CN103712652B - 基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于声学传感器的环境状态监测技术领域的一种基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置。该装置为在被测区域周围均匀地布置若干个声学传感器，声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关、声波发射端多路开关分别连接发射端功率放大装置、相位检测模块和单片机；声波接收端多路开关分别连接接收端功率放大装置、双选开关和单片机。通过若干个声学传感器测量声波在混合气体中的传播时间和衰减，计算出该截面内声速分布和声衰减分布，重建出混合气体的温度场、速度场及浓度场。本发明可应用于生产和生活的多个领域，如燃烧区域温度、浓度测量、危险气体监测，微量有毒气体检测，气体分离和混合过程监测等。

Description

基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置

技术领域

本发明属于声学传感器的环境状态监测技术领域，特别涉及一种基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置。具体涉及二维空间中混合气体温度场、浓度场及速度场同时测量技术。

背景技术

随着电子科学、材料技术和集成电路的飞速发展和日益成熟，混合气体的温度和浓度监测已经成为燃烧诊断优化、空气质量监测、火灾探测、生物工程以及航空航天等领域中必不可少的测量对象。目前大多数的检测手段都是将空间区域的温度和浓度分开测量，而温度和浓度这两个参数一般都是耦合地影响着系统的各个运行参数，若能同时得到这两者信息，那么对系统更加精确的了解会起到非常大的作用。

在声学传感技术方面，由于独特优点和广泛的应用前景，使得利用声波定量检测混合气体热力学特性和分子特性成为当前气体传感技术领域的研究热点。早在上个世纪80年代，就有国外学者将声速应用于测量气体温度的领域。本世纪初，国外的研究人员提出利用声速变化监测二元混合气体成分的方法，其中Polturak和Tinge等人的研究都表明这种仅用声速监测二元混合气体的方法有很高的精度。美国西北大学的Lueptow教授领导的研究小组在2001年提出精确测量与声波频率相关的声衰减和声速可以定量地监测不同环境和过程中的气体成分。该小组提出经过实验验证的DL(由Dain和Lueptow两名学者提出)模型，一些常见的气体包括N₂、CH₄、H₂、O₂和CO₂的浓度都可以用该模型测量。在2005年，该小组的成员Petculescu采用参与碰撞过程的两个分子的全用部成对振动跃迁概率来描述分子平动能量和振动能量的交换，进而修正和完善了DL模型，使得该模型预测结果和实验数据更加吻合。

在声学法实验仪器方面，目前国外已有的设备大多数都是单路径收发，只能实现恒温、混合均匀、静止的气体温度和浓度测量。据不完全了解，利用声学法同时重建空间混合气体的浓度分布、温度场和流场尚无报道。本发明通过测量声波在混合气体中传播时的速度和衰减，反演出混合气体所处的状态，即温度、流场及浓度组成。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置，其特征在于，所述多物理场的装置的组成为在被测区域周围布置均匀地布置若干个声学传感器，声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关、声波发射端多路开关分别连接发射端功率放大装置、相位检测模块和单片机；声波接收端多路开关分别连接接收端功率放大装置、双选开关和单片机；接收端功率放大装置与相位检测模块连接；双选开关再分别连接单片机、发射端功率放大装置和增益检测模块，增益检测模块与电脑主机连接，电脑主机再连接单片机和相位检测模块。

利用基于声学传感技术的多物理场测量装置的多物理场测量方法：主要包括以下步骤，

（1）利用基于声学传感技术的多物理场测量装置测量声波在被测区域传播的声速和声衰减信息；声波衰减的信息是通过测量声波信号在发射端和接收端的幅值获取的，即在增益检测模块中对输入和输出的声波信号的幅值进行比较得出；利用窄带宽的两个声波频率，通过测量收-发信号的相位差，可以实现准确的传播时间的测量，即比较相位检测模块中两声波信号的相位差；

