CN101813673B - 检测微量二元混合气体浓度的声学信号处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测微量二元混合气体浓度的声学信号处理装置及方法，DSP数字信号处理器控制CPLD可编程逻辑器件产生伪随机相位编码脉冲信号，该信号分两路由两个超声波发射换能器转换为超声波信号同时发射，超声波信号分别经过一测量腔内的纯净气体和另一测量腔内的二元混合气体传递，由A/D转换器将模拟连续信号转变为数字离散信号，经DSP数字信号处理器采用数字信号处理算法进行处理，根据气体浓度与相位差的公式计算出二元混合气体的浓度。本发明结构简单易实施，伪随机信号同时具有高的时间和带宽积，将粗测时延和精测相位相结合，获得无模糊的相位精确测量结果，提高了微量二元混合气体浓度的测量精度。

Description

检测微量二元混合气体浓度的声学信号处理装置及方法

技术领域

本发明属于气体检测与信号处理技术领域，涉及气体浓度电子检测，尤其涉及微量二元混合气体浓度的电子检测。

背景技术

目前，微量二元混合气体浓度检测一般采用光谱仪等设备，但测量代价高，不能得到普遍应用。专利号为ZL200510037936.2、名称为“测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测量方法”的专利是由同步发射的超声波分别经两条等距通道到达接收端，一个通道是微量sf₆与空气混合气体；另一条通道是空气作为参比，在接收端测量两个接收信号的相位差和声音传播时间，代入公式计算获得sf₆气体浓度值，该测量方法免除了因环境温度的变化而需要进行的声速的补偿，简化了测量过程，但该测量方法的缺陷是：1、处理信号采用计数器测量相位和时间，测量精度受限于采样时间间隔，容易受到干扰；2、采用连续波信号或者长短脉冲信号，检测精度低；3、为避免相位模糊，两个通道的信号相位差被限制在360度以内，可以选择的测量装置的长度和超声波频率都有限制，也使测量精度受到影响。

由于声学检测微量二元混合气体浓度的精度主要是由相位测量精度和传播时间测量精度决定的，所以提高相位测量精度，需要采用窄带长脉冲信号，提高传播时间测量精度，需要宽带短脉冲信号，对目前的普通信号测量，要求采用信号持续时间更长，带宽更宽的方法是矛盾且难以实现的。

发明内容

本发明的目的为克服现有技术的缺陷而提出一种精确测量微量二元混合气体浓度的声学信号处理装置及方法，利用气体中声速与二元混合气体浓度的关系快速测定微量二元混合气体浓度。

本发明处理装置采用的技术方案是：由工作头部分、模拟电路部分、数字电路部分连接组成，工作头部分包括具有纯净气体b的第一测量腔和具有待测微量气体a和纯净气体b构成的二元混合气体的第二测量腔，第一测量腔的内腔两端分别设有第一超声波发射换能器和第一超声波接收换能器，第二测量腔的内腔两端分别设有第二超声波发射换能器和第二超声波接收换能器，第一发超声波射换能器与第一超声波接收换能器之间的间距等于第二超声波发射换能器与第二超声波接收换能器之间的间距，模拟电路部分具有第一、第二发射放大电路，第一发射放大电路输出经第一发射匹配电路连接至第一超声波发射换能器，第二发射放大电路输出经第二发射匹配电路连接至第二超声波发射换能器；第一超声波接收换能器的输出依次串接第一接收匹配电路、第一接收前置放大电路和第一低通滤波器，第二超声波接收换能器的输出依次串接第二接收匹配电路、第二接收前置放大电路和第二低通滤波器；第三低通滤波器的输出分别连接第一、第二发射放大电路；所述数字电路部分包括外接FLASH闪存芯片、通讯串口和RAM芯片的DSP数字信号处理器以及CPLD可编程逻辑器件、第一、第二A/D模数转换器，第一低通滤波器输出通过第一A/D模数转换器连接DSP数字信号处理器，第二低通滤波器输出通过第二A/D模数转换器连接DSP数字信号处理器；DSP数字信号处理器输出经CPLD可编程逻辑器件连接第三低通滤波器。

