專利名稱：基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣體顆粒濃度測量技術領域，具體涉及基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法與裝置。
背景技術：
近年空氣污染日益嚴重，人類生產生活中排放的有毒、有害物質嚴重影響著空氣質量。同時，人類環(huán)保意識有所提高，因此人們越來越重視對空氣質量的監(jiān)控，也就提出了對氣體中顆粒濃度測量的需求。另外，氣體顆粒濃度測量對氣候變化研究和火山檢測等領域都有廣泛的應用。目前常用的顆粒濃度測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相對大小的估值，精度低，而且只適用于燃煤煙塵排放的定性測量；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現(xiàn)，而且不能進行連續(xù)的測量。在實時在線監(jiān)測的方法中，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性，通過檢測電容量和電荷量從而測出濃度，這兩種方法受到顆粒的物理性質和氣體傳送條件影響，而且是干擾式測量；射線法指通過測量透過介質的輻射線的衰減來測量濃度，這種方法存在放射性輻射泄露的危險，因此設備貴、對操作人員要求高；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量顆粒濃度三維分布的方法，這種方法實現(xiàn)起來比較復雜。另外較為常用的光學法則是利用光的衰減和散射來測量顆粒濃度，具體包括濁度法、光脈動法和散射法等，但是光學設備精細、設備成本高，而且在高濃度顆粒測量中光的衰減非常嚴重，因此也限制了光學法在一些場景中的應用。超聲法是利用聲波在氣體中傳播，根據(jù)聲衰減、顆粒對聲的散射等效應測出顆粒濃度，超聲法穿透性比光好，適合用于高濃度顆粒測量，而且設備成本也比光學設備低，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。可是，雖然超聲有較寬的頻率范圍，但目前利用超聲測量顆粒濃度的方法中大部分利用單頻信號或者窄脈沖信號(CN201096703)，雖然窄脈沖信號有寬頻特性但它并不容易產生，而且不是頻譜等幅寬頻信號；另外即使有寬頻信號，目前的測量裝置大部分利用一個換能器，收發(fā)信號的帶寬受到換能器限制。因此目前的超聲測量方法和裝置在發(fā)揮超聲的寬頻性方面有待改善，難以較為全面測量氣體中各種粒子的濃度，不能全面測量氣體中顆粒分布。本發(fā)明基于寬頻帶LFM (線性調頻)超聲信號的氣體顆粒濃度測量方法與裝置，可以很好地解決目前技術的不足。由于本發(fā)明利用LFM信號作為測量信號以及利用換能器陣列收發(fā)，因此可以實現(xiàn)近似頻譜等幅寬頻的測量信號，并且容易產生與收發(fā)。另外，本發(fā)明的裝置利用吸聲材料，進一步提高測量的精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有基于超聲法測量氣體顆粒濃度的方法及測量裝置難以產生與收發(fā)寬帶信號的不足，提供基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法與裝置。該方法利用LFM超聲信號構造測量信號，通過對接收信號進行譜分析，根據(jù)衰減頻譜測量出氣體中各種尺寸的顆粒濃度。另外，本發(fā)明裝置利用吸聲材料提高測量精度。本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)。基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，包括如下步驟第一，利用線性調頻信號(LFM)構造測量信號，將測量信號進行數(shù)模轉換后從發(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超聲信號，得到接收信號；第三，對接收信號進行模數(shù)轉換，進而對接收信號進行譜估計，得到接收信號的衰減譜；第四，對得到的衰減譜進行分析，從頻率確定相應顆粒的線度，從該頻率的頻譜幅度根據(jù)數(shù)學建模或經(jīng)驗公式確定對應線度顆粒的濃度。 所述的線性調頻信號(LFM)信號可表示成
