[发明专利]一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置，建立一套在密闭腔体的不同频率的超声收发装置，往密闭腔体通入待测量的气体，发射发送不同频率的超声波，并在步进电机和导轨的作用下精确移动以改变超声波发射端与接收端之间的距离；通过外部抽气泵调整腔内待测气体压强，测量得到不同频率、不同压强、不同距离下的声速和声衰减系数并对声衰减系数进行校正；绘制校正后的声衰减系数关于超声波频率的谱线图，通过将所绘制的谱线图与预设样本库中的谱线比较，确定待测气体的种类和浓度；本发明方法及装置可以测量大部分无腐蚀性气体、具有测量范围广、无需专门气体传感器、成本低、能够在线实时监测、响应速度快、长时间稳定等优点。

技术领域

本发明属于气体测量技术领域，更具体地，涉及一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置。

背景技术

在传统的气体检测技术中，一种传感器只能检测一种气体，对于混合气体的检测需要多种传感器协同配合，增加了调试和安装的难度，而且提高了测试成本；在大气、航天、环境气体等探测中，尤其是天然气等混合气体的精度测试、管道内、大规模、实时探测的探测需求下，传统的气体探测技术无法满足其探测实时性、探测精度以及低成本探测的需求；而且传统的各种气体传感器的使用寿命有限，一般是2-5年，造成探测的成本高昂。

近年来，超声气体探测领域的研究和突破成为超声学、量子物理和信号处理等交叉学科的热门之一。基于超声波换能器的气体探测技术，以器件结构简易、耐用性好、成本低、鲁棒性好等特点，在气体泄漏、气体成分监测等领域得到了广泛应用，其探测精度可达30ppm，响应速度可快至ms级。然而，现有技术也暂时没有提供一种基于超声波换能器的通用的气体测量的解决方案。论文《一种基于声吸收谱的超声气体传感器实验装置》(宋运隆,丁圆,程菊明.企业技术开发:上旬刊，2016，35(8):48-51.)中，公开了进行空气的声速测试的技术方案，但是只简单测试了空气的声速，并没有对其他气体进行测量，也没有公开声衰减系数的测量方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及系统，其目的在于由此解决目前气体测量中针对每种气体必须用专门的传感器测量、成本高、耐用性差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超声波换能器的通用气体测量方法，包括如下步骤：

(1)根据超声波信号在待测气体气氛环境下的传播距离与传播时间，获取超声波信号在待测气体中的传播速度；

(2)根据在待测气体气氛环境下发送的超声波信号与接收到的超声波信号的电压比值与传播距离之比，获取待测气体的声衰减系数α；

(3)根据声波波长、超声波换能器的半径、发射的超声波信号经超声换能器转换后的电压信号波形峰峰值V_e、以及接收到的超声波信号经超声换能器转换后的电压信号波形峰峰值V_r，对步骤(2)获得的声衰减系数α进行校正；

其中，声波波长由传播速度除以频率得到；

(4)改变待测气体气氛环境的压强，以及超声波信号发射端与接收端的距离，重复步骤(1)～(3)，获取多个不同频率、多个不同压强、多个不同收发距离下的声衰减系数并校正；

绘制校正后的声衰减系数关于超声波频率的谱线图，通过将所绘制的谱线图与预设样本库中的谱线比较，确定待测气体的种类和浓度；其中，收发距离是指超声波信号发射端与接收端之间的距离。

优选地，上述的通用气体测量方法中，在获取传播速度的步骤中，利用步进电机来控制超声波换能器发送端与接收端超声波换能器之间的距离，利用步进电机的相数、拍数、步距角、细分获取超声波的准确传播距离x；

利用在接收端检测到的电压信号波形，获取超声波在其发送端与接收端之间传播的传播时间t；根据传播距离与传播时间获取传播速度