[发明专利]一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法

说明书

本发明公开了一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法。方法包括如下步骤：S1：推导出弛豫强度ε和弛豫时间τ关于声波角频率ω、声速c和声弛豫吸收系数值α_r的相关公式；S2：绘制气体浓度百分比分别和弛豫强度和弛豫时间的倒数的相关曲线；S3：点频超声波换能器检测待测混合物在两个频率点获得其声学特性值，并根据相关公式，得到气体的弛豫强度和弛豫时间的倒数，并在步骤S2得到的对应相关曲线上找到对应的浓度百分比。本发明提出利用两个简单的特征参数就实现了有效的实时的气体探测，准确的检测出混合气体中各气体的浓度百分比，实现了基于这两个特征参数的气体组分的定量探测，提供了更加便捷、更加有效、实用性更强的声学气体传感方法。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法。

背景技术

混合气体中气体组分的定量探测一直是声学传感领域的研究热点。例如，甲烷气体是天然气的主要成分，具有重要的经济和工业价值，其在天然气中的浓度比例直接决定了天然气的燃烧性能。现有的气体监控技术，例如气相色谱分析，质谱分析，电化学检测等技术，测试时需要使用体积巨大且价格昂贵的设备，响应较慢，或者需要不断校准。而基于超声波传感器的声学气体传感技术，具备快速、有效、简单、实时且低成本的优势，为天然气的实时监控提供了可靠途径。

基于声弛豫吸收谱线的气体传感器技术，原理是基于不同频率的声速频散曲线与声吸收谱线随气体成分改变而变化的特性，由此能够获得可激发气体中决定声弛豫现象的分子结构信息，检测出混合气体中的不同种类和浓度。是目前最有潜力的声学气体传感技术之一，在工业过程控制，大气成分检测，智能系统等应用中获得了广泛的关注。传统的基于声谱的气体传感方法，主要是通过分析声弛豫吸收谱线在不同气体种类和浓度影响下的变化趋势，进而提取气体信息，但是使用时涉及到整条谱线的测量和区分，削弱了气体探测实际应用中的灵活性和准确性。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种更加便捷、更加有效、实用性更强的用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法。

本发明的一种用于检测混合气体的浓度比的声学传感方法，方法包括如下步骤：

S1：推导出弛豫强度ε和弛豫时间τ关于声波角频率ω、声速c和声弛豫吸收系数值α_r的相关公式；

S2：改变混合气体中一种或两种气体占混合气体的浓度百分比，利用点频超声波换能器检测混合物在两个频率点的声学特性值声速c和声弛豫吸收系数值α_r，并通过步骤S1得到的相关公式，直接得到对应气体的弛豫强度和弛豫时间，并绘制气体浓度百分比分别和弛豫强度和弛豫时间的倒数的相关曲线；

S3：利用超声波换能器检测待测混合物在两个频率点获得其声学特性值，并通过步骤S1得到的相关公式，得到对应气体的弛豫强度和弛豫时间的倒数，并在步骤S2得到的对应相关曲线上找到对应的浓度百分比，即得到各气体占混合气体的浓度比。

进一步的，相关公式的推导过程如下：

其中ω表示声波角频率，c是声速，α_r是声学弛豫吸收系数，ρ₀和p₀分别表示平衡状态的气体密度和压强，是分子弛豫的有效比热容，R是通用的气体常数，频率依赖的声弛豫吸收描述了气体弛豫过程，确定为如下表达式：

有效比热容用复数形式表示为由此，

对上述的求取平方，得到，

从而，声弛豫吸收谱的通用表示形式为：