本發(fā)明屬于氣體測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)的氣體檢測技術(shù)中，一種傳感器只能檢測一種氣體，對于混合氣體的檢測需要多種傳感器協(xié)同配合，增加了調(diào)試和安裝的難度，而且提高了測試成本；在大氣、航天、環(huán)境氣體等探測中，尤其是天然氣等混合氣體的精度測試、管道內(nèi)、大規(guī)模、實時探測的探測需求下，傳統(tǒng)的氣體探測技術(shù)無法滿足其探測實時性、探測精度以及低成本探測的需求；而且傳統(tǒng)的各種氣體傳感器的使用壽命有限，一般是2-5年，造成探測的成本高昂。

近年來，超聲氣體探測領(lǐng)域的研究和突破成為超聲學(xué)、量子物理和信號處理等交叉學(xué)科的熱門之一?；诔暡〒Q能器的氣體探測技術(shù)，以器件結(jié)構(gòu)簡易、耐用性好、成本低、魯棒性好等特點，在氣體泄漏、氣體成分監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其探測精度可達(dá)30ppm，響應(yīng)速度可快至ms級。然而，現(xiàn)有技術(shù)也暫時沒有提供一種基于超聲波換能器的通用的氣體測量的解決方案。論文《一種基于聲吸收譜的超聲氣體傳感器實驗裝置》(宋運隆,丁圓,程菊明.企業(yè)技術(shù)開發(fā):上旬刊，2016，35(8):48-51.)中，公開了進(jìn)行空氣的聲速測試的技術(shù)方案，但是只簡單測試了空氣的聲速，并沒有對其他氣體進(jìn)行測量，也沒有公開聲衰減系數(shù)的測量方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及系統(tǒng)，其目的在于由此解決目前氣體測量中針對每種氣體必須用專門的傳感器測量、成本高、耐用性差的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于超聲波換能器的通用氣體測量方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)超聲波信號在待測氣體氣氛環(huán)境下的傳播距離與傳播時間，獲取超聲波信號在待測氣體中的傳播速度；

(2)根據(jù)在待測氣體氣氛環(huán)境下發(fā)送的超聲波信號與接收到的超聲波信號的電壓比值與傳播距離之比，獲取待測氣體的聲衰減系數(shù)α；

(3)根據(jù)聲波波長、超聲波換能器的半徑、發(fā)射的超聲波信號經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換后的電壓信號波形峰峰值ve、以及接收到的超聲波信號經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換后的電壓信號波形峰峰值vr，對步驟(2)獲得的聲衰減系數(shù)α進(jìn)行校正；

其中，聲波波長由傳播速度除以頻率得到；

(4)改變待測氣體氣氛環(huán)境的壓強，以及超聲波信號發(fā)射端與接收端的距離，重復(fù)步驟(1)～(3)，獲取多個不同頻率、多個不同壓強、多個不同收發(fā)距離下的聲衰減系數(shù)并校正；

繪制校正后的聲衰減系數(shù)關(guān)于超聲波頻率的譜線圖，通過將所繪制的譜線圖與預(yù)設(shè)樣本庫中的譜線比較，確定待測氣體的種類和濃度；其中，收發(fā)距離是指超聲波信號發(fā)射端與接收端之間的距離。

優(yōu)選地，上述的通用氣體測量方法中，在獲取傳播速度的步驟中，利用步進(jìn)電機來控制超聲波換能器發(fā)送端與接收端超聲波換能器之間的距離，利用步進(jìn)電機的相數(shù)、拍數(shù)、步距角、細(xì)分獲取超聲波的準(zhǔn)確傳播距離x；

利用在接收端檢測到的電壓信號波形，獲取超聲波在其發(fā)送端與接收端之間傳播的傳播時間t；根據(jù)傳播距離與傳播時間獲取傳播速度

優(yōu)選地，上述的通用氣體測量方法，待測氣體的聲衰減系數(shù)其中，ve是發(fā)送的超聲波信號經(jīng)超聲波換能器轉(zhuǎn)換后的電壓信號波形的峰峰值，vr是接收端的超聲波信號經(jīng)超聲波換能器轉(zhuǎn)換后的電壓信號波形的峰峰值。

優(yōu)選地，上述的通用氣體測量方法，由于發(fā)射的超聲波信號經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換后的電壓信號波形峰峰值ve是固定不變常數(shù)，上述衰減系數(shù)簡化為

優(yōu)選地，上述的通用氣體測量方法，

校正后的聲衰減系數(shù)

