[发明专利]一种基于超声原理的气体浓度检测方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于超声原理的气体浓度检测装置及方法。本发明包括检测装置，单片机单元，温度测量电路，压力测量电路，电机控制电路，驱动电路，开关电路，信号放大电路，时间测量电路，峰值检测电路和超声换能器。本发明的基于超声原理的气体浓度检测装置通过一定的设计，运用安装的2对超声换能器测量2个频点的回波信号，再通过一定的电路设计获得回波信号的峰值，运用一定的运算获得气体声吸收系数和声速，进一步运算得到声吸收最大值和弛豫频率，最后运用前期实验建立的数学模型，通过单片机内部查表和插值的方法，获得当前的气体浓度，使测量流程更为简便，使其更具有实用性。

技术领域

本发明属于气体组分检测领域，涉及一种基于超声原理的气体浓度检测方法及装置。

背景技术

人类日常生活和工业生产中都不可避免地涉及多种多样的气体。为了定性地了解和定量地掌握被测气体的各种性质，气体传感技术应运而生。而完成这一系列的任务的就是气体传感器。气体传感器能够将气体的组分、含量等信息转换成电信号，并根据这些电信号，通过后期的一系列处理，还原出被测气体的信息，进而实现对气体的检测、监控和报警等功能。

目前主要的气体成分检测技术有：化学反应、半导体、气相色谱吸收、红外光谱吸收、热传导、接触燃烧等技术，其中应用比较广泛的是气相色谱法，但其都有各自的优缺点。

超声波传感器是一种声信号和电信号的转换装置，其通过产生和接受的超声波来确定测量的物理量的特性。超声波传感器的特性有：1)低成本和低功耗；2)高分辨率和高准确度的测量；3)快速的传感器瞬态响应，可用于在线实时测量；4)体积小，易于安装和维护；5)传感器不易污染；6)适用于易燃易爆气体中。可见，相比之下基于超声波传感器具有明显的优势。

目前基于超声的气体组分的检测方法主要分为两类，即基于气体中声传播速度的气体浓度检测和基于对气体声吸收谱分析的气体浓度检测。前者已经经历了较长时间的发展，但其测量存在一定的局限性，即通常只能检测已知的两种气体的浓度，并且这两种气体的相对分子质量存在较大的差异。而后者目前通常的方法为，改变气体测量腔体内部的气体压强，并运用多个超声换能器完全拟合出待测气体的声吸收谱，最后通过复杂的数据处理和计算得出气体组分浓度。现今主要的研究方向集中于后者，而目前多数研究人员主要着眼于运用测得的声衰减数据，对气体声吸收谱进行拟合和还原的方法，同时缺少室温常压下对气体浓度测量方法和装置的研究。

发明内容

本发明针对现在技术的不足，设计了适用于室温常压下的超声波气体浓度检测的装置，并且相应地提出了基于超声原理的气体浓度检测方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明中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。

本发明的方法：在两个不同的频率测量点，各设1对超声换能器，通过线性步进电机精确控制活塞的位置，使其在不同的间距下分别将接收的回波信号通过峰值检测电路对回波的最大值进行AD采样，并将其数值送入单片机进行运算，得到两个频点的无量纲声衰减系数。运用这两个计算得到的数据，通过单片机内部的进一步运算，得到弛豫频率和弛豫吸收最大值，最后通过前期试验建立的数学模型，运用查表和插值的方法得出该弛豫频率和弛豫吸收最大值对应的气体浓度。