基于声波共振的质量测量方法与流程

文档序号:25535165发布日期:2021-06-18 20:28
基于声波共振的质量测量方法与流程

本发明涉及质量测量技术领域,具体涉及一种基于声波共振的质量测量方法。



背景技术:

对于物体质量的高精度测量,在日常生活、工业测量、科学研究等领域具有广泛的需求。目前,在对物体进行质量测量时主要使用天平来完成测量,天平可分为机械天平和电子天平。

机械天平有测量精度低的缺点,一般精度为0.1g,要实现高精度的质量测量就需要使用电子天平。而电子天平虽然可以达到较高精度(0.01-0.001g),但电子天平的购置费用偏高,并且对使用环境的温度、湿度有较高要求,一般要求环境温度为23±3℃,环境湿度为45-75%rh,将电子天平的使用环境调节到规定温度、湿度,需要额外投入环境调节费用,再加上电子天平的购置费用,会形成较高的测量成本。



技术实现要素:

针对现有技术存在的不足,本发明提出一种基于声波共振的质量测量方法,以解决现有技术中存在的对物体进行质量测量时,使用机械天平测量精度低,使用电子天平测量成本高的技术问题。

本发明采用的技术方案是,一种基于声波共振的质量测量方法,在第一种可实现方式中,包括以下步骤:

调节光路,使光源发出的光束经反射膜反射后在屏上形成光斑;

控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测量得到振膜共振频率;

将已知质量物体固定于振膜表面;

控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测得已知质量物体和振膜的第一组合体共振频率;

从振膜表面取掉已知质量物体,将待测样品固定于振膜表面;

控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测得待测样品和振膜的第二组合体共振频率;

对比第一组合体共振频率和第一组合体共振频率,得出待测样品的质量。上述技术方案的有益技术效果如下:利用物体的共振频率与其质量具有相关性的原理,由于共振频率的变化对物体质量的改变敏感度高,通过选择合适的薄膜尺寸和厚度,可以得到很高的测量精度,可达到0.001克,超过机械天平,与电子天平相当。

结合第一种可实现方式,在第二种可实现方式中,在测量前,先对测量装置进行布置,具体如下:

将声源放在杯体内;

将反射膜固定在密封膜的表面,在反射膜旁侧、密封膜表面设置粘接区;

使用密封膜密封杯体开口;

通过控制终端连接声源。

结合第一种可实现方式,在第三种可实现方式中,测量装置还包括支架、图像采集设备;

支架位于杯体旁侧,光源、图像采集设备设在支架上;

图像采集设备对光斑进行图像采集,并将采集的图像传输到终端设备。

结合第三种可实现方式,在第四种可实现方式中,其特征在于:图像采集设备为摄像头,终端设备为智能手机。上述技术方案的有益技术效果如下:人可以在智能手机上同时控制蓝牙音箱,和观察光斑的变化情况,更便于操作。

结合第一种可实现方式,在第五种可实现方式中,在屏上设置坐标,结合坐标观察光斑变化,得出光斑变化过程中的最大尺寸。

结合第五种可实现方式,在第六种可实现方式中,使用方格坐标纸在屏上设置坐标。

结合第六种可实现方式,在第七种可实现方式中,控制声源向振膜发出不同频率的声波时,扫频步进为1hz或0.1hz。上述技术方案的有益技术效果如下:人在观察光斑变化时,有了方格坐标纸上的纵坐标、横坐标作为参考,可以避免肉眼观察对尺寸出现的视觉偏差。同时,在控制蓝牙音箱发出的声波频率时,以0.1hz的扫频步进进行,这样可以得到更为精确的共振频率,进而提高质量测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中,类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1的测量装置布置示意图;

图2为本发明实施例1的测量方法流程图;

图3为本发明实施例1的共振频率和光斑尺寸的变化示意图;

图4为本发明实施例2的测量装置布置示意图;

图5为本发明实施例3的在坐标纸下观察光斑尺寸变化的效果图;

附图标记:

1-杯体,2-声源,3-密封膜,4-反射膜,5-粘接区,6-光源,7-屏,8-光斑,9-支架,10-图像采集设备。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供了一种基于声波共振的质量测量方法,包括以下步骤:

调节光路,使光源发出的光束经反射膜反射后在屏上形成光斑;

控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测量得到振膜共振频率;

将已知质量物体固定于振膜表面;

