專利名稱：基于寬頻帶線性調(diào)頻超聲的氣體顆粒濃度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氣體顆粒濃度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于寬頻帶線性調(diào)頻超聲的氣體顆粒濃度測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
近年空氣污染日益嚴(yán)重，人類生產(chǎn)生活中排放的有毒、有害物質(zhì)嚴(yán)重影響著空氣質(zhì)量。同時(shí)，人類環(huán)保意識(shí)有所提高，因此人們?cè)絹碓街匾晫?duì)空氣質(zhì)量的監(jiān)控，也就提出了對(duì)氣體中顆粒濃度測(cè)量的需求。另外，氣體顆粒濃度測(cè)量對(duì)氣候變化研究和火山檢測(cè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前常用的顆粒濃度測(cè)量方法有林格曼黑度法、采樣法、電容法、電荷法、射線法、過程層析成像法、光學(xué)方法、超聲法等。其中林格曼黑度法和采樣法屬于離線監(jiān)測(cè)的方法，林格曼黑度法指人工觀察煙塵黑度并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(gè)相對(duì)大小的估值，精度低，而且只適用于燃煤煙塵排放的定性測(cè)量；采樣法指按照等速原則抽取一定體積的代表性煙氣，將采集的固體顆粒稱重，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(shí)現(xiàn)，而且不能進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量。在實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)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(guān)性，通過檢測(cè)電容量和電荷量從而測(cè)出濃度，這兩種方法受到顆粒的物理性質(zhì)和氣體傳送條件影響，而且是干擾式測(cè)量；射線法指通過測(cè)量透過介質(zhì)的輻射線的衰減來測(cè)量濃度，這種方法存在放射性輻射泄露的危險(xiǎn)，因此設(shè)備貴、對(duì)操作人員要求高；過程層析成像法指通過獲取管道中傳輸?shù)亩嘟M分混合物的可視化圖像來測(cè)量顆粒濃度三維分布的方法，這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。另外較為常用的光學(xué)法則是利用光的衰減和散射來測(cè)量顆粒濃度，具體包括濁度法、光脈動(dòng)法和散射法等，但是光學(xué)設(shè)備精細(xì)、設(shè)備成本高，而且在高濃度顆粒測(cè)量中光的衰減非常嚴(yán)重，因此也限制了光學(xué)法在一些場(chǎng)景中的應(yīng)用。超聲法是利用聲波在氣體中傳播，根據(jù)聲衰減、顆粒對(duì)聲的散射等效應(yīng)測(cè)出顆粒濃度，超聲法穿透性比光好，適合用于高濃度顆粒測(cè)量，而且設(shè)備成本也比光學(xué)設(shè)備低，并且具有較寬的頻率范圍，因此超聲法有其突出的優(yōu)越性?？墒?，雖然超聲有較寬的頻率范圍，但目前利用超聲測(cè)量顆粒濃度的方法中大部分利用單頻信號(hào)或者窄脈沖信號(hào)(CN201096703)，雖然窄脈沖信號(hào)有寬頻特性但它并不容易產(chǎn)生，而且不是頻譜等幅寬頻信號(hào)；另外即使有寬頻信號(hào)，目前的測(cè)量裝置大部分利用一個(gè)換能器，收發(fā)信號(hào)的帶寬受到換能器限制。因此目前的超聲測(cè)量方法和裝置在發(fā)揮超聲的寬頻性方面有待改善，難以較為全面測(cè)量氣體中各種粒子的濃度，不能全面測(cè)量氣體中顆粒分布。本實(shí)用新型基于寬頻帶LFM (線性調(diào)頻)超聲信號(hào)的氣體顆粒濃度測(cè)量方法與裝置，可以很好地解決目前技術(shù)的不足。由于本實(shí)用新型利用LFM信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)以及利用換能器陣列收發(fā)，因此可以實(shí)現(xiàn)近似頻譜等幅寬頻的測(cè)量信號(hào)，并且容易產(chǎn)生與收發(fā)。另外，本實(shí)用新型的裝置利用吸聲材料，進(jìn)一步提高測(cè)量的精度。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有基于超聲法測(cè)量氣體顆粒濃度的方法及測(cè)量裝置難以產(chǎn)生與收發(fā)寬帶信號(hào)的不足，提供基于寬頻帶線性調(diào)頻超聲的氣體顆粒濃度測(cè)量方法與裝置。該方法利用LFM超聲信號(hào)構(gòu)造測(cè)量信號(hào)，通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行譜分析，根據(jù)衰減頻譜測(cè)量出氣體中各種尺寸的顆粒濃度。另外，本實(shí)用新型裝置利用吸聲材料提高測(cè)量精度。本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)?；趯掝l帶線性調(diào)頻超聲的氣體顆粒濃度測(cè)量裝置，包括操作模塊、處理模塊、收發(fā)模塊、輸出模塊和測(cè)量腔，操作模塊與處理模塊連接，主要用于人機(jī)交互，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇發(fā)射功率、等分?jǐn)?shù)從各個(gè)換能器發(fā)送信號(hào)的次數(shù)w和各個(gè)換能器發(fā)射和接收所負(fù)責(zé)的頻率范圍、以及相應(yīng)