.、 Λ j2M{fnt+ht2)1 λ
s(t) = Ae 2 ,0<t<Tu
式中，A是信號的幅度，A為初始頻率，b為調頻系數(shù)，T是信號的時間長度，其中/pb和T確定了線性調頻信號的頻率范圍為
J0 < / < f0+br(公式 2)
根據(jù)參數(shù)控制發(fā)送信號的頻率范圍，通過配置參數(shù)，產生頻率范圍[fl，fn ]的LFM信號作為測量信號。上述基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法中，進一步的，將頻率范圍[，fn ]的LFM信號分成多段頻率[J1，/2 )、[ f2 ’ Z3 )……[I的LFM信號構造，不同探頭發(fā)不同頻率范圍的LFM信號；確定了每個頻率范圍段的起始頻率和最高頻率，從而確定每個換能器所發(fā)送的LFM信號的&、b和T。上述基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法中，進一步的，每個探頭將同一個頻率段的LFM信號發(fā)設定次數(shù)W，假設第i個換能器的初始頻率、調頻系數(shù)和信號
時間長度分別為/ω > ^和&，即
分成#等份，每一份的距離為
Δ =(公式 4)
N
其中第J等份的頻率范圍為[/V , 4 + Δ ]，/ .4 滿足/+41 = fl. + Δ ;這段頻率 對應的顆粒線度為4 =Vp/ Sx.，根據(jù)衰減譜檢測出該等份頻率的衰減幅度為- B的)，通過衰減幅度或衰減斜率換算出對應線度的顆粒濃度Wjii，最終得出[\7,丨Sn，^/ Si I線度范圍內各種顆粒的濃度。實現(xiàn)所述測量方法的測量裝置，包括操作模塊、處理模塊、收發(fā)模塊、輸出模塊和測量腔，
操作模塊與處理模塊連接，主要用于人機交互，根據(jù)應用場景選擇發(fā)射功率、等分數(shù)從各個換能器發(fā)送信號的次數(shù)w和各個換能器發(fā)射和接收所負責的頻率范圍、以及相應頻段
信號的初始頻率、調頻系數(shù)和信號時間長度分別為/ω、^和7；；
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行數(shù)據(jù)處理，通過收發(fā)模塊發(fā)出以及接收測量信號的波形和數(shù)據(jù)，對接收信號數(shù)據(jù)進行分析處理得出顆粒濃度的測量結果，將結果傳輸給輸出模塊輸出；
收發(fā)模塊與處理模塊相連，位于測量腔內，它包括發(fā)送換能器陣列和接收換能器陣列，負責從數(shù)模轉換器獲取發(fā)射信號發(fā)射，以及接收信號傳給模數(shù)轉換器轉換；收、發(fā)換能器陣列能通過滑動調整收發(fā)陣列之間的距離，以適應不同的應用情況，衰減強時縮短它們之間的距離提高接收信號幅度，衰減弱時增大距離提高測量精度；
輸出模塊與處理模塊相連，用于顯示處理模塊測量的氣體顆粒濃度結果，或者將檢測結果送給其他系統(tǒng)或設備。進一步的，所述測量腔采用吸聲材料制造。進一步的，處理模塊主要包括數(shù)字處理器、數(shù)模轉換器及模數(shù)轉換器，其中數(shù)字處理器根據(jù)操作模塊的指令產生各段的LFM信號傳送給數(shù)模轉換器；另外，數(shù)字處理器從模數(shù)轉換器中獲取接收信號的數(shù)據(jù)進行譜估計、濾波以及顆粒濃度測量；然后將測量的結果傳送給輸出模塊輸出；數(shù)模轉換器和模數(shù)轉換器充當數(shù)字處理器和收發(fā)模塊的橋梁，將數(shù)字處理器產生的信號數(shù)模轉換傳給收發(fā)模塊發(fā)送，從收發(fā)模塊接收信號進行模數(shù)轉換傳給數(shù)字處理器處理。本發(fā)明裝置的主要工作流程如下操作者通過操作模塊輸入對應的參數(shù)，調整收發(fā)陣列間的距離L。處理模塊根據(jù)參數(shù)信息產生各段LFM信號，數(shù)模轉換器轉換成發(fā)射信號，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量信號，傳送給處理模塊。處理模塊中的模數(shù)轉換器將接收信號轉換成數(shù)字信號傳給數(shù)字處理器。