本发明处理方法采用的技术方案是：包括DSP数字信号处理器控制CPLD可编程逻辑器件产生伪随机相位编码脉冲信号，信号经低通滤波器分两路分别通过发射放大电路和发射匹配电路经由两个超声波发射换能器转换为超声波信号同时发射；超声波信号分别经过一测量腔内的纯净气体和另一测量腔内的二元混合气体传递，将接收换能器获得两个信号放大、低通滤波处理后，由A/D模数转换器将模拟连续信号转变为数字离散信号，经DSP数字信号处理器采用数字信号处理算法进行处理，根据气体浓度与相位差的公式计算出二元混合气体的浓度。

本发明装置结构简单易实施，将声学宽带伪随机码相位调制信号作为发射信号，采用伪随机码对超声波信号相位编码形成发射脉冲，伪随机信号同时具有高的时间和带宽积，符合提高精度对信号的要求；接收处理采用了频域补零、时延估计、复解调和匹配滤波信号处理方法，将粗测时延和精测相位相结合，克服粗略测量精度低和精确测量相位模糊的各自缺点，获得无模糊的相位精确测量结果，提高了微量二元混合气体浓度的测量精度。是一种成本低廉，可以迅速获得微量二元混合气体浓度检测结果的有效方法。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为微量二元混和气体浓度声学信号处理装置连接示意图。

图2为图1发射的伪随机码编码与波形。

图3是声学信号处理方法的流程图。

具体实施方式

如图1，微量二元混和气体浓度声学测量装置由工作头部分17、模拟电路部分23、数字电路部分28三部分连接组成，这三部分分别见图1中的三个虚线方框。其中，工作头部分17包括两个测量腔2和16，测量腔2内是纯净气体b，另一个测量腔16内是待测微量气体a和纯净气体b构成的二元混合气体。测量腔2的内腔两端分别设有一个超声波发射换能器3和超声波接收换能器13，测量腔16的内腔两端分别设有一个超声波发射换能器18和超声波接收换能器14。发射换能器3与接收换能器13之间的间距等于发射换能器18与接收换能器14之间的间距。

模拟电路部分23除去上述两对超声波发射换能器3、18和接收换能器13、14外，还包括发射电路部分和接收电路部分，发射电路部分有发射匹配电路4和19、发射放大电路7和24、低通滤波器26组成，其中，低通滤波器26的输出分别连接发射放大电路7和24，发射放大电路7的输出通过发射匹配电路4后连接至超声波发射换能器3，发射放大电路24的输出通过发射匹配电路19后连接至超声波发射换能器18。接收电路部分具有接收匹配电路5和20、接收前置放大电路6和22、低通滤波器8和25，超声波接收换能器13的输出依次串接接收匹配电路5、接收前置放大电路6和低通滤波器8；接收换能器14的输出依次串接接收匹配电路20、接收前置放大电路22和低通滤波器25。

数字电路部分28包括A/D模数转换器9和27、DSP数字信号处理器11、CPLD可编程逻辑器件10、FLASH闪存芯片29、RAM芯片30和通讯串口12，其中，低通滤波器8的输出经A/D模数转换器9后连接DSP数字信号处理器11，低通滤波器25的输出经A/D模数转换器27后连接DSP数字信号处理器11，DSP数字信号处理器11的输出经CPLD可编程逻辑器件10后连接低通滤波器26。DSP数字信号处理器11分别外接FLASH闪存芯片29、通讯串口12和RAM芯片30。

测量装置的工作过程为：DSP数字信号处理器11控制CPLD可编程逻辑器件10产生伪随机相位编码脉冲信号，信号通过低通滤波器26滤除高次谐波，分两路分别通过发射放大电路7、24和发射匹配电路4、19经由两个发射换能器3和18转换为超声波信号同时发射出去。超声波分别经过测量腔2内的纯净气体b和测量腔16内纯净气体b与待测微量气体a构成的二元混合气体，由于超声波在这两种气体介质中传递的速度有差异，这个差异与二元混合气体的浓度有关。结果从发射换能器3和18同时发出的超声信号分别到达两个接收换能器13和14的时间有前后，接收换能器13和14获得的电信号有相位差。两个电信号分别经放大、低通滤波处理后，由A/D转换器9和27将模拟连续信号转变为数字离散信号，经DSP数字信号处理器11采用数字信号处理算法进行数字信号处理，将粗略的时延估计算法和有模糊的相位精确测量算法两者结合，获得无模糊的相位测量，然后根据气体浓度与相位差的公式，计算出二元混合气体的浓度。

