基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了属于声学传感器的环境状态监测【技术领域】的一种基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置。该装置为在被测区域周围均匀地布置若干个声学传感器，声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关、声波发射端多路开关分别连接发射端功率放大装置、相位检测模块和单片机；声波接收端多路开关分别连接接收端功率放大装置、双选开关和单片机。通过若干个声学传感器测量声波在混合气体中的传播时间和衰减，计算出该截面内声速分布和声衰减分布，重建出混合气体的温度场、速度场及浓度场。本发明可应用于生产和生活的多个领域，如燃烧区域温度、浓度测量、危险气体监测，微量有毒气体检测，气体分离和混合过程监测等。
【专利说明】基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明属于声学传感器的环境状态监测【技术领域】，特别涉及一种基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置。具体涉及二维空间中混合气体温度场、浓度场及速度场同时测量技术。
【背景技术】
[0002]随着电子科学、材料技术和集成电路的飞速发展和日益成熟，混合气体的温度和浓度监测已经成为燃烧诊断优化、空气质量监测、火灾探测、生物工程以及航空航天等领域中必不可少的测量对象。目前大多数的检测手段都是将空间区域的温度和浓度分开测量，而温度和浓度这两个参数一般都是耦合地影响着系统的各个运行参数，若能同时得到这两者信息，那么对系统更加精确的了解会起到非常大的作用。
[0003]在声学传感技术方面，由于独特优点和广泛的应用前景，使得利用声波定量检测混合气体热力学特性和分子特性成为当前气体传感【技术领域】的研究热点。早在上个世纪80年代，就有国外学者将声速应用于测量气体温度的领域。本世纪初，国外的研究人员提出利用声速变化监测二元混合气体成分的方法，其中Polturak和Tinge等人的研究都表明这种仅用声速监测二元混合气体的方法有很高的精度。美国西北大学的Lueptow教授领导的研究小组在2001年提出精确测量与声波频率相关的声衰减和声速可以定量地监测不同环境和过程中的气体成分。该小组提出经过实验验证的DL (由Dain和Lueptow两名学者提出)模型，一些常见的气体包括N2、CH4、H2、O2和CO2的浓度都可以用该模型测量。在2005年，该小组的成员Petculescu采用参与碰撞过程的两个分子的全用部成对振动跃迁概率来描述分子平动能量和振动能量的交换，进而修正和完善了 DL模型，使得该模型预测结果和实验数据更加吻合。
[0004]在声学法实验仪器方面，目前国外已有的设备大多数都是单路径收发，只能实现恒温、混合均匀、静止的气体温度和浓度测量。据不完全了解，利用声学法同时重建空间混合气体的浓度分布、温度场和流场尚无报道。本发明通过测量声波在混合气体中传播时的速度和衰减，反演出混合气体所处的状态，即温度、流场及浓度组成。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置，其特征在于，所述多物理场的装置的组成为在被测区域周围布置均匀地布置若干个声学传感器，声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关、声波发射端多路开关分别连接发射端功率放大装置、相位检测模块和单片机；声波接收端多路开关分别连接接收端功率放大装置、双选开关和单片机；接收端功率放大装置与相位检测模块连接；双选开关再分别连接单片机、发射端功率放大装置和增益检测模块，增益检测模块与电脑主机连接，电脑主机再连接单片机和相位检测模块。
[0006]利用基于声学传感技术的多物理场测量装置的多物理场测量方法:主要包括以下步骤，[0007](I)利用基于声学传感技术的多物理场测量装置测量声波在被测区域传播的声速和声衰减信息；声波衰减的信息是通过测量声波信号在发射端和接收端的幅值获取的，即在增益检测模块中对输入和输出的声波信号的幅值进行比较得出；利用窄带宽的两个声波频率，通过测量收-发信号的相位差，可以实现准确的传播时间的测量，即比较相位检测模块中两声波信号的相位差；
[0008](2)基于声波的弛豫衰减，结合经典衰减理论，建立声波总衰减与混合气体浓度、温度间的关系模型；联合声速与混合气体浓度、温度之间的关系，同时利用声速和声衰减两个声学参数，提出了基于声学法的混合气体多物理场同时建立声学参数与混合气体温度、浓度间的耦合模型；