數(shù)字處理器將各個接收換能器的接收信號進行譜估計，通過濾波剔除各個換能器負責頻率范圍外的信號，再進行顆粒濃度測量。最后將測量出來的顆粒濃度值傳送給輸出模塊輸出結果。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明適用范圍廣，測量精度高，裝置簡單，成本低廉，使用方便。第一，本發(fā)明克服了現(xiàn)有超聲法測量顆粒濃度技術難以產生和發(fā)射寬帶信號的不足，采用LFM信號構造測量信號，利用收發(fā)換能器陣列對測量信號進行發(fā)射和接收，使測量 信號有近似等幅的幅頻特性和超寬頻的特點，通過一次測量就可以得出線度范圍相當大的各種顆粒的濃度。第二，本發(fā)明受顆粒性質和環(huán)境參數(shù)的限制小。本發(fā)明基于超聲法的基礎測量氣體顆粒濃度，因此可以測量各種化學成分的顆粒，以及適用各種環(huán)境參數(shù)的測量。第三，本發(fā)明可測量顆粒的濃度范圍寬。由于超聲的穿透性好，并且本發(fā)明的收發(fā)換能器陣列間距離可以調整，因此可以對高濃度氣體顆粒進行測量，彌補了光學方法難以測量高濃度顆粒的不足。第四，本發(fā)明測量精度高。隨著數(shù)字信號處理特別是頻譜估計、濾波技術的成熟，本發(fā)明的顆粒濃度測量可以達到較高的精度。另外，本發(fā)明的測量腔使用吸聲材料，減低了多重反射聲線到達接收換能器陣列對測量結果的影響，進一步提高精度。第五，本發(fā)明成本低廉、可行性強。本發(fā)明裝置所需的部件都是易于獲取的，相對于光學方法采用的光學設備，本裝置成本低廉。另外，本發(fā)明所采用的測量信號LFM信號容易產生，可以通過DSP用軟件產生，也可以通過硬件產生。


圖I為本發(fā)明收發(fā)模塊采用有線連接方式時的裝置示意 圖2為本發(fā)明測量腔(包括測量腔內的收發(fā)模塊部分)的正面剖面 圖3為本發(fā)明收發(fā)模塊采用無線連接方式時的裝置示意 圖4為發(fā)射測量信號的時頻 圖5為發(fā)射測量信號的頻譜示意 圖6為接收測量信號的衰減譜示意 圖7為本發(fā)明裝置的工作流程示意圖。
具體實施例方式下文結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
(裝置具體構成以及本發(fā)明裝置的工作步驟)作進一步的說明，以下僅僅為舉例，不用于限制本發(fā)明的保護范圍。圖I為實現(xiàn)上述裝置有線連接的示意圖，本裝置主要包括操作模塊110、處理模塊120、收發(fā)模塊130、輸出模塊140和測量腔150五個模塊，各個模塊按圖I的方式連接，收發(fā)模塊130置于測量腔150內。處理模塊的數(shù)字處理器121可以用DSP芯片或者ARM等實現(xiàn)；數(shù)模轉換器122和模數(shù)轉換器123也可以用DSP芯片實現(xiàn)。收發(fā)模塊中的發(fā)射換能器陣列131和接收換能器陣列132可以用數(shù)個垂直擺放的超聲波轉換器實現(xiàn)，陣列中的每個超聲波轉換器可以收發(fā)不同頻率段的超聲信號，陣列中超聲波轉換器的數(shù)目根據(jù)應用場景和測量的范圍而定。另外，收發(fā)模塊與處理模塊的連接可以采用有線和無線兩種連接方式，在采用無線連接方式時，如圖3，可以利用2. 4G射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)，一個置于測量腔內233，一個在測量腔外224。測量腔150為一個長方體,六個面用吸聲材料制作。上下底面有兩個凹槽151,上底面152制做成可以掀開，用于給收發(fā)換能器陣列滑動，調整收發(fā)之間的距離。左側蓋153和右側蓋154做成可以滑動，用于慢慢滑動封閉測量腔，以免造成太大的氣流導致腔內腔外顆粒濃度不一樣。圖2為測量腔的正面剖面圖，更清晰地呈現(xiàn)了其中各個部件(包括置于測量腔內的收發(fā)模塊部分)?；趯掝l帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，主要步驟如下第一，利用線 性調頻信號(LFM)構造測量信號，將測量信號進行數(shù)模轉換后從發(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超聲信號，得到接收信號；第三，對接收信號進行模數(shù)轉換，進而對接收信號進行譜估計，得到接收信號的衰減譜；第四，對得到的衰減譜進行分析，從頻率確定相應顆粒的線度，從該頻率的頻譜幅度根據(jù)數(shù)學建?；蚪?jīng)驗公式確定對應線度顆粒的濃度。上述方法中，所述的線性調頻信號(LFM)信號可以表示成
