基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量裝置的製作方法
2023-06-10 16:18:16
專利名稱：基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及氣體顆粒濃度測量技術領域，具體涉及基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量裝置。
背景技術：
近年空氣汙染日益嚴重，人類生產生活中排放的有毒、有害物質嚴重影響著空氣品質。同時，人類環保意識有所提高，因此人們越來越重視對空氣品質的監控，也就提出了對氣體中顆粒濃度測量的需求。另外，氣體顆粒濃度測量對氣候變化研究和火山檢測等領域都有廣泛的應用。目前常用的顆粒濃度測量方法有林格曼黑度法、採樣法、電容法、電荷法、射線法、過程層析成像法、光學方法、超聲法等。其中林格曼黑度法和採樣法屬於離線監測的方法，林格曼黑度法指人工觀察煙塵黑度並與林格曼黑度表比較確定煙塵濃度，這種方法只能給出一個相對大小的估值，精度低，而且只適用於燃煤煙塵排放的定性測量；採樣法指按照等速原則抽取一定體積的代表性煙氣，將採集的固體顆粒稱重，用所稱重量除以氣體體積得出濃度，該方法的等速原則往往難以實現，而且不能進行連續的測量。在實時在線監測的方法中，電容法和電荷法指利用顆粒濃度與電容量和靜電荷量的相關性，通過檢測電容量和電荷量從而測出濃度，這兩種方法受到顆粒的物理性質和氣體傳送條件影響，而且是幹擾式測量；射線法指通過測量透過介質的輻射線的衰減來測量濃度，這種方法存在放射性輻射洩露的危險，因此設備貴、對操作人員要求高；過程層析成像法指通過獲取管道中傳輸的多組分混合物的可視化圖像來測量顆粒濃度三維分布的方法，這種方法實現起來比較複雜。另外較為常用的光學法則是利用光的衰減和散射來測量顆粒濃度，具體包括濁度法、光脈動法和散射法等，但是光學設備精細、設備成本高，而且在高濃度顆粒測量中光的衰減非常嚴重，因此也限制了光學法在一些場景中的應用。超聲法是利用聲波在氣體中傳播，根據聲衰減、顆粒對聲的散射等效應測出顆粒濃度，超聲法穿透性比光好，適合用於高濃度顆粒測量，而且設備成本也比光學設備低，並且具有較寬的頻率範圍，因此超聲法有其突出的優越性。可是，雖然超聲有較寬的頻率範圍，但目前利用超聲測量顆粒濃度的方法中大部分利用單頻信號或者窄脈衝信號(CN201096703)，雖然窄脈衝信號有寬頻特性但它並不容易產生，而且不是頻譜等幅寬頻信號；另外即使有寬頻信號，目前的測量裝置大部分利用一個換能器，收發信號的帶寬受到換能器限制。因此目前的超聲測量方法和裝置在發揮超聲的寬頻性方面有待改善，難以較為全面測量氣體中各種粒子的濃度，不能全面測量氣體中顆粒分布。本實用新型基於寬頻帶LFM (線性調頻)超聲信號的氣體顆粒濃度測量方法與裝置，可以很好地解決目前技術的不足。由於本實用新型利用LFM信號作為測量信號以及利用換能器陣列收發，因此可以實現近似頻譜等幅寬頻的測量信號，並且容易產生與收發。另外，本實用新型的裝置利用吸聲材料，進一步提高測量的精度。
實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有基於超聲法測量氣體顆粒濃度的方法及測量裝置難以產生與收發寬帶信號的不足，提供基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法與裝置。該方法利用LFM超聲信號構造測量信號，通過對接收信號進行譜分析，根據衰減頻譜測量出氣體中各種尺寸的顆粒濃度。另外，本實用新型裝置利用吸聲材料提高測量精度。本實用新型通過以下技術方案實現。基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量裝置，包括操作模塊、處理模塊、收發模塊、輸出模塊和測量腔，操作模塊與處理模塊連接，主要用於人機互動，根據應用場景選擇發射功率、等分數從各個換能器發送信號的次數w和各個換能器發射和接收所負責的頻率範圍、以及相應
