[发明专利]一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法

说明书

本发明公开了一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，属于气体浓度检测技术领域。本发明推导出并利用“混频前与混频后相位差相同”的结论，通过选择频率略小于原x₁(t)与x₂(t)的矩形波信号y(t)，分别与x₁(t)与x₂(t)混频后，获得两个低频信号，通过求取该两个低频信号相位差，可以实现将原本对两个高频超声波信号相位差的检测转换为对极低频率相位差的检测。本发明可以实现将原本两个高频超声波信号相位差检测转换为极低频率相位差检测，从而达到提高检测精度的要求，解决了传统方法中对低浓度气体进行测量时系统必须具有足够高的工作频率的问题。

技术领域

本发明涉及一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，属于气体浓度检测技术领域。

背景技术

利用声学技术进行气体浓度检测具有低成本、低功耗、可适用复杂环境等优点。当被测气体浓度很低时，双通道测量腔和参考腔中两路超声波信号接收时间差ΔT很小，导致对应相位差很小，如果系统计数频率不高，会导致所测得相位差误差过大进而严重影响气体浓度测量精度。现有技术中，还没有方法能够很好地解决这个问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，通过提出超声波混频技术，将高频信号相位差转为低频信号相位差进行提取，从而实现用较低工作频率系统实现较高测量精度要求，以解决现有技术中存在的问题。

一种基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法，所述基于超声波相位差技术进行气体浓度检测方法包括以下步骤：

步骤一、得到结论：混频前与混频后相位差相同；

步骤二、利用所述结论，选择频率与已知矩形波信号x1(t)与x2(t)频率接近的矩形波信号y(t)，令y(t)分别与x₁(t)与x₂(t)混频并经低通滤波后，获得两个低频信号，通过求取所述两个低频信号相位差，实现将原本对两个高频超声波信号相位差的检测转换为对极低频率相位差的检测。

进一步的，在步骤一中，所述结论通过以下方法得到：

在设超声波信号频率为f，测量腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x₁(t)，周期为 T₁，脉宽为τ₁，参考腔内超声波接收处理后时域矩形波信号为x₂(t)，由于参考腔与测量腔超声波为具有相位差的同一超声波源信号，因此参考腔超接收到的声波时域波形信号也为周期为T₁，脉宽为τ₁，

假设参考腔内接受信号滞后测量腔信号时间差为Δt，角频率ω₁，则参考腔与测量腔接收信号相位差对超声波时域信号进行比较处理转为矩形波信号，设x₁(t)与x₂(t) 的占空比为取另一个矩形波信号频率y(t)，角频率ω₂，令ω₂略小于ω₁，占空比为令y(t)幅值等于x₁(t)与x₂(t)的幅值K：

由傅里叶级数其中可知，

x₁(t)傅里叶级数为：

又：有则：由于x₁(t)是偶函数，则b_n＝0，

相应x₁(t)的傅里叶级数展开为：

把x₂(t)看成是x₁(t)时域右移x后得到的函数，

则x₂(t)的傅里叶级数展开为：

同理y(t)的傅里叶级数展开为：