专利名称：基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及气体颗粒浓度测量技术领域，具体涉及基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量装置。
背景技术：
近年空气污染日益严重，人类生产生活中排放的有毒、有害物质严重影响着空气质量。同时，人类环保意识有所提高，因此人们越来越重视对空气质量的监控，也就提出了对气体中颗粒浓度测量的需求。另外，气体颗粒浓度测量对气候变化研究和火山检测等领域都有广泛的应用。目前常用的颗粒浓度测量方法有林格曼黑度法、采样法、电容法、电荷法、射线法、过程层析成像法、光学方法、超声法等。其中林格曼黑度法和采样法属于离线监测的方法，林格曼黑度法指人工观察烟尘黑度并与林格曼黑度表比较确定烟尘浓度，这种方法只能给出一个相对大小的估值，精度低，而且只适用于燃煤烟尘排放的定性测量；采样法指按照等速原则抽取一定体积的代表性烟气，将采集的固体颗粒称重，用所称重量除以气体体积得出浓度，该方法的等速原则往往难以实现，而且不能进行连续的测量。在实时在线监测的方法中，电容法和电荷法指利用颗粒浓度与电容量和静电荷量的相关性，通过检测电容量和电荷量从而测出浓度，这两种方法受到颗粒的物理性质和气体传送条件影响，而且是干扰式测量；射线法指通过测量透过介质的辐射线的衰减来测量浓度，这种方法存在放射性辐射泄露的危险，因此设备贵、对操作人员要求高；过程层析成像法指通过获取管道中传输的多组分混合物的可视化图像来测量颗粒浓度三维分布的方法，这种方法实现起来比较复杂。另外较为常用的光学法则是利用光的衰减和散射来测量颗粒浓度，具体包括浊度法、光脉动法和散射法等，但是光学设备精细、设备成本高，而且在高浓度颗粒测量中光的衰减非常严重，因此也限制了光学法在一些场景中的应用。超声法是利用声波在气体中传播，根据声衰减、颗粒对声的散射等效应测出颗粒浓度，超声法穿透性比光好，适合用于高浓度颗粒测量，而且设备成本也比光学设备低，并且具有较宽的频率范围，因此超声法有其突出的优越性。可是，虽然超声有较宽的频率范围，但目前利用超声测量颗粒浓度的方法中大部分利用单频信号或者窄脉冲信号(CN201096703)，虽然窄脉冲信号有宽频特性但它并不容易产生，而且不是频谱等幅宽频信号；另外即使有宽频信号，目前的测量装置大部分利用一个换能器，收发信号的带宽受到换能器限制。因此目前的超声测量方法和装置在发挥超声的宽频性方面有待改善，难以较为全面测量气体中各种粒子的浓度，不能全面测量气体中颗粒分布。本实用新型基于宽频带LFM (线性调频)超声信号的气体颗粒浓度测量方法与装置，可以很好地解决目前技术的不足。由于本实用新型利用LFM信号作为测量信号以及利用换能器阵列收发，因此可以实现近似频谱等幅宽频的测量信号，并且容易产生与收发。另外，本实用新型的装置利用吸声材料，进一步提高测量的精度。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有基于超声法测量气体颗粒浓度的方法及测量装置难以产生与收发宽带信号的不足，提供基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置。该方法利用LFM超声信号构造测量信号，通过对接收信号进行谱分析，根据衰减频谱测量出气体中各种尺寸的颗粒浓度。另外，本实用新型装置利用吸声材料提高测量精度。本实用新型通过以下技术方案实现。基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量装置，包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔，操作模块与处理模块连接，主要用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、等分数从各个换能器发送信号的次数w和各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应
频段信号的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为^和5 ； 处理模块与操作模块、收发模块，以及输出模块相连，处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据，对接收信号数据进行分析处理得出颗粒浓度的测量结果，将结果传输给输出模块输出；收发模块与处理模块相连，位于测量腔内，它包括发送换能器阵列和接收换能器阵列，负责从数模转换器获取发射信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换；收、发换能器阵列能通过滑动调整收发阵列之间的距离，以适应不同的应用情况，衰减强时缩短它们之间的距离提高接收信号幅度，衰减弱时增大距离提高测量精度；输出模块与处理模块相连，用于显示处理模块测量的气体颗粒浓度结果，或者将检测结果送给其他系统或设备。进一步的，所述测量腔采用吸声材料制造。进一步的，处理模块主要包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器；另外，数字处理器从模数转换器中获取接收信号的数据进行谱估计、滤波以及颗粒浓度测量；然后将测量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。上述装置的主要工作流程如下操作者通过操作模块输入对应的参数，调整收发阵列间的距离L。处理模块根据参数信息产生各段LFM信号，数模转换器转换成发射信号，传送给发射换能器阵列发射。然后接收换能器阵列接收测量信号，传送给处理模块。处理模块中的模数转换器将接收信号转换成数字信号传给数字处理器。数字处理器将各个接收换能器的接收信号进行谱估计，通过滤波剔除各个换能器负责频率范围外的信号，再进行颗粒浓度测量。最后将测量出来的颗粒浓度值传送给输出模块输出结果。基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法，包括如下步骤第一，利用线性调频信号(LFM)构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；第二，接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；第三，对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；第四，对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度。所述的线性调频信号(LFM)信号可表示成
权利要求1.基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量装置，其特征在于包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔， 操作模块与处理模块连接，主要用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、等分数从各个换能器发送信号的次数W和各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段信号的初始频率、调频系数和信号时间长度； 处理模块与操作模块、收发模块，以及输出模块相连，处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据，对接收信号数据进行分析处理得出颗粒浓度的测量结果，将结果传输给输出模块输出； 收发模块与处理模块相连，位于测量腔内，它包括发送换能器阵列和接收换能器阵列，负责从数模转换器获取发射信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换；收、发换能器阵列能通过滑动调整收发阵列之间的距离，以适应不同的应用情况，衰减强时缩短它们之间的距离提高接收信号幅度，衰减弱时增大距离提高测量精度； 输出模块与处理模块相连，用于显示处理模块测量的气体颗粒浓度结果，或者将检测结果送给其他系统或设备。
2.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于所述测量腔采用吸声材料制造。
3.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于处理模块主要包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器；另外，数字处理器从模数转换器中获取接收信号的数据进行谱估计、滤波以及颗粒浓度测量；然后将测量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。
专利摘要本实用新型公开了基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量装置，包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔。操作模块输入对应的参数，调整收发阵列间的距离。处理模块根据参数信息产生各段LFM信号，数模转换器转换成发射信号，传送给发射换能器阵列发射。然后接收换能器阵列接收测量信号，传送给处理模块。处理模块中的模数转换器将接收信号转换成数字信号传给数字处理器。数字处理器将各个接收换能器的接收信号进行谱估计，通过滤波剔除各个换能器负责频率范围外的信号，再进行颗粒浓度测量。最后将测量出来的颗粒浓度值传送给输出模块输出结果。本实用新型具有适用范围广，测量精度高，装置简单，成本低廉，使用方便等优点。
文档编号G01N15/06GK202814843SQ20122049315
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月22日 优先权日2012年9月22日
发明者宁更新, 李尧辉, 韦岗, 曹燕 申请人:华南理工大学