控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测得已知质量物体和振膜的第一组合体共振频率;

从振膜表面取掉已知质量物体,将待测样品固定于振膜表面;

控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测得待测样品和振膜的第二组合体共振频率;

对比第一组合体共振频率和第二组合体共振频率,得出待测样品的质量。

以下对实施例1工作原理进行详细说明:

为实现本实施例的质量测量方法,如图1所示,采用以下测量装置:

(1)杯体

杯体1的形状和材质不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:杯体1可选用日常喝水用的水杯,或者花瓶;形状为圆筒形、梨形,材质为玻璃、陶瓷、金属、塑料。杯体1设有腔体,还设有与腔体相连通的开口。

在本实施例中,优选的,杯体1选用圆筒形的陶瓷水杯。

(2)声源

声源2设于杯体1的腔体内部,用于发出不同频率的声波。声源2的实现方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:声源2可选用整体尺寸小于杯体开口直径的蓝牙音箱或wifi音箱,以使得声源2可以放入杯体中。蓝牙音箱或wifi音箱具有无线通信功能,可使用智能手机的app(比如frequencysoundgenerator)对音箱进行远程操作,控制音箱的开启、关闭,以及发出不同的频率的声波。

在本实施例中,优选的,声源2选用小米迷你蓝牙音箱。

(3)振膜

振膜包括密封膜3、反射膜4。

密封膜3用于密封杯体1的开口,密封开口后密封膜3的膜体形成紧绷状态。密封膜3的厚度和材质不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:密封膜3可选用乳胶薄膜、纤维薄膜、塑料薄膜,厚度为5-100μm。密封杯体开口的方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:密封膜3以粘贴的方式贴在杯体1的口沿处,将杯体开口密封。在本实施例中,优选的,密封膜3选用食品保鲜膜。

反射膜4固定在密封膜3的上表面。反射膜4的材质和尺寸不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:反射膜4可以为反光涂层、反光膜、锡箔纸,长宽为10×10-20×20mm,厚度为10-30μm。反射膜4的固定方式及固定位置不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:反射膜4以粘贴的方式,固定在密封膜3的上表面、杯体开口的中心位置或中心位置旁侧。在本实施例中,优选的,反射膜4选用锡箔纸,固定在水杯开口的中心位置旁侧。

为方便后续在密封膜3上固定物体,包括已知质量的物体和待测样品,在密封膜3上、反射膜4以外的区域设有粘接区5。粘性区5的实现形式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:可以在密封膜3的部分位置涂胶形成粘性区5,或者在密封膜3的部分位置贴上双面胶形成粘性区5;粘性区5可以为一个也可以为多个。在本实施例中,优选的,在密封膜3上表面中间位置处、锡箔纸的旁侧贴上圆形的双面胶,形成粘性区。双面胶可以粘住物体,同时粘性不算太强,也便于将已经粘上的物体从密封膜上取下来。

粘贴了反射膜(锡箔纸)和设置了粘性区(贴双面胶)的密封膜(食品保鲜膜)形成了一个整体,将这个整体作为测量装置所用的振膜。

(4)光源

光源6,用于产生光束并将光束照射到反射膜上。光源6的实现方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:光源6选用激光笔。

在本实施例中,优选的,光源6选用红色激光笔,人手持激光笔将激光照向反射膜。

(5)屏

屏7用于接收和显示经反射膜反射后的光束。屏7的实现方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:屏7可选用投影幕布、不透明平板、墙壁,设在杯体旁侧,与人所处位置相对设置。

在本实施例中,优选的,屏7选用墙壁,不需要额外增加装置,节约成本。激光笔的红色激光照向锡箔纸后,红色激光会反射到墙壁上,形成一个光斑8。

(6)控制终端

控制终端与声源2通信连接,用于控制声源2的发声频率。控制终端的实现方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:控制终端选用智能手机。

控制终端与声源2通信连接方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:控制终端与声源2采用无线通信,比如wifi、蓝牙;也可以在杯体底部挖一小孔,控制终端与声源2采用有线方式进行通信。

在本实施例中,优选的,智能手机和音箱采用蓝牙通信连接。

在对待测样品的质量进行测量前,先对测量装置进行布置,具体如下:

首先,将蓝牙音箱设有扬声器的一面向上,平放在水杯内的底部。

然后,将锡箔纸用双面胶粘贴在食品保鲜膜上表面,在锡箔纸的旁边、食品保鲜膜上表面贴上一块圆形的双面胶。

再将食品保鲜膜粘贴在水杯的口沿处,将水杯的开口密封,并使食品保鲜膜形成紧绷状态。在粘贴过程中调整锡箔纸的位置,使锡箔纸位于水杯开口的中心位置旁侧,使圆形双面胶位于水杯开口的中心位置。将装有蓝牙音箱、贴好振膜的水杯放在一平台上,比如一张桌子上。

最后,准备好激光笔,调出智能手机的app软件frequencysoundgenerator连接上蓝牙音箱。

如图2所示,对待测样品的质量测量按以下步骤进行:

1、调节光路,使光源发出的光束经反射膜反射后在屏上形成光斑

人手持激光笔站在桌子旁边,面向墙壁;打开激光笔对准水杯口处的振膜,让红色激光照射到锡箔纸上。调整红色激光的入射角度,使红色激光经锡箔纸反射后在墙壁上形成一个光斑。调整光路使光斑相对固定在某一位置处,达到易于观察的效果。

2、控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测量得到振膜共振频率

人的另一只手操作智能手机,通过app软件,控制蓝牙音箱以扫频的方式发出声波,声波的响度设置为蓝牙音箱的默认音量大小50,扫频步进设为1hz。在改变声波频率的同时,人使用肉眼观察光斑。当向振膜发出某一频率的声波时,通过光路的杠杆放大效应,将振膜较小的幅度变化放大在墙壁上显示,振膜振动状态变化使得反射光斑尺寸发生变化,可观察到光斑形状明显拉伸、尺寸明显变大(从毫米级变为厘米级),这一频率可以直接从app软件中读取。继续改变声波的频率,可观察到光斑尺寸逐步变回原先的毫米级尺寸。光斑从形状明显拉伸、尺寸明显变大到逐步还原的这个过程,所对应的声波频率变化范围约为几十hz。在此几十hz的频率范围内,有一能够使光斑尺寸达到最大的声波频率,此频率即为振膜共振频率。如图3所示,当声波频率达到450hz附近时,光斑尺寸开始变大;当声波频率达到470hz时,光斑尺寸为最大,此时的声波频率即为振膜共振频率。为便于可视化的对比效果,图3以双坐标图展示,左侧纵坐标为振膜对应的光斑尺寸。

3、将已知质量物体固定于振膜表面

为便于描述,对于已知质量物体,选用1颗大米来进行说明。将1颗大米放在振膜中心位置处的粘性区内,大米被双面胶粘住后和振膜形成一个组合体,将已知质量物体和振膜的组合体定义为第一组合体。

4、控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测得已知质量物体和振膜的第一组合体共振频率

控制蓝牙音箱以扫频的方式发出声波,扫频步进设为1hz。在改变声波频率的同时,人使用肉眼观察光斑,找出使光斑变化且尺寸达到最大时的声波频率,此频率即为大米和振膜的组合体的共振频率,定义为第一组合体共振频率。如图3所示,当声波频率达到250hz附近时,光斑尺寸开始变大;当声波频率达到310hz时,光斑尺寸为最大,此时的声波频率即为振膜和1颗大米的第一组合体共振频率。为便于可视化的对比效果,图3以双坐标图展示,右侧纵坐标为振膜和1颗大米对应的光斑尺寸。

5、从振膜表面取掉已知质量物体,将待测样品固定于振膜表面

从振膜表面的粘接区取掉粘接好的1颗大米,可以用镊子夹取,然后将待测样品粘到振膜表面的粘接区,待测样品被双面胶粘住后和振膜形成一个组合体,将待测样品和振膜的组合体定义为第二组合体。

6、控制声源向振膜发出不同频率的声波,通过观察光斑变化测得待测样品和振膜的第二组合体共振频率

控制蓝牙音箱以扫频的方式发出声波,扫频步进设为1hz。在改变声波频率的同时,人使用肉眼观察光斑,找出使光斑变化且尺寸达到最大时的声波频率,此频率即为待测样品和振膜的组合体的共振频率,定义为第二组合体共振频率。