上述CPLD可编程逻辑器件10产生伪随机相位编码脉冲信号，其伪随机码相位编码如图2所示，例如，数字序列“1 -1 -1 1 -1 1 1 -1”，共8个码元，一个码元4个波形。超声信号频率是25kHz，信号频率可以根据需要选择，根据实际情况，选择使用不同的伪随机码。

DSP数字信号处理器11采用的数字信号处理算法主要是估计相位差，然后将相位差带入公式求浓度。其中，估计相位差的算法分粗测、精测、结合粗测与精测处理三个过程。粗侧相位差的过程是通过两路信号的互相关曲线求时延。如图3，求两路输入的互相关曲线采取如下步骤：

步骤31：对测量腔2内纯净气体b接收采样数据；

步骤33：进行快速FFT傅立叶变换；

步骤35：进行频域5倍补零；

步骤32：对测量腔16内待测微量气体a和纯净气体b组成的混合气体接收采样数据；

步骤34：进行快速FFT傅立叶变换；

步骤36：然后进行频域5倍补零；

步骤37：再取共轭；

步骤38：将步骤35的频域5倍补零与步骤37的取共轭相乘获得互功率谱；

步骤39：进行IFFT反傅立叶变换获得互相关曲线；

步骤40：寻找互相关曲线的峰值获得时延，

步骤41：将时延值转换为相位值，这个相位值比较接近真实值，但是很粗糙，精度很低。

精测相位差的算法步骤：

步骤42：对测量腔2内纯净气体b接收采样数据，经带通滤波，为抽取做准备；

步骤44：抽取，减低采样频率；

步骤46：然后进行数字解调，将信号搬移到基带；

步骤48：匹配滤波，提高信噪比；

步骤50：寻找峰值，将复数转换为相角表示；

步骤43：对测量腔16内的混合气体接收采样数据，经带通滤波，为抽取做准备；

步骤45：抽取，减低采样频率；

步骤47：进行数字解调，将信号搬移到基带；

步骤49：匹配滤波，提高信噪比；

步骤51：寻找峰值，将复数转换为相角表示；

步骤52：将步骤50的相角与步骤51的相角相减获得相位差，这个相位差为精确的相位差，但存在360度模糊；

步骤53：列举可能的相位值，可能的相位值相差整数倍个360度。

结合粗测和精测的算法步骤为：

步骤57：结合上述粗测和精测的结果，精测的相位差加减整数倍个360度是可能的相位差值，这样得到一系列的相位值，寻找最接近粗测相位的相位值；

步骤58：获得无模糊精测相位；

步骤59：根据关系公式计算气体浓度，将步骤54的伪随机码相位调制信号采样波形与从发射时刻开始接收的测量腔2内纯净气体b信号采样数据，按步骤55做时域相关处理，根据相关曲线峰值位置获得声音在测量腔2内的传播时间t，步骤56；将步骤58获得无模糊精测相位差θ和传播时间t代入相位差、传播时间和气体浓度的关系式，求所测气体在二元混合气体中的浓度，该关系式为：

n是气体a的浓度，1-n是气体b的浓度，f是超声波信号载波频率，t是超声脉冲在测量腔2中从发射换能器3、18到接收换能器13、14的传播时间，M是摩尔气体质量。

Claims (3)