其中，λ為測量氣體不同頻率下聲波的波長，r為超聲波換能器的半徑，x為超聲波發(fā)射端與接收端之間的距離；

由于超聲波換能器尺寸的衍射和聲波的擴散作用，當(dāng)超聲波換能器接收端與發(fā)送端之間的距離隨著超聲波傳播距離增大到的距離后，會發(fā)生衍射，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確；通過本步驟的校正處理，消除了超聲波換能器尺寸的衍射和聲波擴散對聲衰減系數(shù)的影響。

優(yōu)選地，上述的通用氣體測量方法，采集多組發(fā)送的超聲波信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓信號波形的峰峰值、接收到的超聲波信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后的多組電壓信號波形的峰峰值，根據(jù)上述多組峰峰值，來獲取多組(v，x)數(shù)據(jù)；根據(jù)多組(v，x)數(shù)據(jù)來計算聲衰減系數(shù)，以減小電壓信號波形峰峰值測量值、傳播距離x的測量誤差對聲衰減系數(shù)的影響。

優(yōu)選地，上述的通用氣體測量方法，根據(jù)聲衰減系數(shù)中氣體的測量頻率與氣體壓強成反比的關(guān)系，通過改變待測氣體的壓強來反向獲得超聲波頻率的改變，以擴大超聲波頻率范圍，克服現(xiàn)有的超聲波換能器的頻率覆蓋范圍較小的局限，以盡可能準(zhǔn)確的繪制聲衰減系數(shù)關(guān)于超聲波頻率的譜線圖。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置，包括信號發(fā)生驅(qū)動電路、發(fā)射端超聲波換能器(發(fā)射器)、接收端超聲波換能器(接收器)、信號放大電路和導(dǎo)軌；

其中，信號產(chǎn)生驅(qū)動電路用于產(chǎn)生發(fā)射端超聲波換能器所需的各種頻率的正弦波；

發(fā)射端超聲波換能器用于發(fā)射上述各種頻率的正弦波；在發(fā)射端超聲波換能器中，可以設(shè)置多個不同頻率的超聲波發(fā)射換能器，以發(fā)送多個不同頻率的波形；

接收端超聲波換能器用于接收發(fā)射端超聲波換能器所發(fā)射的波形；

信號放大電路用于將接收端超聲波換能器接收到的信號放大，方便示波器進(jìn)行檢測；

導(dǎo)軌具有連接外部步進(jìn)電機的接口；工作時，通過步進(jìn)電機控制導(dǎo)軌的中心螺紋軸的轉(zhuǎn)動，從而控制接收端超聲波換能器與發(fā)射端超聲波換能器之間的距離；通過導(dǎo)軌實現(xiàn)發(fā)射端超聲波換能器與接收端超聲波換能器準(zhǔn)確定位，通過導(dǎo)軌上的機械裝置使得發(fā)送端的超聲波平面與接收端的超聲波平面平行且正對應(yīng)，以使得接收端所接收的信號最大，提高接收端信號測量的準(zhǔn)確性。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及裝置，其測量原理不同于現(xiàn)有的氣體傳感器，可作為一種通用裝置，對具有譜線樣本庫的多種氣體進(jìn)行測試，而無需頻繁更換、調(diào)試傳感器；

(2)本發(fā)明提供的基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及裝置，由于不同濃度不同種類的氣體的聲衰減系數(shù)隨頻率變化的曲線圖不同，因此能夠測量混合氣體里各氣體的種類和濃度，可應(yīng)用于大氣、航天、環(huán)境等氣體探測；

(3)本發(fā)明提供的基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及裝置，由于通用性好，能夠測量多種氣體，改變了測量不同氣體需要專門傳感器的現(xiàn)狀，無需校正傳感器，因此降低了測量成本，且耐用性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置的示意圖；

圖2是基于本發(fā)明實施例提供的基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置進(jìn)行測試的系統(tǒng)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中采用示波器測量的100k頻率下99.999％純度二氧化碳?xì)怏w在溫度為25℃下的超聲波發(fā)射信號與接收信號的示波器截圖，發(fā)射端與接收端的距離為2厘米；

圖4是本發(fā)明實施例中采用示波器測量的100k頻率下99.999％純度二氧化碳?xì)怏w在溫度為25℃下的超聲波發(fā)射信號與接收信號的示波器截圖，發(fā)射端與接收端的距離為7.5厘米；