= a/2#(/o4fe2) 0<t<r(公式 I)
式中，A是信號的幅度，Z0為初始頻率，b為調頻系數(shù)，T是信號的時間長度，其中/pb和T確定了線性調頻信號的頻率范圍為
fQ < f< ^bT(公式 2)
所述的線性調頻信號容易產生，可以根據(jù)參數(shù)簡單控制發(fā)送信號的頻率范圍，而且具有近似矩形的幅頻特性，非常適合用于寬頻接收信號衰減譜圖的分析。因此，通過配置參
數(shù)，很容易產生頻率范圍[J1，‘]的LFM信號作為測量信號。但由于一個超聲換能器只能發(fā)送一定頻率范圍的超聲信號而不能發(fā)送很寬的頻率范圍，因此將很寬的測量信號[J1，4 ]分成多段頻率[J1, Z2 )、[ /2 , Z3 )……[I1
，/ ]的LFM信號構造，不同探頭發(fā)不同頻率范圍的LFM信號。只要確定了每個頻率范圍
段的起始頻率和最高頻率，就可以確定每個換能器所發(fā)送的LFM信號的/u、b和T。為了增加測量的精度，可以發(fā)送多段短時LFM信號，即每個探頭將同一個頻率段的LFM信號發(fā)w次，假設第i個換能器的初始頻率、調頻系數(shù)和信號時間長度分別為J0i、
和 ；，8卩[O，Ti )發(fā)一次該換能器負責的頻率段的LFM測量信號，[7； , 21 )再重新發(fā)一次……所構造的測量信號的時頻分析圖如圖4所示。所述測量信號的頻譜(各個換能器的頻譜圖的疊加)是具有近似矩形幅頻特性頻率范圍為[J1，X1 ]的頻譜，頻譜圖如圖5所示。上述方法中，所述的接收換能器陣列接收對應發(fā)送換能器陣列發(fā)送的信號，對應
是指接收換能器i接收發(fā)送換能器i發(fā)射的信號，該信號的頻率范圍為[I , O將接收 換能器陣列接收到的各段頻率范圍的信號分別做模數(shù)轉換和譜估計，得到各段頻率的衰減譜圖。若接收換能器接收到負責頻段以外的信號則用數(shù)字濾波器濾掉，將各段頻率的衰減
譜圖疊加可以得到一個頻率范圍為[&，fn ]的衰減譜圖。上述衰減譜圖中，由于超聲波測量信號在氣體傳播過程中受到氣體顆粒反射、散射、繞射等效應影響，會有相應的衰減，具體影響過程如下所述。當顆粒線度小于超聲波波長時，超聲波傳播發(fā)生繞射效應，超聲波能繞過該線度的顆粒繼續(xù)傳播。當顆粒線度大于超
聲波波長時，在氣體和顆粒的分界面超聲波會發(fā)生反射、散射和折射。假設&是入射波的
振幅，是反射波的振幅，氣體的法向聲阻抗為JT1，顆粒的法向聲阻抗為& ,根據(jù)惠更斯原理以及反射定律，反射波和折射波的振幅與兩個介質聲阻抗?jié)M足以下關系
JL·} Z-/ mZi
t = W(公式3)
一般來說，固體或液體顆粒的聲阻抗遠大于氣體聲阻抗，因此當顆粒線度大于超聲波波長時，聲波的大部分能量被反射或散射(顆粒不規(guī)則時)掉，而很少的能量能透過顆粒繼續(xù)往前傳播。當顆粒線度和超聲波波長相近時，在氣體和顆粒的分界面超聲波會同時發(fā)生反射、散射、折射和繞射的效應。假設某種顆粒的線度力I聲速為則頻率在/ = / Λ以上的超聲波都會受
到一定程度的衰減，該線度的顆粒濃度越高，衰減就越厲害。由于氣體中存在各種線度的顆粒，頻率越高波長越小的超聲波，受到不同線度顆粒的反射或散射就越多，累計的衰減就越大。接收到的衰減譜如圖6所示，其中A為接收信號的最大幅度，可以設定常數(shù)見將頻率段[Jl，/ I分成Λ/等份，每一份的距離為
Δ = —~—(公式 4)
N其中第j等份的頻率范圍為[, 4 + Δ ]，Λ,滿足/+Μ = 4+Δ。這段頻率
對應的顆粒線度為;I = Vp / Jh ,根據(jù)衰減譜檢測出該等份頻率的衰減幅度為- B料)，通過數(shù)學建?；蛳嚓P的經(jīng)驗公式可以通過衰減幅度或衰減斜率換算出對應線度的顆粒濃度％。最終可以得出[&// ，&/<]線度范圍內各種顆粒的濃度。上述方法中，#的大小可以根據(jù)實際應用情景確定，也可以根據(jù)應用需求，將等份后的某些頻率段再重新合并以測量所關心顆粒的濃度。例如，要測量PM2. 5 (大氣中直徑小