1.一种检测微量二元混合气体浓度的声学信号处理装置，由工作头部分(17)、模拟电路部分(23)、数字电路部分(28)连接组成，工作头部分(17)包括具有纯净气体b的第一测量腔(2)和具有待测微量气体a和纯净气体b构成的二元混合气体的第二测量腔(16)，第一测量腔(2)的内腔两端分别设有第一超声波发射换能器(3)和第一超声波接收换能器(13)，第二测量腔(16)的内腔两端分别设有第二超声波发射换能器(18)和第二超声波接收换能器(14)，第一超声波发射换能器(3)与第一超声波接收换能器(13)之间的间距等于第二超声波发射换能器(18)与第二超声波接收换能器(14)之间的间距，其特征是：所述模拟电路部分(23)具有第一、第二发射放大电路(7、24)，第一发射放大电路(7)输出经第一发射匹配电路(4)连接至第一超声波发射换能器(3)，第二发射放大电路(24)输出经第二发射匹配电路(19)连接至第二超声波发射换能器(18)；第一超声波接收换能器(13)的输出依次串接第一接收匹配电路(5)、第一接收前置放大电路(6)和第一低通滤波器(8)，第二超声波接收换能器(14)的输出依次串接第二接收匹配电路(20)、第二接收前置放大电路(22)和第二低通滤波器(25)；第三低通滤波器(26)的输出分别连接第一、第二发射放大电路(7、24)；所述数字电路部分(28)包括外接FLASH闪存芯片(29)、通讯串口(12)和RAM芯片(30)的DSP数字信号处理器(11)以及CPLD可编程逻辑器件(10)、第一、第二A/D模数转换器(9、27)；第一低通滤波器(8)输出通过第一A/D模数转换器(9)连接DSP数字信号处理器(11)，第二低通滤波器(25)输出通过第二A/D模数转换器(27)连接DSP数字信号处理器(11)；DSP数字信号处理器(11)输出经CPLD可编程逻辑器件(10)连接第三低通滤波器(26)。

2.一种检测微量二元混合气体浓度的声学信号处理方法，其特征是包括如下步骤：

1)DSP数字信号处理器(11)控制CPLD可编程逻辑器件(10)产生伪随机相位编码脉冲信号，该信号经低通滤波器(26)分两路分别通过第一、第二发射放大电路(7、24)和第一、第二发射匹配电路(4、19)经由第一、第二超声波发射换能器(3、18)转换为超声波信号同时发射；

2)超声波信号分别经过第一测量腔(2)内的纯净气体b和第二测量腔(16)内的由待测微量气体a和纯净气体b构成的二元混合气体传递，将第一、第二超声波接收换能器(13、14)获得两个信号放大、低通滤波处理后，由第一、第二A/D模数转换器(9、27)将模拟连续信号转变为数字离散信号，经DSP数字信号处理器(11)采用数字信号处理算法进行处理，根据气体浓度与相位差的公式计算出二元混合气体的浓度；

所述DSP数字信号处理器(11)采用数字信号处理算法包括粗测、精测、结合粗测与精测相位差；所述粗测相位差步骤为：对第一测量腔(2)内纯净气体b接收采样数据；进行快速FFT傅立叶变换；进行频域5倍补零；对第二测量腔(16)内二元混合气体接收采样数据；进行快速FFT傅立叶变换；进行频域5倍补零；取共轭；将第一测量腔(2)的频域5倍补零与共轭相乘获得互功率谱；进行IFFT反傅立叶变换获得互相关曲线；寻找互相关曲线的峰值获得时延，将时延值转换为相位值；

所述精测相位差步骤为：对第一测量腔(2)内纯净气体b接收采样数据，经带通滤波，抽取，数字解调，匹配滤波，寻找峰值，将复数转换为相角表示；对第二测量腔(16)内的二元混合气体接收采样数据，经带通滤波，抽取，数字解调，匹配滤波，寻找峰值，将复数转换为相角表示；将第一测量腔(2)的相角与第二测量腔(16)的相角相减获得相位差；

所述结合粗测与精测相位差步骤为：

将精测的相位差加减整数倍个360度得到一系列相位值，寻找最接近粗测的相位值获得无模糊精测相位差θ；

所述气体浓度与相位差θ的公式为：

n是待测微量气体a的浓度，1-n是纯净气体b的浓度，f是超声波信号载波频率，t是超声波信号在第一测量腔(2)中从第一超声波发射换能器(3)到第一超声波接收换能器(13)的传播时间，M_a是待测微量气体a的摩尔质量，M_b是纯净气体b的摩尔质量。

3.根据权利要求2所述的检测微量二元混合气体浓度的声学信号处理方法，其特征：所述伪随机相位编码脉冲信号的伪随机码相位编码共8个码元，一个码元4个波形。

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