圖5是本發(fā)明實施例中100k頻率下99.999％純度二氧化碳?xì)怏w在溫度為25℃下的超聲波接收端信號隨發(fā)射端與接收端之間的距離增大變化圖；

圖6是本發(fā)明實施例中不同比例混合氣體的聲衰減系數(shù)隨頻率變化的示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明所提供的測量方法及系統(tǒng)，其建立一套在密閉腔體的不同頻率的超聲收發(fā)實驗裝置，給密閉腔體通入待測量的氣體，超聲波換能器發(fā)射端能夠發(fā)射不同頻率的波形，并在步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動下精確移動，改變發(fā)射端和接收端之間的距離，通過抽氣泵改變壓強，測量得到不同頻率、不同壓強、不同距離下的聲速和聲衰減系數(shù)的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)校正和信號處理，實現(xiàn)對氣體濃度和成分的檢測。

實施例提供的基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置如圖1所示，包括信號發(fā)生驅(qū)動電路、發(fā)射端超聲波換能器(發(fā)射器)、接收端超聲波換能器(接收器)、信號放大電路和導(dǎo)軌；

其中，信號發(fā)生驅(qū)動電路用于產(chǎn)生發(fā)射端超聲波換能器所需的各種頻率的正弦波；發(fā)射端超聲波換能器用于發(fā)射這些不同頻率的波形；發(fā)射端超聲波換能器可以設(shè)置多個不同頻率的超聲波發(fā)射換能器，以發(fā)送多個不同頻率的波形；

超聲波接收端信號放大電路將超聲波接收換能器接收到的微弱信號放大，方便示波器的檢測；導(dǎo)軌與外部步進(jìn)電機相連，通過步進(jìn)電機控制導(dǎo)軌的中心螺紋軸的轉(zhuǎn)動，以控制接收端超聲波換能器與發(fā)射端超聲波換能器之間的距離；接收端超聲波換能器用于接收發(fā)射端超聲波換能器所發(fā)射的波形；發(fā)射端超聲波換能器與接收端超聲波換能器在步進(jìn)電機的控制下準(zhǔn)確定位，通過導(dǎo)軌的機械裝置使得發(fā)送端的超聲波平面與接收端的超聲波平面平行且正對應(yīng)，以提高發(fā)射波形信號與接收波形信號測量的準(zhǔn)確性。

本實施例中，超聲波換能器優(yōu)選為5組，5組超聲波換能器的聲頻率分別為75khz、100khz、200khz、300khz、400khz，利用氣壓可變聲學(xué)氣體腔，基本覆蓋了氣體超聲學(xué)研究的范圍。

如圖2所示，是基于實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置進(jìn)行測試的系統(tǒng)示意圖，結(jié)合外部示波器、上位機、控制器、驅(qū)動板、電源、溫濕度監(jiān)測儀器、壓力指示表以及抽氣泵進(jìn)行氣體測試的系統(tǒng)；

測試時，將基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置設(shè)于密閉腔體內(nèi)，腔體采用不銹鋼材料，耐壓范圍為0.01～32個大氣壓；腔體的一邊安裝有負(fù)壓指示計和正壓指示表：負(fù)壓指示計用于測量腔體里的負(fù)壓，正壓指示表測量腔體里的正壓。腔體上還安裝有溫/濕度監(jiān)測儀，用于監(jiān)測腔體里的溫度和濕度。腔體另一邊設(shè)有進(jìn)氣口與出氣口，進(jìn)氣口連接微調(diào)充氣閥、減壓閥、氣瓶等充氣設(shè)備；出氣口連接抽氣泵的抽氣孔，抽氣泵用于抽空腔體內(nèi)的氣體，改變腔體里的氣體壓強，抽氣泵的出氣口配有排氣管道，方便氣體向外排放；采用示波器來測量發(fā)射端和接收端的波形信號；電源用于給基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置供電；上位機、控制板和驅(qū)動器協(xié)同用于控制步進(jìn)電機按照指令移動。

為了克服超聲波的回波對發(fā)射端超聲波換能器的影響，實施例中發(fā)射端超聲波換能器發(fā)送的正弦波信號的周期個數(shù)在5～10之間；否則接收端超聲波換能器反射的聲波在發(fā)射端超聲波換能器還未結(jié)束發(fā)送前就已到達(dá)發(fā)射端超聲波換能器，反射波將和發(fā)射端發(fā)射的正常信號混疊在一起發(fā)射，使接收端接收到的信號變大，影響測量的準(zhǔn)確性。