于或等于2. 5微米的顆粒物)的濃度，空氣中^為340m/s，通過公式/= v> / Λ找出其對
應頻率，即分析136MHz以上頻率的衰減，也就可以將136MHz以上的各段頻率等份合成一段再進行濃度的計算。
本實例的工作步驟如圖7所示，具體如下
步驟I :根據(jù)測量需要，選取收發(fā)換能器陣列之間的距離L，發(fā)射信號的幅度A (或發(fā)射功率)，等分數(shù)見每個換能器發(fā)射信號的次數(shù)w (沒有先驗條件的情況下可以先為這些變量賦予某些默認值)。并且確定陣列中的各個換能器負責的頻率范圍，進而確定各個換能器發(fā)
送測量信號的初始頻率/ω、調頻系數(shù)和信號時間長度。輸入操作參數(shù)，系統(tǒng)檢測操作
模塊是否有操作請求，如果有操作請求則處理模塊響應請求保存參數(shù)。應用舉例假設測量空氣中線度為IMm-IOMm的顆粒的濃度，空氣中聲波速度為
340m/s，由/= Vp/ λ得對應的頻率范圍[&，/ ]* [34MHz，340MHz]。若使用的換能器
相對帶寬為80%，則可以用三個換能器覆蓋這個頻率段，這三個換能器分別負責的頻率段可以為[30MHz，70MHz)、[70MHz，163MHz)、[163MHz，380MHz]。則可以根據(jù)這些頻率段確定每
段LFM信號的初始頻率、調頻系數(shù)^和信號時間長度Fi。步驟2 :掀開測量腔上底面，調整好收發(fā)換能器陣列的距離后重新蓋上，然后緩慢滑動裝置的左右側蓋使他們閉合，此時測量腔內成為一個封閉的測量空間。通過操作模塊輸入一個開始測量的信號。步驟3 :處理模塊收到開始測量信號則根據(jù)輸入?yún)?shù)(包括A，W，各段信號的初始頻率、調頻系數(shù)、信號時間長度)產生各段LFM信號。步驟4 :將產生的LFM信號傳送到數(shù)模轉換器，轉換成模擬信號傳送給收發(fā)模塊，收發(fā)模塊通過發(fā)送換能器陣列發(fā)送測量信號。步驟5 :接收換能器接收測量信號，將信號傳送給模數(shù)轉換器，模數(shù)轉換器將轉換后的頻率傳送給數(shù)字信號處理器處理。步驟6 :數(shù)字信號處理器將各個接收換能器的接收信號進行譜估計，并對各個估計譜用帶通濾波器濾掉該換能器負責頻率范圍外的信號。步驟7 :將濾波后的各個估計譜疊加，得到總的衰減譜，并根據(jù)前面所述方法將衰減譜分成#等份，根據(jù)應用需求找出對應的頻段及其幅度衰減用經(jīng)驗公式換算出對應線度顆粒的濃度，進而確定各種顆粒的線度和對應濃度。
步驟8 :將顆粒濃度的測量結果(包括線度和對應濃度)傳送給輸出模塊，輸出模塊
將結果輸出。
權利要求
1.基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，其特征在于包括如下步驟第一，利用線性調頻信號(LFM)構造測量信號，將測量信號進行數(shù)模轉換后從發(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超聲信號，得到接收信號；第三，對接收信號進行模數(shù)轉換，進而對接收信號進行譜估計，得到接收信號的衰減譜；第四，對得到的衰減譜進行分析，從頻率確定相應顆粒的線度，從該頻率的頻譜幅度根據(jù)數(shù)學建?；蚪?jīng)驗公式確定對應線度顆粒的濃度。
2.根據(jù)權利要求I所述基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，其特征在于所述的線性調頻信號(LFM)信號可表示成
3.根據(jù)權利要求2所述基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，其特征在于將頻率范圍[&，fn ]的LFM信號分成多段頻率[, /2 )、[ /2 , /;)……[Zn4 , fn]的LFM信號構造，不同探頭發(fā)不同頻率范圍的LFM信號；確定了每個頻率范圍段的起始頻率和最高頻率，從而確定每個換能器所發(fā)送的LFM信號的&、b和T。
4.根據(jù)權利要求3所述基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，其特征在于每個探頭將同一個頻率段的LFM信號發(fā)設定次數(shù)W，假設第i個換能器的初始頻率、調頻系數(shù)和信號時間長度分別為/K、^和&，即[O，Γ )發(fā)一次該換能器負責的頻率段的LFM測量信號，[ ]，2$ )再重新發(fā)一次，依次規(guī)律發(fā)出w次。