（2）基于声波的弛豫衰减，结合经典衰减理论，建立声波总衰减与混合气体浓度、温度间的关系模型；联合声速与混合气体浓度、温度之间的关系，同时利用声速和声衰减两个声学参数，提出了基于声学法的混合气体多物理场同时建立声学参数与混合气体温度、浓度间的耦合模型；

（3）在二维区域中，利用步骤（1）得到声速和声衰减信息，基于反问题求解方法，计算二维区域不同处的声速和声衰减；再利用步骤（2）建立的耦合模型，对二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建；

（4）根据步骤（1）中测量的每条声波路径正反两个方向的测量信息，同时重建被测区域流体的速度分布，最终实现被测区域混合气体的温度场、浓度场和速度场的同时重建。

所述的步骤（2）中，声波的传播时间同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成有直接关系；声速同混合气体温度、浓度的关系表达如下：

c²=γ_mixRT/M_mix

其中，c为声速，T为烟气温度，R为气体常数，γ_mix和M_mix分别为混合气体的平均比热容比和平均相对分子质量，与气体各组成成分的浓度有关。

所述的步骤（2）中，声波的衰减同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成也有直接关系，经典衰减的计算如下，

其中，v是气体剪切粘度，c_p是定压比热容、k_h是热传导率、γ是比热容比c_p/c_v。公式(2)中的v、c_p、k_h、γ均为混合气体的复合结果，均取决于气体种类以及浓度组成和温度，所以，混合气体的浓度组成和温度决定了声波在其中传播的经典衰减。

弛豫衰减的计算则远比经典衰减复杂，基于DL模型中，声波的有效波数k的虚部就代表了声波的弛豫衰减：

其中，k为有效波数，k₀=2π/λ为波数，α_i为各组分的组成浓度；和分别是混合气体的平动定容比热和定压比热，为振动热容。

所述的步骤（3）中，对二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建，以下两式描述二维空间不同区域的声速和声衰减，

式中，L_AB表示A处到B处的声波路径，t_AB为声波由A处到B处的传播时间，c(x,y)为坐标(x,y)处的声速，为与L_AB平行的单位向量，为坐标(x,y)处的气体流动矢量，可以通过统一路径正反两个方向的测量抵消的影响；

式中，I_AB为声波强度在B处与A处的比值，α(x,y)为坐标(x,y)处的声衰减系数。

本发明的有益效果是本发明提供的多物理场同时重建方法及装置，在现有的利用声速监测气体物性基础上，加入声波衰减参数，实现了仅通过声波的收发就能实现二维截面的温度场、速度场、浓度场的同时重建。本发明可应用于生产和生活的多个领域，如燃烧区域温度、浓度测量、危险气体监测，微量有毒气体检测，气体分离和混合过程监测等。同时重建混合气体的温度场、各组分浓度分布及流场对于系统监测、改善系统效率、减少污染排放具有重要意义。采用声学测量的方法同时对多物理场进行重建。可以有效地解决传统测量方法的测量精度差，响应时间长，测量结果不精确的缺点。声学法测量技术毫秒级的响应时间、对某些微量混合气体可以实现精确的测量，可以达到几十ppm数量级；对系统中的粉尘影响敏感性小。同时，由于声学传感器的价格低廉，本专利提出的测量装置在经济上可以减少设备经费的投入。基于声学法的多物理场测量设备有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为基于声学法的多物理场测量装置结构示意图。

图2为同时重建温度和浓度方法示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于声学传感技术的多物理场测量方法及其装置。下面结合附图予以说明。

图1所示为基于声学法的多物理场测量装置结构示意图。图中，在被测区域1周围均匀地布置若干个声学传感器2，声学传感器2分别连接声波发射端多路开关3和声波接收端多路开关8、声波发射端多路开关3分别连接发射端功率放大装置5、相位检测模块4和单片机11；声波接收端多路开关8分别连接接收端功率放大装置6、双选开关10和单片机11；接收端功率放大装置8与相位检测模块4连接；双选开关10再分别连接单片机11、发射端功率放大装置5和增益检测模块9，增益检测模块9与电脑主机7连接，电脑主机7再连接单片机11和相位检测模块4。