圖3所示，是采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置及方法，在100k頻率下，99.999％純度的二氧化碳?xì)怏w溫度為25℃的超聲波發(fā)射信號與接收信號的示波器截圖，發(fā)射端與接收端之間的距離為2厘米；

圖3中上面的是發(fā)射的正弦波波形，下面的是接收端接收到的波形；發(fā)射端發(fā)射了6個完整正弦波波形，波形電壓為2.136v，接收端接收到的波形電壓為3.038v；從圖3可以看到，發(fā)射端波形與接收端波形截然不同，接收端的波形有更多的包絡(luò)，包含更多的信息。

圖4所示，是采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置及方法，在100k頻率下，99.999％純度的二氧化碳?xì)怏w溫度在25℃下的超聲波發(fā)射信號與接收信號的示波器截圖，發(fā)射端與接收端之間的距離為7.5厘米。圖4上面的是發(fā)射端發(fā)射的正弦波波形，下面的是接收端接收到的波形。發(fā)射端的波形電壓仍然為2.136v，接收端接收到的波形電壓在距離為7.5厘米時卻變成了1.713v。從圖3、圖4中可以看到，隨著發(fā)射端與接收端之間距離的增大，接收端的波形信號在減小。本發(fā)明提供的基于超聲波換能器的通用氣體測量方法及裝置正是利用了接收端的波形隨發(fā)射端和接收端之間距離變化而衰減的性質(zhì)，測量接收端的波形，從而計算得到聲衰減系數(shù)。

圖5所示，是采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置及方法，在100k頻率下，99.999％純度的二氧化碳?xì)怏w溫度在25℃的超聲波接收端信號隨不同距離變化圖；其中，y軸為不同距離下超聲波換能器接收端正弦波的信號取對數(shù)，x軸為超聲波換能器發(fā)送端與接收端之間的距離，從圖中可以看到，發(fā)射端與接收端的距離從1厘米增加到8厘米，每次距離增加0.5厘米，共15個測量點形成一條直線。y＝-0.1074x+1.312為測量點所形成的直線的方程，其中-0.1074是直線的斜率，也就是所測量的100khz的頻率的聲衰減系數(shù)。

圖6所示，是采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置及方法，所測量的50％二氧化碳和50％氮氣混合氣體在溫度為25℃的條件下的聲衰減系數(shù)隨頻率變化圖；圖中，實線的曲線為理論值曲線，“*”狀符號從左到右依次代表在75k頻率下、待測氣體壓強為1個大氣壓、0.7個大氣壓、0.4個大氣壓條件下的測量值；“○”狀符號從左到右依次為在100k頻率下、待測氣體壓強為1個大氣壓、0.7個大氣壓、0.4個大氣壓條件下的測量值；從該可以看出，采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置及方法所測量得到的數(shù)據(jù)與理論曲線吻合較好，精度高。

以下表1是采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置在溫度為25℃、壓強為1個大氣壓條件下，測量99.999％純度的二氧化碳?xì)怏w的部分測量結(jié)果,其中α為二氧化碳?xì)怏w聲衰減系數(shù)，αλ為二氧化碳?xì)怏w一個波長的聲衰減系數(shù)，c為二氧化碳?xì)怏w的聲速，λ為波長；從表1可以看出，不同頻率下的聲速數(shù)值差別不大，隨著頻率的增大，二氧化碳?xì)怏w一個波長的聲衰減系數(shù)在逐漸減小。

表1實施例測量結(jié)果之一

以下表2是采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置在溫度為25℃、壓強為一個大氣壓測量50％co2-50％n2的部分測量結(jié)果，其中α為50％二氧化碳+50％氮氣混合氣體的聲衰減系數(shù)，αλ為50％二氧化碳+50％氮氣混合氣體一個波長的聲衰減系數(shù)，c為50％二氧化碳+50％氮氣混合氣體的聲速，λ為波長，等于50％二氧化碳+50％氮氣混合氣體的聲速除以頻率；由于不同頻率下的聲速差別很小，在該測量中，為了簡化測量步驟，只測量了75k頻率下的聲速。

表2實施例測量結(jié)果之二

以下表3是采用實施例提供的上述基于超聲波換能器的通用氣體測量裝置在溫度為25℃、99.999％純度的二氧化碳?xì)怏w，在0.1、0.5和1個大氣壓下，200k頻率對應(yīng)聲衰減系數(shù)。

表3實施例測量結(jié)果之三

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。