[发明专利]一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法

说明书

本发明公开了一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法，包括：对于不同种类的混合气体，计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，所有种类混合气体的声速有效探测区域构成最终的声速有效探测区域；计算待测气体的声速谱线拐点；在最终的声速有效探测区域定位待测气体声速谱线拐点，分析得到待测气体成分。本发明通过声速谱线的拐点坐标和声速的有效探测区域来定性确定气体成分，可以仅需要测量声速值就能确定气体浓度组成，有效的避免了声吸收系数的测量，减小了测量误差和降低了设备投入成本，是一种更加高效廉价的气体探测方法。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法。

背景技术

目前能够检测气体成分的传感技术主要有：化学反应、半导体、气相色谱法和红外光谱吸收、吸热导等技术，但这些技术存在各自的优缺点。基于声谱的气体传感器技术，原理是利用不同频率的声吸收和声速频散谱线具有随气体成分改变而改变的特性，从而可以直接获得气体分子结构信息的突出优势，能够检测出混合气体的不同种类和浓度，是目前新兴的最有潜力的气体传感器技术之一。在环境监测、气体排放、工业过程等领域具有广泛的应用前景。

2012年，Petculescu等人提出了利用整条声吸收谱线来探测气体成分的方法。该方法成立是基于混合气体中声传播谱线因气体组成不同而产生较大差异的事实，需要测量完整的声吸收谱线。但实际情况中获取整个宽频率范围内的声传播谱存在较大困难，需要改变腔体压强来获得对应的频率，此外还需要测量气体密度，会导致设备昂贵复杂且不满足实时探测需求，因此该探测方法不适合大规模推广。

2014年，胡轶提出了基于声弛豫特征点建立有效探测域来探测混合气体组成的方法，第一次将具体的声传播值应用于气体传感设计中，为声学传感器的设计提供理论指导。该探测方法需要测量两个频率点处的声衰减系数和声速值，而声衰减系数通常数值很小，需要放大电路导致投入增加，设备成本比较高且可能存在较大的测量误差和计算误差，不适合工业大规模推广。

综上，现有的探测气体成分的方法，需要测量参数多、测量成本高、测量误差大，不适合大规模推广。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法，本发明可以仅需要测量声速值就能确定气体浓度组成，有效的避免了声吸收系数的测量，减小了测量误差和降低了设备投入成本，是一种更加高效廉价的气体探测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于声速谱线的拐点探测气体成分的方法，该方法包括以下步骤：

S1.对于不同种类的混合气体，计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，所有种类混合气体的声速有效探测区域构成最终的声速有效探测区域；

S2.计算待测气体的声速谱线拐点；

S3.在最终的声速有效探测区域定位待测气体声速谱线拐点，分析得到待测气体成分。

具体地，声速谱线表达式如下：

其中，c_s表示弛豫声速，ε表示弛豫强度，τ表示弛豫时间，ω＝2πf表示声波角频率，f表示超声波传感器的工作频率；c_S(∞)表示最大声速值。

具体地，步骤S1中所述计算每种混合气体在不同环境温度、不同浓度比例的情形下的声速谱线拐点，该混合气体在所有情形下的拐点构成该混合气体的声速有效探测区域，具体包括：