每个声学传感器既可以作为声波发射端，又可以作为声波接收端，收-发间的切换由声波发射端多路开关3或声波接收端多路开关8进行控制。通过声波信号的收发，可以获得覆盖被测区域的声波测量信息。单片机11用来产生测量所需的声波信号和控制双选开关10，单片机控制产生声波信号后，一路经功率放大器对信号的放大，将信号由发射传感器发出，经过被测区域，再被多个接收端拾取；另一路输入到增益检测模块。由声波接收端对声波信号进行拾取，将拾取信号也分为两路：一路经前端放大后进入相位检测模块，对比得到相位差信息，进而经过计算得到声速信息；另一路进入增益检测模块，对比收-发信号的幅值得到信号强度衰减信息。将得到的测量信息汇总到电脑主机，进行后处理，最终得到被测区域介质的物理场信息，即温度场、浓度场和速度场。

实施例以CO-空气混合气体为例，

用图2显示为：建立两个关系模型：声速依赖混合气体温度、浓度的三维模型，声衰减依赖混合气体温度、浓度的三维模型。

如图2（a），若测得声波在混合气体中的传播速度为c₀，那么在图中可以做一水平切面，与模型交于一条线。同理，通过测得的声衰减α也可作一条交线，如图2（b）。再将这两条交线投影在温度-浓度坐标系上，两者的交点即混合气体对应的温度和浓度如图2（c）。具体步骤如下：

步骤1：根据所提出的多物理场重建方法，针对具体的被测混合气体，计算如图2（a）、（b）所示的声速和声衰减模型；

步骤2：在计算声衰减模型时，根据声衰减谱确定有效弛豫频率，根据有效弛豫频率的大小选取声学传感器的最佳工作频率；

步骤3：利用本专利提出的测量系统，首先由单片机控制发出特定频率的声波信号；由于本装置的声学传感器为一发多收形式，所以由多路开关控制传感器的收-发顺序，依次进行；

步骤4：将发出的声波信号分为两路：一路输入到增益检测模块，另一路进行放大后，输入到相位检测和传感器发射端，经介质中的传播，到达传感器接收端；

步骤5：接收端传感器收到声波信号后，同样分为两路：一路输入到增益检测模块，另外一路进行再次放大后，输入到相位检测芯片。

步骤6：增益检测模块和相位检测模块对收-发信号的幅值和相位进行对比。电脑终端对测量得到的声学信息进行处理，提取出声波信号在混合气体中的传播时间和强度的衰减信息，利用步骤1所建立的计算模型，结合声学CT理论，实现多物理场的重建计算；

步骤7：对重建结果进行图像显示，输出被测区域的多物理场信息，为实际被测系统的监测、控制提出反馈。

Claims (5)

1.一种基于声学传感技术的多物理场测量装置，其特征在于，所述多物理场测量的装置的组成是在被测区域周围均匀地布置若干个声学传感器，声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关、声波发射端多路开关分别连接发射端功率放大装置、相位检测模块和单片机；声波接收端多路开关分别连接接收端功率放大装置、双选开关和单片机；接收端功率放大装置与相位检测模块连接；双选开关再分别连接单片机、发射端功率放大装置和增益检测模块，增益检测模块与电脑主机连接，电脑主机再连接单片机和相位检测模块。

2.一种利用如权利要求1所述的基于声学传感技术的多物理场测量装置的多物理场测量方法；其特征在于，主要步骤如下：

(1)利用基于声学传感技术的多物理场测量装置测量声波在被测区域传播的声速和声衰减信息；声波衰减的信息是通过测量声波信号在发射端和接收端的幅值获取的，即在增益检测模块中对输入和输出的声波信号的幅值进行比较得出；利用窄带宽的两个声波频率，通过测量收-发信号的相位差，可以实现准确的传播时间的测量，即比较相位检测模块中两声波信号的相位差；