頻段信號(hào)的初始頻率、調(diào)頻系數(shù)和信號(hào)時(shí)間長度分別為^和5 ； 處理模塊與操作模塊、收發(fā)模塊，以及輸出模塊相連，處理模塊根據(jù)操作模塊輸入的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過收發(fā)模塊發(fā)出以及接收測(cè)量信號(hào)的波形和數(shù)據(jù)，對(duì)接收信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出顆粒濃度的測(cè)量結(jié)果，將結(jié)果傳輸給輸出模塊輸出；收發(fā)模塊與處理模塊相連，位于測(cè)量腔內(nèi)，它包括發(fā)送換能器陣列和接收換能器陣列，負(fù)責(zé)從數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲取發(fā)射信號(hào)發(fā)射，以及接收信號(hào)傳給模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換；收、發(fā)換能器陣列能通過滑動(dòng)調(diào)整收發(fā)陣列之間的距離，以適應(yīng)不同的應(yīng)用情況，衰減強(qiáng)時(shí)縮短它們之間的距離提高接收信號(hào)幅度，衰減弱時(shí)增大距離提高測(cè)量精度；輸出模塊與處理模塊相連，用于顯示處理模塊測(cè)量的氣體顆粒濃度結(jié)果，或者將檢測(cè)結(jié)果送給其他系統(tǒng)或設(shè)備。進(jìn)一步的，所述測(cè)量腔采用吸聲材料制造。進(jìn)一步的，處理模塊主要包括數(shù)字處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中數(shù)字處理器根據(jù)操作模塊的指令產(chǎn)生各段的LFM信號(hào)傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器；另外，數(shù)字處理器從模數(shù)轉(zhuǎn)換器中獲取接收信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譜估計(jì)、濾波以及顆粒濃度測(cè)量；然后將測(cè)量的結(jié)果傳送給輸出模塊輸出；數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器充當(dāng)數(shù)字處理器和收發(fā)模塊的橋梁，將數(shù)字處理器產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換傳給收發(fā)模塊發(fā)送，從收發(fā)模塊接收信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給數(shù)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(duì)應(yīng)的參數(shù)，調(diào)整收發(fā)陣列間的距離L。處理模塊根據(jù)參數(shù)信息產(chǎn)生各段LFM信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成發(fā)射信號(hào)，傳送給發(fā)射換能器陣列發(fā)射。然后接收換能器陣列接收測(cè)量信號(hào)，傳送給處理模塊。處理模塊中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給數(shù)字處理器。數(shù)字處理器將各個(gè)接收換能器的接收信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)，通過濾波剔除各個(gè)換能器負(fù)責(zé)頻率范圍外的信號(hào)，再進(jìn)行顆粒濃度測(cè)量。最后將測(cè)量出來的顆粒濃度值傳送給輸出模塊輸出結(jié)果?；趯掝l帶線性調(diào)頻超聲的氣體顆粒濃度測(cè)量方法，包括如下步驟第一，利用線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)構(gòu)造測(cè)量信號(hào)，將測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后從發(fā)射超聲換能器陣列發(fā)射出去；第二，接收超聲換能器陣列檢測(cè)超聲信號(hào)，得到接收信號(hào)；第三，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)，得到接收信號(hào)的衰減譜；第四，對(duì)得到的衰減譜進(jìn)行分析，從頻率確定相應(yīng)顆粒的線度，從該頻率的頻譜幅度根據(jù)數(shù)學(xué)建?；蚪?jīng)驗(yàn)公式確定對(duì)應(yīng)線度顆粒的濃度。所述的線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)信號(hào)可表示成
