[发明专利]一种基于超声原理的气体浓度检测方法及装置

权利要求书

1.基于超声原理的气体浓度检测方法，该方法使用的测量装置主体为空心管道，其一端安装有带阀门的细长进出气口，另一端安装有活塞，活塞由线性步进电机调节滚珠丝杠进行控制；两对谐振频率不同的换能器以两两相对的形式分别安装于管道进出气口侧和活塞上；管道壁上嵌入有压力传感器和温度传感器；压力传感器和温度传感器与单片机连接；单片机控制驱动电路产生激励波形，运用开关电路的通道切换，依次激励两对超声换能器发送和接收信号，通过信号放大电路进行适当地放大，将放大后的信号分别送入时间测量电路和峰值检测电路；通过活塞位置的改变进行两次测量，计算出吸收最大值和弛豫频率，查表并通过插值法得到管道内待测气体浓度；

该方法具体包括以下步骤：

第一步，数据采集；单片机首先控制线性步进电机调整活塞距离并固定，并循环读取当前装置内的温度和压力，直至其稳定处于目标值，其次通过控制开关电路，控制超声换能器的测量，获取回波的峰值和声速，最后控制线性步进电机调整活塞使得换能器的距离与上一次测量相异，再次进行测量获得声速和当前距离下回波的峰值；

第二步，数据处理；首先开始根据获取的回波信号的峰值计算得到声吸收系数，其次运用测得的声速和计算得到的声吸收系数计算测量频点无量纲声吸收系数，然后运用无量纲声吸收系数计算得到吸收最大值和弛豫频率，最后根据吸收最大值和弛豫频率，通过前期建立的数学模型，运用单片机内部的查表的方式，通过插值算法得到对应的气体浓度；

所述的数学模型通过以下方式建立：

(1).针对目标待测气体，测量各个气体组分在其占比为100％状态下的气体吸收最大值和弛豫频率，得到吸收最大值矩阵U_c和弛豫频率矩阵F_c：

U_c＝[u_c1…u_cn]^T,F_c＝[f_c1…f_cn]^T

(2).调配不同浓度比例的气体混合物，作为标准浓度，建立气体浓度矩阵：

并测量对应气体浓度时的吸收最大值和弛豫频率，建立吸收最大值矩阵U_M和弛豫频率矩阵F_M：

U_M＝[U_M1…U_Mn],F_M＝[F_M1…F_Mn]

(3).建立并计算得到系数矩阵K_U和K_F，令以下等式关系成立：

U_M＝AU_CK_U,F_M＝AF_CK_F。