[0009](3)在二维区域中，利用步骤(1)得到声速和声衰减信息，基于反问题求解方法，计算二维区域不同处的声速和声衰减；再利用步骤(2)建立的耦合模型，对二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建；
[0010](4)根据步骤(1)中测量的每条声波路径正反两个方向的测量信息，同时重建被测区域流体的速度分布，最终实现被测区域混合气体的温度场、浓度场和速度场的同时重建。[0011 ] 所述的步骤(2)中，声波的传播时间同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成有直接关系；声速同混合气体温度、浓度的关系表达如下:
[0012]c2=yfflixRT/Mfflix
[0013]其中，c为声速，T为烟气温度，R为气体常数，Ymix和Mmix分别为混合气体的平均比热容比和平均相对分子质量，与气体各组成成分的浓度有关。
[0014]所述的步骤(2)中，声波的衰减同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成也有直接关系，经典衰减的计算如下，
[0015]
【权利要求】
1.一种基于声学传感技术的多物理场测量装置，其特征在于，所述多物理场测量的装置的组成是在被测区域周围均匀地布置若干个声学传感器，声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关、声波发射端多路开关分别连接发射端功率放大装置、相位检测模块和单片机；声波接收端多路开关分别连接接收端功率放大装置、双选开关和单片机；接收端功率放大装置与相位检测模块连接；双选开关再分别连接单片机、发射端功率放大装置和增益检测模块，增益检测模块与电脑主机连接，电脑主机再连接单片机和相位检测模块。
2.利用基于声学传感技术的多物理场测量装置的多物理场测量方法:其特征在于，主要步骤如下: (1)利用基于声学传感技术的多物理场测量装置测量声波在被测区域传播的声速和声衰减信息；声波衰减的信息是通过测量声波信号在发射端和接收端的幅值获取的，即在增益检测模块中对输入和输出的声波信号的幅值进行比较得出；利用窄带宽的两个声波频率，通过测量收-发信号的相位差，可以实现准确的传播时间的测量，即比较相位检测模块中两声波信号的相位差； (2)基于声波的弛豫衰减，结合经典衰减理论，建立声波总衰减与混合气体浓度、温度间的关系模型；联合声速与混合气体浓度、温度之间的关系，同时利用声速和声衰减两个声学参数，提出了基于声学法的混合气体多物理场同时建立声学参数与混合气体温度、浓度间的耦合模型； (3)在二维区域中，利用步骤(1)得到声速和声衰减信息，基于反问题求解方法，计算二维区域不同处的声速和声衰减；再利用步骤(2)建立的耦合模型，对二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建； (4)根据步骤(1)中测量的每条声波路径正反两个方向的测量信息，还可以重建被测区域流体的速度分布，最终实现被测区域混合气体的温度场、浓度场和速度场的同时重建。`
3.根据权利要求2所述多物理场测量方法:其特征在于，所述的步骤(2)中，声波的传播时间同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成有直接关系；声速同混合气体温度、浓度的关系表达如下:
C2= Y mixRT/Mmix 其中，c为声速，T为烟气温度，R为气体常数，Ymix和Mmix分别为混合气体的平均比热容比和平均相对分子质量，与气体各组成成分的浓度有关。
4.根据权利要求2所述多物理场测量方法:其特征在于，所述的步骤(2)中，声波的衰减同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成也有直接关系，经典衰减的计算如下，
Ιπ1/1 \ 4kh a =----V + (f -1)—
pc L3.C.P_ 其中，V是气体剪切粘度，(^是定压比热容、kh是热传导率、Y是比热容比cp/cv。公式(2)中的v、cp、kh、Y均为混合气体的复合结果，均取决于气体种类以及浓度组成和温度，所以，混合气体的浓度组成和温度决定了声波在其中传播的经典衰减。 弛豫衰减的计算则远比经典衰减复杂，基于DL模型中，声波的有效波数k的虚部就代表了声波的弛豫衰减:
5.根据权利要求2所述多物理场测量方法:其特征在于，所述的步骤(3)中，对二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建，以下两式描述二维空间不同区域的声速和声衰减，
【文档编号】G01D21/02GK103712652SQ201310712983
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】刘石, 刘岩, 任思源, 宋伟, 刘厦 申请人:华北电力大学