權(quán)利要求1.基于寬頻帶線性調(diào)頻超聲的氣體顆粒濃度測(cè)量裝置，其特征在于包括操作模塊、處理模塊、收發(fā)模塊、輸出模塊和測(cè)量腔， 操作模塊與處理模塊連接，主要用于人機(jī)交互，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇發(fā)射功率、等分?jǐn)?shù)從各個(gè)換能器發(fā)送信號(hào)的次數(shù)W和各個(gè)換能器發(fā)射和接收所負(fù)責(zé)的頻率范圍、以及相應(yīng)頻段信號(hào)的初始頻率、調(diào)頻系數(shù)和信號(hào)時(shí)間長度； 處理模塊與操作模塊、收發(fā)模塊，以及輸出模塊相連，處理模塊根據(jù)操作模塊輸入的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過收發(fā)模塊發(fā)出以及接收測(cè)量信號(hào)的波形和數(shù)據(jù)，對(duì)接收信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出顆粒濃度的測(cè)量結(jié)果，將結(jié)果傳輸給輸出模塊輸出； 收發(fā)模塊與處理模塊相連，位于測(cè)量腔內(nèi)，它包括發(fā)送換能器陣列和接收換能器陣列，負(fù)責(zé)從數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲取發(fā)射信號(hào)發(fā)射，以及接收信號(hào)傳給模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換；收、發(fā)換能器陣列能通過滑動(dòng)調(diào)整收發(fā)陣列之間的距離，以適應(yīng)不同的應(yīng)用情況，衰減強(qiáng)時(shí)縮短它們之間的距離提高接收信號(hào)幅度，衰減弱時(shí)增大距離提高測(cè)量精度； 輸出模塊與處理模塊相連，用于顯示處理模塊測(cè)量的氣體顆粒濃度結(jié)果，或者將檢測(cè)結(jié)果送給其他系統(tǒng)或設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測(cè)量裝置，其特征在于所述測(cè)量腔采用吸聲材料制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測(cè)量裝置，其特征在于處理模塊主要包括數(shù)字處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中數(shù)字處理器根據(jù)操作模塊的指令產(chǎn)生各段的LFM信號(hào)傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器；另外，數(shù)字處理器從模數(shù)轉(zhuǎn)換器中獲取接收信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譜估計(jì)、濾波以及顆粒濃度測(cè)量；然后將測(cè)量的結(jié)果傳送給輸出模塊輸出；數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器充當(dāng)數(shù)字處理器和收發(fā)模塊的橋梁，將數(shù)字處理器產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換傳給收發(fā)模塊發(fā)送，從收發(fā)模塊接收信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給數(shù)字處理器處理。
專利摘要本實(shí)用新型公開了基于寬頻帶線性調(diào)頻超聲的氣體顆粒濃度測(cè)量裝置，包括操作模塊、處理模塊、收發(fā)模塊、輸出模塊和測(cè)量腔。操作模塊輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，調(diào)整收發(fā)陣列間的距離。處理模塊根據(jù)參數(shù)信息產(chǎn)生各段LFM信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成發(fā)射信號(hào)，傳送給發(fā)射換能器陣列發(fā)射。然后接收換能器陣列接收測(cè)量信號(hào)，傳送給處理模塊。處理模塊中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給數(shù)字處理器。數(shù)字處理器將各個(gè)接收換能器的接收信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)，通過濾波剔除各個(gè)換能器負(fù)責(zé)頻率范圍外的信號(hào)，再進(jìn)行顆粒濃度測(cè)量。最后將測(cè)量出來的顆粒濃度值傳送給輸出模塊輸出結(jié)果。本實(shí)用新型具有適用范圍廣，測(cè)量精度高，裝置簡(jiǎn)單，成本低廉，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N15/06GK202814843SQ20122049315
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月22日
發(fā)明者寧更新, 李堯輝, 韋崗, 曹燕 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)