頻段信號的初始頻率、調頻係數和信號時間長度分別為^和5 ； 處理模塊與操作模塊、收發模塊，以及輸出模塊相連，處理模塊根據操作模塊輸入的指令進行數據處理，通過收發模塊發出以及接收測量信號的波形和數據，對接收信號數據進行分析處理得出顆粒濃度的測量結果，將結果傳輸給輸出模塊輸出；收發模塊與處理模塊相連，位於測量腔內，它包括發送換能器陣列和接收換能器陣列，負責從數模轉換器獲取發射信號發射，以及接收信號傳給模數轉換器轉換；收、發換能器陣列能通過滑動調整收發陣列之間的距離，以適應不同的應用情況，衰減強時縮短它們之間的距離提高接收信號幅度，衰減弱時增大距離提高測量精度；輸出模塊與處理模塊相連，用於顯示處理模塊測量的氣體顆粒濃度結果，或者將檢測結果送給其他系統或設備。進一步的，所述測量腔採用吸聲材料製造。進一步的，處理模塊主要包括數字處理器、數模轉換器及模數轉換器，其中數字處理器根據操作模塊的指令產生各段的LFM信號傳送給數模轉換器；另外，數字處理器從模數轉換器中獲取接收信號的數據進行譜估計、濾波以及顆粒濃度測量；然後將測量的結果傳送給輸出模塊輸出；數模轉換器和模數轉換器充當數字處理器和收發模塊的橋梁，將數字處理器產生的信號數模轉換傳給收發模塊發送，從收發模塊接收信號進行模數轉換傳給數字處理器處理。上述裝置的主要工作流程如下操作者通過操作模塊輸入對應的參數，調整收發陣列間的距離L。處理模塊根據參數信息產生各段LFM信號，數模轉換器轉換成發射信號，傳送給發射換能器陣列發射。然後接收換能器陣列接收測量信號，傳送給處理模塊。處理模塊中的模數轉換器將接收信號轉換成數位訊號傳給數字處理器。數字處理器將各個接收換能器的接收信號進行譜估計，通過濾波剔除各個換能器負責頻率範圍外的信號，再進行顆粒濃度測量。最後將測量出來的顆粒濃度值傳送給輸出模塊輸出結果。基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，包括如下步驟第一，利用線性調頻信號(LFM)構造測量信號，將測量信號進行數模轉換後從發射超聲換能器陣列發射出去；第二，接收超聲換能器陣列檢測超聲信號，得到接收信號；第三，對接收信號進行模數轉換，進而對接收信號進行譜估計，得到接收信號的衰減譜；第四，對得到的衰減譜進行分析，從頻率確定相應顆粒的線度，從該頻率的頻譜幅度根據數學建模或經驗公式確定對應線度顆粒的濃度。所述的線性調頻信號(LFM)信號可表示成
權利要求1.基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量裝置，其特徵在於包括操作模塊、處理模塊、收發模塊、輸出模塊和測量腔， 操作模塊與處理模塊連接，主要用於人機互動，根據應用場景選擇發射功率、等分數從各個換能器發送信號的次數W和各個換能器發射和接收所負責的頻率範圍、以及相應頻段信號的初始頻率、調頻係數和信號時間長度； 處理模塊與操作模塊、收發模塊，以及輸出模塊相連，處理模塊根據操作模塊輸入的指令進行數據處理，通過收發模塊發出以及接收測量信號的波形和數據，對接收信號數據進行分析處理得出顆粒濃度的測量結果，將結果傳輸給輸出模塊輸出； 收發模塊與處理模塊相連，位於測量腔內，它包括發送換能器陣列和接收換能器陣列，負責從數模轉換器獲取發射信號發射，以及接收信號傳給模數轉換器轉換；收、發換能器陣列能通過滑動調整收發陣列之間的距離，以適應不同的應用情況，衰減強時縮短它們之間的距離提高接收信號幅度，衰減弱時增大距離提高測量精度； 輸出模塊與處理模塊相連，用於顯示處理模塊測量的氣體顆粒濃度結果，或者將檢測結果送給其他系統或設備。
2.根據權利要求I所述的測量裝置，其特徵在於所述測量腔採用吸聲材料製造。
3.根據權利要求I所述的測量裝置，其特徵在於處理模塊主要包括數字處理器、數模轉換器及模數轉換器，其中數字處理器根據操作模塊的指令產生各段的LFM信號傳送給數模轉換器；另外，數字處理器從模數轉換器中獲取接收信號的數據進行譜估計、濾波以及顆粒濃度測量；然後將測量的結果傳送給輸出模塊輸出；數模轉換器和模數轉換器充當數字處理器和收發模塊的橋梁，將數字處理器產生的信號數模轉換傳給收發模塊發送，從收發模塊接收信號進行模數轉換傳給數字處理器處理。
專利摘要本實用新型公開了基於寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量裝置，包括操作模塊、處理模塊、收發模塊、輸出模塊和測量腔。操作模塊輸入對應的參數，調整收發陣列間的距離。處理模塊根據參數信息產生各段LFM信號，數模轉換器轉換成發射信號，傳送給發射換能器陣列發射。然後接收換能器陣列接收測量信號，傳送給處理模塊。處理模塊中的模數轉換器將接收信號轉換成數位訊號傳給數字處理器。數字處理器將各個接收換能器的接收信號進行譜估計，通過濾波剔除各個換能器負責頻率範圍外的信號，再進行顆粒濃度測量。最後將測量出來的顆粒濃度值傳送給輸出模塊輸出結果。本實用新型具有適用範圍廣，測量精度高，裝置簡單，成本低廉，使用方便等優點。
文檔編號G01N15/06GK202814843SQ20122049315
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月22日 優先權日2012年9月22日
發明者寧更新, 李堯輝, 韋崗, 曹燕 申請人:華南理工大學