[发明专利]微电荷颗粒物感应仪器的数字信号处理方法及电路

权利要求书

1.一种微电荷颗粒物感应仪器的数字信号处理方法，其特征在于，该方法包括：

A、根据微电荷感应原理，求得微电荷颗粒物从探头旁飞过时在探头微分单元上产生的感应电流i_I，s，然后再利用所述感应电流i_I，s的计算公式求得所述颗粒物与探头周围空间形成的信号过滤器的有限冲击响应FIR函数，并推导得出包含所述颗粒物流动信息的公式h_I，s(t)，然后利用软件模拟器，建立不同流速下所述微电荷颗粒物的信号功率谱数据库；

B、在颗粒物感应仪器中，利用植入的信号功率谱数据库和频谱匹配算法计算出所述颗粒物数量流量密度，然后对待测区域内的颗粒物整体流速和数量流量进行估算；

其中，步骤A所述计算微电荷颗粒物从探头旁飞过时在探头微分单元上产生的感应电流i_I，s的公式为：

其中：A、B均为与探头几何形状有关的函数：

对于棒状探头：A＝x，B＝x²+(u-y)²，

对于环形探头：A＝0.5D-r·cos(θ)，B＝(0.5D)²+r²-D·r·cos(θ)；

i_I，s为探头微分单元上产生的感应电流；Q_c为一个颗粒物所带电荷；

v为颗粒物飞行速度；t为以颗粒物经过轴向坐标原点时为零点的时间，而轴向坐标原点在探头轴向中心的横截面上；w为探头的轴向宽度；x为颗粒物与棒状探头的垂直距离；y为颗粒物的以探头根部为原点的径向位置；u为小段探头单元的以探头根部为原点的径向位置；D为环形探头的直径；r为颗粒物与圆心的距离；θ为以圆心为中心，颗粒物与探头微分单元的夹角；

其中，步骤A所述利用所述感应电流i_I，s的计算公式进一步求得所述颗粒物 与探头周围空间形成的信号过滤器的有限冲击响应FIR函数、并推导得出包含所述颗粒物流动信息的公式h_I，s(t)如下：

其中：A、B均为与探头几何形状有关的函数：

对于棒状探头：A＝x，B＝x²+(u-y)²，

对于环形探头：A＝0.5D-r·cos(θ)，B＝(0.5D)²+r²-D·r·cos(θ)；

v为颗粒物飞行速度；t为以颗粒物经过轴向坐标原点时为零点的时间，而轴向坐标原点在探头轴向中心的横截面上；w为探头的轴向宽度；

其中，步骤A所述建立不同流速下所述微电荷颗粒物的信号功率谱数据库的步骤为：

A1、沿管道径向，依据离探头的远近将管道内的空间均匀划分为若干层；

A2、设定一个基准的颗粒物数量流量密度M；其中，M为颗粒物的数量流量与所述管道截面积的比值；

A3、设定一个颗粒物的整体平均流速v_avg和流速的标准差σ_v；

A4、根据步骤A1中划分的每层厚度，计算每层的数量流量，并设每层中颗粒物穿过探头所在横截面的数量为呈泊松分布的随机函数，取时间段Δt，使Δt内最多有一个颗粒物经过横截面；

A5、对于每一个时间段Δt，根据泊松分布的概率来随机确定颗粒物是否在本段时间段存在；对于每一个颗粒物，依据步骤A3设定的平均流速和流速的标准差σ_v，通过正态分布来随机产生一个流速，并依据所述感应电流i_I，s的公式或其积分形式计算该颗粒物在探头上产生的电流；

A6、在全部模拟时间0-t内重复步骤A5，对所有的结果进行叠加，得到本层内的颗粒物在时间0-t内产生的电流随时间的函数；

A7、对于所有的空间层内重复步骤A4到A6，对所有的结果进行叠加，得到探头周围有效空间内的所有颗粒物在时间0-t内产生的总电流随时间变化的 函数；

A8、对步骤A7的结果进行傅立叶变换，得到模拟结果的功率谱；

A9、对于欲统计的流速范围内以一定流速差为间隔的所有流速，重复步骤A3到A8，即可得到与流速对应的功率谱数据库；其中，所述流速差间隔由计算精度要求来确定；

A10、调整数据库中的每个功率谱的数据点间隔，使其与目标仪器的精度要求和计算能力相吻合；再对每个功率谱进行均一化处理，使其在带宽内的积分为1，同时在数据库内记录均一化处理所用的比例系数R_m；

其中，步骤B所述计算所述颗粒物数量流量密度的过程为：

B1、对信号进行采样，使采样带宽不低于空间过滤效应的最高截止频率；

B2、对信号样品进行快速傅立叶变换FFT，并对变换后的频谱进行均一化处理，并记录均一化比例系数R_s；

B3、利用交叉相关法对样品频谱和所述功率谱数据库内的频谱进行逐一匹配，找到相关系数最大的频谱和与之对应的流速；

B4、利用当前均一化比例系数R_s和数据库中匹配的均一化比例系数R_m来估算当前信号总功率P_s和数据库中基准信号总功率P之比P_s/P＝R_s/R_m；并以当前颗粒物数量流量Ms和模拟条件下基准颗粒物数量流量M建立比例关系M_s/M＝P_s/P＝R_s/R_m，从而估算出当前颗粒物数量流量密度。