成为衡量一个国家工业发达与否的重要标志。据相关资料介绍，世界非军用传感器市场，1998年的销售额为325亿美元，2003年已达到422亿美元，到2009年时全球传感器市场容量约为530亿美元，统计2010年世界传感器市场规模约达660亿美元以上，而未来5年将是中国传感器市场稳步快速发展的5年，在持续30%以上的年度增长动力之下，2014年中国传感器市场规模有望达到1200亿元以上。因温度测量占总的传感器需求量的50%，同时新型精密超声波温度计又有比传统温度计有更多的优点，因此可以预见作品将会有一个非常乐观的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 温度是一个基本的物理量，自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。温度的测量是在最为常见的一种测量，无论在任何应用领域，掌握温度的确切数值，了解温度与实际状态之间的差异等，都具有极为重要的意义。就以测量为例，在力的测量、压力、流量、位置及电平高低等测量的过程中，为了提高测量精度，通常都会要求对温度进行监视，如压力或力的测量，往往是使用惠斯登电阻电桥，但组成电桥的电阻随温度变化引起的误差，往往会大大超过待测力引起的电阻值变化，如不对温度进行监控并据此校正测量结果，则测量完全不可能进行或者毫无效果。对于其他参数测量也有同样类似的问题，可以说，各种的物理量都是温度的函数，要得到精确的测定结果，必须针对温度的变化，作出精确的校正。 当前工业上常用的温度传感器有三类：即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻；每一类温度传感器有自己独特的温度测量范围，有自己适用的温度环境；没有一种温度传感器可以通用于所有的用途：热电偶的可测温度范围最宽，而热电阻的测量线性度最优，热敏电阻的性价比最高。 虽然这些传感器技术已经成熟，但是只能在传统的场合应用，不能应用于许多高科技领域。因此，各国专家都在针对性的竞争开发各种新型温度传感器及特殊的实用测量技术。这些新型温度传感器有：光纤温度传感器、特种测温热敏电缆、石英温度计、超声波温度计、核四级共振温度计(NQR温度计)、热噪声温度计、半导体集成电路温度计等。 超声波温度计作为新型温度传感器的一种，早在120年以前，当时著名的声学专家Mayer就测量出了1000K以上高温气体中的声速，并发现了声速与介质温度的平方根成正比。但超声波测温技术的研究和应用在近40年来才逐步展开的。超声测温经过这四、五十年的发展过程，已经成为一种新的有前景的测温方法。随着超声传感器的发展，人们开始探索把这种新型的超声波测温技术应用于工业中，并在理论研究和实际应用中取得了一系列成果。但是超声波测温技术的研究在我国尚属开始阶段，相关技术的研究在国内较少，国内整体的超声测温水平不高，并且还明显存在着自动化程度低、在线检测困难以及测量精度差等缺点，在工业与科学应用中几乎是空白，所以开展高精密超声波测温技术的研发显得很有必要。