7、对比第一组合体共振频率和第二组合体共振频率,得出待测样品的质量

已知质量物体相当于天平的砝码,当第一组合体共振频率和第二组合体共振频率相同时,说明待测样品和已知质量物体的质量一样。在具体的实施方式中,已知质量物体可以选用多种、多个,举例说明,比如:1粒白砂糖、2颗大米、1颗绿豆、1颗黄豆,等等;将这些白砂糖、大米、绿豆、黄豆分别以单个、或者以组合的形式粘贴在振膜上,可以和振膜形成多个不同的第一组合体,分别测得多个第一组合体共振频率。然后将第二组合体共振频率和多个第一组合体共振频率进行对比,从而得出待测样品的质量。

本实施例提供的技术方案,利用物体的共振频率与其质量具有相关性的原理,由于共振频率的变化对物体质量的改变敏感度高,通过选择合适的薄膜尺寸和厚度,可以得到很高的测量精度,比如:1颗大米的质量约为0.02克,1粒白砂糖(微小颗粒的白糖)的质量约为0.001克,则本实施例提供的技术方案测量精度可达到0.001克,超过机械天平,与电子天平相当。

相对于购置电子天平,本实施例提供的技术方案测量所用的装置,均可选用日常生活中的常见物品,也不存在使用过程中的环境调节费用,测量成本低。

同时,本实施例提供的技术方案布设简易,加之共振频率是物体的固有属性,所以测量方法的重复性和稳定性高。测量装置使用寿命长,不存在机械天平的生锈和电子天平的电子元器件老化问题。

实施例2

实施例1的技术方案,在测量过程中,人要一直握住激光笔并基本保持不动,在操作app软件的同时,眼睛还要一定盯住墙壁上的光斑,时间一长会产生疲惫感,不便于测量的操作。

为解决上述技术问题,采用以下技术方案:

测量装置还包括支架9、图像采集设备10;

支架9位于杯体旁侧,光源6、图像采集设备10设在支架9上;

图像采集设备10对光斑8进行图像采集,并将采集的图像传输到终端设备。

以下对实施例2工作原理进行详细说明:

如图4所示,在放置水杯1的桌子旁侧放置一个支架9,支架9的实现方式不作限定,以现有技术任意一种可实现的方式得到。支架9上设有放置物品的平板,平板距离地面的高度高于水杯杯口距离地面的高度,平板可以是一层也可以是多层。

图像采集设备10的实现方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:图像采集设备10选用高精度ccd摄像头,摄像头自带4g或wifi功能。在本实施例中,图像采集设备10选用4k华为海思芯片迷你无线高精度ccd摄像头。

终端设备的实现方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:选用智能手机,智能手机的app软件可以连接摄像头,将摄像头拍摄的图像在手机上显示。

将激光笔、摄像头放在支架的平板上,将摄像头与智能手机相连接,使用app软件调出摄像头拍摄的图像。调整好激光笔发射光束的方向、摄像头的拍摄角度,使智能手机上能清晰显示出墙壁上的光斑。然后将激光笔、摄像头的位置固定,比如使用书本垫在激光笔、摄像头下面。

当使用实施例1中的测量方法时,采用本实施例的技术方案,人可以在智能手机上同时控制蓝牙音箱,以及观察光斑的变化情况,更便于操作。

实施例3

对于实施例1、实施2的技术方案,人在观察光斑变化时,需要找出光斑变化过程中的最大尺寸。但由于光斑在变化过程中,达到最大尺寸以及从最大尺寸开始变小时,肉眼的观察可能会出现误差,使得出的共振频率偏离真实的共振频率,比如偏离1-2hz,从而会影响质量测量的精度。

为解决上述技术问题,采用以下技术方案:

在屏上设置坐标,结合坐标观察光斑变化,得出光斑变化过程中的最大尺寸。

以下对实施例3工作原理进行详细说明:

在屏上设置坐标的实现方式不作限定,举例说明,在具体的实施方式中:可以在墙壁上贴一张a4的方格坐标纸,如图5所示。人在观察光斑变化时,有了方格坐标纸上的纵坐标、横坐标作为参考,可以避免肉眼观察对尺寸出现的视觉偏差,图5(a)为在声源发出的声音频率不为共振频率时,光斑尺寸的观察效果图。图5(b)在声源发出的声音频率为共振频率时,光斑尺寸变大后的观察效果图。同时,在控制蓝牙音箱发出的声波频率时,以0.1-hz的扫频步进进行,这样可以得到更为精确的共振频率,进而提高质量测量的精度。

最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

再多了解一些
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