(2)基于声波的弛豫衰减，结合经典衰减理论，建立声波总衰减与混合气体浓度、温度间的关系模型；联合声速与混合气体浓度、温度之间的关系，同时利用声速和声衰减两个声学参数，提出了基于声学法的混合气体多物理场同时建立声学参数与混合气体温度、浓度间的耦合模型；

(3)在二维区域中，利用步骤(1)得到声速和声衰减信息，基于反问题求解方法，计算二维区域不同处的声速和声衰减；再利用步骤(2)建立的耦合模型，对二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建；

(4)根据步骤(1)中测量的每条声波路径正反两个方向的测量信息，还可以重建被测区域流体的速度分布，最终实现被测区域混合气体的温度场、浓度场和速度场的同时重建。

3.根据权利要求2所述多物理场测量方法：其特征在于，所述的步骤(2)中，声波的传播时间同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成有直接关系；声速同混合气体温度、浓度的关系表达如下：

c²＝γ_mixRT/M_mix

其中，c为声速，T为烟气温度，R为气体常数，γ_mix和M_mix分别为混合气体的平均比热容比和平均相对分子质量，与气体各组成成分的浓度有关。

4.根据权利要求2所述多物理场测量方法：其特征在于，所述的步骤(2)中，声波的衰减同混合气体的温度以及混合气体的浓度组成也有直接关系，经典衰减的计算如下，

$\mathrm{\α}=\frac{2{\mathrm{\π}}^2{f}^2}{{\mathrm{\ρc}}^3}\[\frac{4}{3}v+(\mathrm{\γ}-1)\frac{k_h}{c_p}\]$

其中，v是气体剪切粘度，c_p是定压比热容、c_v是定容比热容、k_h是热传导率、γ是比热容比c_p/c_v，公式(2)中的v、c_p、k_h、γ均为混合气体的复合结果，均取决于气体种类以及浓度组成和温度，所以，混合气体的浓度组成和温度决定了声波在其中传播的经典衰减；

弛豫衰减的计算则远比经典衰减复杂，基于DL模型中，声波的有效波数k的虚部就代表了声波的弛豫衰减：

$k^2=k_0^2\frac{C_v^0+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{C}_i^{vib}({\mathrm{\Γ}}_i-1)}{C_p^0+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{C}_i^{vib}({\mathrm{\Γ}}_i-1)},{\mathrm{\Γ}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_i^{vib}}{{\mathrm{\ΔT}}_i}$

其中，k为有效波数，k₀＝2π/λ为波数，α_i为各组分的组成浓度；和分别是混合气体的平动定容比热和定压比热，为振动热容，ΔT_i ^vib为弛豫振动温度变化值，ΔT_i为宏观温度变化值。

5.根据权利要求2所述多物理场测量方法：其特征在于，所述的步骤(3)中，对二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建，以下两式描述二维空间不同区域的声速和声衰减，

$t_{AB}={\∫}_{L_{AB}}{\left(c\right(x,y)+{\stackrel{\→}{p}}_{AB}\·\stackrel{\→}{u}(x,y\left)\right)}^{-1}ds$

式中，L_AB表示A处到B处的声波路径，t_AB为声波由A处到B处的传播时间，c(x,y)为坐标(x,y)处的声速，为与L_AB平行的单位向量，为坐标(x,y)处的气体流动矢量，通过统一路径正反两个方向的测量抵消的影响；

$I_{AB}={\∫}_{L_{AB}}\mathrm{\α}(x,y)ds$

式中，I_AB为声波强度在B处与A处的比值，α(x,y)为坐标(x,y)处的声衰减系数。