5.根據(jù)權利要求I所述基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，其特征在于所述的接收換能器陣列接收對應發(fā)送換能器陣列發(fā)送的信號，對應是指接收換能器i接收發(fā)送換能器i發(fā)射的信號，該信號的頻率范圍為[Si ,叾+1);將接收換能器陣列接收到的各段頻率范圍的信號分別做模數(shù)轉換和譜估計，得到各段頻率的衰減譜圖。
6.根據(jù)權利要求I所述基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法，其特征在于接收信號的衰減譜中，A為接收信號的最大幅度，設定常數(shù)見將頻率段[i / ]分成#等份，每一份的距離為
7.實現(xiàn)權利要求I飛任一項所述測量方法的測量裝置，其特征在于包括操作模塊、處理模塊、收發(fā)模塊、輸出模塊和測量腔，操作模塊與處理模塊連接，主要用于人機交互，根據(jù)應用場景選擇發(fā)射功率、等分數(shù)從各個換能器發(fā)送信號的次數(shù)w和各個換能器發(fā)射和接收所負責的頻率范圍、以及相應頻段信號的初始頻率、調頻系數(shù)和信號時間長度分別為/κ、^和:Tj ； 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行數(shù)據(jù)處理，通過收發(fā)模塊發(fā)出以及接收測量信號的波形和數(shù)據(jù)，對接收信號數(shù)據(jù)進行分析處理得出顆粒濃度的測量結果，將結果傳輸給輸出模塊輸出； 收發(fā)模塊與處理模塊相連，位于測量腔內，它包括發(fā)送換能器陣列和接收換能器陣列，負責從數(shù)模轉換器獲取發(fā)射信號發(fā)射，以及接收信號傳給模數(shù)轉換器轉換；收、發(fā)換能器陣列能通過滑動調整收發(fā)陣列之間的距離，以適應不同的應用情況，衰減強時縮短它們之間的距離提高接收信號幅度，衰減弱時增大距離提高測量精度； 輸出模塊與處理模塊相連，用于顯示處理模塊測量的氣體顆粒濃度結果，或者將檢測結果送給其他系統(tǒng)或設備。
8.根據(jù)權利要求7所述的測量裝置，其特征在于所述測量腔采用吸聲材料制造。
9.根據(jù)權利要求7所述的測量裝置，其特征在于處理模塊主要包括數(shù)字處理器、數(shù)模轉換器及模數(shù)轉換器，其中數(shù)字處理器根據(jù)操作模塊的指令產生各段的LFM信號傳送給數(shù)模轉換器；另外，數(shù)字處理器從模數(shù)轉換器中獲取接收信號的數(shù)據(jù)進行譜估計、濾波以及顆粒濃度測量；然后將測量的結果傳送給輸出模塊輸出；數(shù)模轉換器和模數(shù)轉換器充當數(shù)字處理器和收發(fā)模塊的橋梁，將數(shù)字處理器產生的信號數(shù)模轉換傳給收發(fā)模塊發(fā)送，從收發(fā)模塊接收信號進行模數(shù)轉換傳給數(shù)字處理器處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于寬頻帶線性調頻超聲的氣體顆粒濃度測量方法與裝置，測量方法包括利用線性調頻信號(LFM)構造測量信號，將測量信號進行數(shù)模轉換后從發(fā)射超聲換能器陣列發(fā)射出去；接收超聲換能器陣列檢測超聲信號，得到接收信號；對接收信號進行模數(shù)轉換，進而對接收信號進行譜估計，得到接收信號的衰減譜；對得到的衰減譜進行分析，從頻率確定相應顆粒的線度，從該頻率的頻譜幅度根據(jù)數(shù)學建?；蚪?jīng)驗公式確定對應線度顆粒的濃度。實現(xiàn)所述方法的裝置包括操作模塊、處理模塊、收發(fā)模塊、輸出模塊和測量腔。本發(fā)明具有適用范圍廣，測量精度高，裝置簡單，成本低廉，使用方便等優(yōu)點。
文檔編號G01N15/06GK102879309SQ201210356848
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月22日 優(yōu)先權日2012年9月22日
發(fā)明者寧更新, 李堯輝, 韋崗, 曹燕 申請人:華南理工大學