基于声弛豫方法的混合气体浓度检测

发布时间：2020-05-26 19:55

【摘要】：随着工业化程度的不断提高,人们对于气体浓度检测有着越来越大的需求,大量学者开始研究气体浓度检测的问题。因为通过弛豫声学方法检测混合气体浓度成本低廉,使用期限长,能量损耗小,响应较快,宽范围的测量浓度,能够实时监测等优点,所以与其他浓度检测相比,它展现出了较为突出的优势,被人们所推崇。本论文对声学法测量气体浓度的发展过程做了详细的介绍,并且研究了声速和经典衰减理论,并介绍了它们和弛豫衰减理论的关系。本文主要研究了基于弛豫衰减理论超声波气体浓度的测量方法。主要的研究工作有以下几点:(1)基于超声波传播的基本规律,阐明了超声波测混合气体浓度的原理;在声波传播过程中的衰减的基础上,包括经典衰减和弛豫衰减,提出了一种三维空间中多元混合气体浓度分布的重建方法,建立了气体浓度分别与声波传播时间及声强衰减之间的耦合模型。(2)研究分析超声波飞行时间两种测量的方法,分别阐述基于相位差的声波走时测量原理和基于相位拟合的声波走时测量原理,并比较优缺点。(3)在构建出气体浓度分别与声波传播时间及声强衰减之间的耦合模型的基础上,提出了一种基于分裂Bregman迭代算法求解该问题。实际测量了声波在典型混合气体中的传播衰减时间和声强衰减,并且完成了对三维混合气体浓度场的重建仿真工作。(4)设计搭建了混合气体浓度的测量系统。以FPGA为中央处理单元,以及超声波换能器、发射电路、接收电路、放大滤波电路,数/模转换电路多路选择电路等硬件设备,以及通过VHDL程序的编写,实现了超声波飞行时间和声强衰减参数的测量。实现了核心板与上位机的通信,并分析了测量误差的原因。
【图文】：

传感器布置,传感器,声学传感器,有效角

器位置信息来确定矩阵ｗ中每个元素的值。逡逑图３－１传感器布置逡逑如图３－１所示，我们的实验传感器布置是把ｎ个传感器中心对称的布置在圆逡逑形区域周围。理论上，如果一个传感器作为发射信号换能器，会有ｎ－］个传感器逡逑就收到信号，然而实际测量中，每种声学传感器发射角度ｅ是一定范围内的，也逡逑就是说仅在有效角度之内才能收到声波信号，只能被ｄ个传感器接收。声波的传逡逑播路径数则可以减少为ｎｄ／２。逡逑ｉ邋＂邋＇邋！邋．邋！邋邋ｉ邋……邋邋邋邋－邋邋邋１邋邋—－－Ｔ－．．．．．．逡逑！逦：逦ｉ邋１，一邋ｉ逦；逦：逦Ｉ逡逑■邋．－－Ｔ逦；逦１逡逑Ｈ＇邋一￣逦逡逑４－——ｊ邋－ｉ－Ｕ—逡逑ｐｉ丨－．．．．．．｜邋逦）—４［——－］—Ｌ邋ｊ逡逑Ｗｉｊ逡逑＾邋■邋－邋ｒ－Ｍ－邋：：ｊ－邋＾邋Ｔ邋＾逡逑ｆ邋ｖ邋Ｆ邋－１邋｜￣邋－ｆ邋ｆ邋■逦：逦Ｗ逡逑＼邋ｉ逦！：邋Ｉ逦；逦／逡逑ｔ一…＂ｒ逦ｙ逡逑ｒ＊邋邋－？邋＾邋邋ｊ邋邋邋＊——－＊－４－—－？邋■邋■邋邋邋—＿＿＿＿ｉ．邋＾邋．．．邋邋邋＾邋邋邋邋；逡逑？＇ｉｆｆ邋ｉ邋：）逦Ｉ逡逑ｌ．．．丨、卜４、：邋ｒ：．」，Ｋ邋ｉ邋Ｉ逡逑图３－２网格划分逡逑、在重建过程期间，测量区域需要离散成多个小区域，每个小区域就是重建图逡逑像中的像素。如图３－２所示，，被测区域被离散成ｍｘｍ个网格，其中声波的路径逡逑１２逡逑

重建过程,测量区,网格划分,传感器

建立系数矩阵是声学重建浓度的第一步，也是最重要的一步，我们需要传感逡逑器位置信息来确定矩阵ｗ中每个元素的值。逡逑图３－１传感器布置逡逑如图３－１所示，我们的实验传感器布置是把ｎ个传感器中心对称的布置在圆逡逑形区域周围。理论上，如果一个传感器作为发射信号换能器，会有ｎ－］个传感器逡逑就收到信号，然而实际测量中，每种声学传感器发射角度ｅ是一定范围内的，也逡逑就是说仅在有效角度之内才能收到声波信号，只能被ｄ个传感器接收。声波的传逡逑播路径数则可以减少为ｎｄ／２。逡逑ｉ邋＂邋＇邋！邋．邋！邋邋ｉ邋……邋邋邋邋－邋邋邋１邋邋—－－Ｔ－．．．．．．逡逑！逦：逦ｉ邋１，一邋ｉ逦；逦：逦Ｉ逡逑■邋．－－Ｔ逦；逦１逡逑Ｈ＇邋一￣逦逡逑４－——ｊ邋－ｉ－Ｕ—逡逑ｐｉ丨－．．．．．．｜邋逦）—４［——－］—Ｌ邋ｊ逡逑Ｗｉｊ逡逑＾邋■邋－邋ｒ－Ｍ－邋：：ｊ－邋＾邋Ｔ邋＾逡逑ｆ邋ｖ邋Ｆ邋－１邋｜￣邋－ｆ邋ｆ邋■逦：逦Ｗ逡逑＼邋ｉ逦！：邋Ｉ逦；逦／逡逑ｔ一…＂ｒ逦ｙ逡逑ｒ＊邋邋－？邋＾邋邋ｊ邋邋邋＊——－＊－４－—－？邋■邋■邋邋邋—＿＿＿＿ｉ．邋＾邋．．．邋邋邋＾邋邋邋邋；逡逑？＇ｉｆｆ邋ｉ邋：）逦Ｉ逡逑ｌ．．．丨、卜４、：邋ｒ：．」，Ｋ邋ｉ邋Ｉ逡逑图３－２网格划分逡逑、在重建过程期间，测量区域需要离散成多个小区域，每个小区域就是重建图逡逑像中的像素。如图３－２所示
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ116;O429

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